Test a doppio impulso del modulo di potenza SiC/GaN per inverter EV

Perché i test sui moduli di potenza SiC/GaN sono una priorità crescente

I semiconduttori ad ampio gap di banda sono passati da un’opzione premium alla scelta principale negli inverter di trazione dei veicoli elettrici. Gli inverter in carburo di silicio hanno una tenuta inferiore a 8% della produzione globale di veicoli elettrici in 2021; di 2026, quella quota è cresciuta all'incirca 24%, gli analisti del settore prevedono che potrebbe raggiungere la maggior parte della produzione di veicoli elettrici entro la fine del decennio. Il nitruro di gallio sta seguendo una traiettoria simile nelle applicazioni a bassa potenza, con nuove architetture di dispositivi che combinano GaN con design consolidati del silicio per aumentare l'efficienza nelle applicazioni con inverter da 100 kW+. Man mano che l'adozione cresce, lo stesso vale per la necessità di convalida: i produttori stanno sviluppando una produzione di substrati SiC integrata verticalmente per supportare la transizione, e il test del doppio impulso — il metodo standard del settore per caratterizzare il comportamento di commutazione di un dispositivo con ampio gap di banda — è diventata una parte di routine sia della qualificazione dei dispositivi che della convalida a livello di inverter piuttosto che un intervento specialistico di R&Procedura solo D. Questo cambiamento è importante per chi ha bisogno di questa capacità: non si tratta più solo di fornitori di semiconduttori e di una manciata di grandi laboratori OEM di elettronica di potenza, ma anche livello 1 i fornitori di inverter e i produttori di veicoli elettrici portano internamente una parte maggiore della progettazione e della convalida dei propri inverter poiché il SiC diventa una decisione mainstream nella distinta base piuttosto che un aggiornamento speciale.

Cosa rende il test dei moduli di potenza SiC/GaN diverso dai test degli inverter a livello di sistema

• A livello di dispositivo, non a livello di sistema: questo test caratterizza il comportamento di commutazione del singolo semiconduttore di potenza in modo isolato, distinto dal test completo dell'inverter a trazione che convalida l'inverter assemblato che aziona un motore sotto carico.
• Eventi di commutazione su scala nanosecondo: i dispositivi ad ampio gap di banda commutano un ordine di grandezza più velocemente degli IGBT al silicio, quindi la configurazione del test necessita di una larghezza di banda di misurazione e di una risposta della sonda sufficientemente veloce da risolvere le transizioni di commutazione misurate in decine di nanosecondi.
• Risultati sensibili ai parassiti: a queste velocità di commutazione, parassiti del circuito (induttanza parassita, posizionamento della sonda, disposizione del circuito stampato) influenzare materialmente i risultati misurati, quindi la progettazione del dispositivo di prova è di per sé una parte significativa per ottenere dati validi.
• Recupero inverso e comportamento del diodo body: caratterizzare il modo in cui il diodo corporeo del dispositivo si ripristina durante la commutazione è fondamentale per prevedere le perdite di commutazione reali, e differisce in modo significativo tra la fisica dei dispositivi SiC e GaN.

Elementi fondamentali del test

1. Caratterizzazione della commutazione a doppio impulso

Il metodo di prova standard per misurare il comportamento di commutazione all'accensione e allo spegnimento in condizioni di corrente e tensione controllate, utilizzando due impulsi di gate consecutivi per stabilire una corrente di prova nota prima di acquisire l'evento di commutazione.

Metriche chiave: perdita di energia all'accensione/spegnimento (Eon/Eoff), superamento della tensione, superamento attuale, tempo di commutazione (salire/scendere).

2. Caratterizzazione del recupero inverso

Misura il comportamento di recupero inverso del diodo body durante la commutazione, un fattore chiave che contribuisce alle perdite di commutazione e alla generazione di interferenze elettromagnetiche.

Metriche chiave: addebito di recupero inverso (Qrr), tempo di recupero inverso, corrente di picco di recupero inverso.

3. Caratterizzazione statica in stato attivo

Convalida la resistenza in stato attivo e la caduta di tensione del dispositivo nell'intervallo di corrente e temperatura nominali.

Metriche chiave: resistenza (Rd(SU)) contro. temperatura, caduta di tensione di saturazione, perdita di conduzione alla corrente nominale.

4. Gate Drive e comportamento della soglia

Caratterizza la carica di gate, tensione di soglia, e requisiti di gate drive per convalidare la compatibilità con il progetto del circuito di pilotaggio previsto.

Metriche chiave: carica di cancello (Qg), tensione di soglia, requisito di corrente del gate drive attraverso la frequenza di commutazione.

5. Impedenza termica e durata del ciclo di potenza

Misura l'impedenza termica dalla giunzione all'involucro ed esegue test di ciclo di alimentazione per convalidare la durata del modulo in condizioni di stress termico ripetuto derivante dall'operazione di commutazione.

Metriche chiave: impedenza termica (giunzione-caso), cicli fino al guasto in condizioni di sbalzo di temperatura definito, tendenza al degrado della resistenza on attraverso il ciclismo.

6. Perdita di commutazione ad alta frequenza sull'involucro operativo

Estende la caratterizzazione a doppio impulso su tutta la tensione, attuale, e l'intervallo di temperatura che il dispositivo vedrà durante il funzionamento effettivo dell'inverter, creazione di una mappa completa delle perdite di commutazione per la modellazione dell'efficienza a livello di sistema.

Metriche chiave: mappa delle perdite di commutazione sulla rete di tensione/corrente/temperatura, accuratezza della previsione dell’efficienza quando inserita in modelli a livello di sistema.

Cosa significa per la selezione del banco prova

Il test dei moduli di potenza SiC/GaN richiede una configurazione di test dedicata a doppio impulso con sonde di tensione e corrente a larghezza di banda elevata, apparecchi di prova a bassa induttanza, e un sistema di acquisizione dati in grado di risolvere eventi di commutazione su scala nanosecondi — capacità distinta da, e complementare a, un banco prova inverter di trazione a livello di sistema. Mentre l’adozione dell’ampio gap di banda aumenta verso una quota maggiore della produzione di veicoli elettrici, i fornitori e i Tier 1 che introducono dispositivi SiC o GaN nei propri progetti di inverter necessitano sempre più di questa caratterizzazione a livello di dispositivo internamente anziché affidarsi interamente alle schede tecniche dei fornitori di semiconduttori. Perché i parassiti degli apparecchi influenzano direttamente i risultati misurati, vale anche la pena convalidare la configurazione del test stessa rispetto a un dispositivo di riferimento noto prima di fidarsi dei dati comparativi tra diversi fornitori di SiC o GaN. Se stai sviluppando la capacità di caratterizzazione dei moduli di potenza insieme ai programmi di test di inverter e motori, parla con il nostro team di ingegneri sulle configurazioni di test a doppio impulso per la convalida dei dispositivi ad ampio gap di banda.