معالجة تحديات اختبار جهاز WBG

[ad_1]

أدى ظهور أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق الواسعة (WBG)، مثل كربيد السيليكون ونيتريد الغاليوم، إلى إحداث ثورة في مشهد تحويل الطاقة. وتتميز هذه المواد بخصائص متفوقة على السيليكون التقليدي، مما يتيح تحقيق تقدم كبير في الكفاءة. وهذه القفزة التكنولوجية مفيدة في تسهيل اعتماد الكهرباء على نطاق واسع.

لضمان التشغيل الموثوق والقوي لأجهزة WBG ضمن أنظمة الطاقة الإلكترونية من الجيل التالي، فإن إعادة التقييم النقدي لممارسات التحقق والاختبار الحالية أمر بالغ الأهمية. وقد يتطلب هذا ليس فقط تكييف المنهجيات الحالية، بل قد يتطلب تطوير أساليب جديدة تمامًا.

في مقابلة مع Power Electronics News، سيناقش جوناثان تاكر، قائد قطاع سوق الطاقة في Tektronix، منهجيات الاختبار الأكثر ملاءمة لأجهزة الطاقة WBG وكيف يمكن أن تساعد في تحسين أدائها.

اتجاهات القوة

ويمكن أن يعزى تسارع الطلب على كفاءة الطاقة إلى أهمية الرقمنة والكهرباء في تعزيز الإنتاجية والمسؤولية البيئية، على التوالي. أصبح الوصول إلى الطاقة والبيانات أكثر انتشارًا عبر مصادر الطاقة البديلة بدلاً من الوقود الأحفوري، نتيجة للتفويضات واللوائح الإقليمية التي تقود إلى الحد من انبعاثات الكربون.

يتم إجراء استثمارات عامة وخاصة في سلاسل التوريد وتقنيات أشباه الموصلات الجديدة لزيادة كفاءة وحدات الطاقة، وترانزستورات الطاقة، والدوائر المتكاملة لإدارة الطاقة، وأنظمة تحويل/عكس الطاقة. وبالمثل، من الضروري تقليل حجم ووزن جهاز تحويل الطاقة، وكذلك تحسين كفاءته.

مع ظهور أجهزة WBG، يحتاج المهندسون إلى إعادة تقييم طرق التحقق من الصحة والاختبار الخاصة بهم. تظل إجراءات اختبار أجهزة وأنظمة تحويل الطاقة أثناء التصميم والتصنيع مماثلة لتلك المستخدمة في الأجيال السابقة. ومع ذلك، فإن استخدام مواد WBG يتطلب دقة إضافية في عملية الاختبار.

وفقًا لتاكر، ربما تكون كثافة الطاقة الأعلى ومستويات الطاقة الأعلى هي أهم العوامل الرئيسية التي تحرك تطبيقات الطاقة. عادةً ما تتمتع أجهزة SiC ببنية رأسية، وبالتالي تحقق إمكانات جهد وتيار أعلى.

وقال تاكر: “الأشخاص الذين تحدثت إليهم في الصناعة متفقون على أنه سيتم تحقيق تغيير بنية أجهزة GaN من النوع الجانبي والمستوي إلى النوع الرأسي، ومستويات الجهد الأعلى وكثافة الطاقة الأعلى في نهاية المطاف”.

وأضاف أن SiC يعتمد بشكل أساسي على جانب كثافة الطاقة، في حين أن GaN يمكن أن يعمل بترددات تحويل أعلى، مما يقلل من فقدان الطاقة وحجم المحولات والمحاثات.

وقال تاكر: “تتمثل المهمة الكبيرة في ضمان الموثوقية طويلة المدى لأجهزة WBG هذه”. “تلعب شركات الاختبار والقياس دورًا كبيرًا في ضمان قدرتها على إجراء هذه الاختبارات بشكل صحيح وحصولها على الموثوقية التي تبحث عنها.”

حاليًا، يعد GaN وSiC من أشباه الموصلات المفضلة لدى WBG للشحن السريع، مما يقلل من خسائر التوصيل ويتيح سرعات تحويل أسرع. تعمل تقنية GaN على تقليل الحجم مع زيادة كثافة الطاقة، مما يعزز أوقات شحن البطارية في الهواتف المحمولة والأدوات اليدوية وشاشات الرعاية الصحية المحمولة. كما يتم استخدامه بشكل متزايد في مصادر الطاقة الإلكترونية، ومضخمات طاقة التردد اللاسلكي، وتطبيقات المعلومات والترفيه وقمرة القيادة بالمركبات الكهربائية. على العكس من ذلك، تتفوق تقنية SiC في تطبيقات الطاقة العالية، مثل نقل الطاقة وأنظمة التدفئة والتهوية وتكييف الهواء (HVAC) واسعة النطاق والمعدات الصناعية، نظرًا لملاءمتها للتعامل مع مستويات طاقة أعلى وكفاءة في البيئات الصعبة.

ومع ذلك، فإن الأبحاث الجارية تستكشف مواد جديدة من WBG، مثل نيتريد الألومنيوم (AlN)، وأكسيد الغاليوم (Ga).₂يا₃) والماس. تمتلك هذه المواد الجديدة القدرة على إطلاق العنان لأداء الطاقة المعزز.

وقال تاكر: “بينما نصل إلى تقنيات ذات فجوة نطاق واسعة للغاية مثل الماس ونيتريد الألومنيوم وأكسيد الغاليوم، ستحتاج أدوات الاختبار إلى مزيد من النطاق الترددي والمسابير القادرة على دعم عرض النطاق الترددي هذا أيضًا”.

توصيف جهاز WBG

يعد اكتساب فهم شامل للخصائص الكهربائية لـ SiC و GaN أمرًا بالغ الأهمية لإنشاء أساس منطقي مقنع لاستخدامها في تطوير تطبيقات الطاقة. ولتحقيق ذلك، يتم تنفيذ عملية توصيف العلاقة بين التيار والجهد (IV).

يعد التوصيف IV تقنية أساسية لفهم العلاقة بين التيار والجهد للسيليكون وSiC وGN، بالإضافة إلى خصائصها الأساسية.

تقدم مجموعة Keithley من Tektronix مجموعة من الأدوات المتقدمة، بما في ذلك وحدات قياس المصدر الرسومية من سلسلة 2400 (SMUs؛ انظر الشكل 1)، ومحلل المعلمات 4200A-SCS وأنظمة تتبع المنحنى 2600-PCT عالية الطاقة IV. يمكن الوصول بسهولة إلى العديد من القياسات الأساسية لتوصيف أجهزة WBG، مثل اختبار التيار مقابل الجهد، واختبار جهد الانهيار، واختبار تيار التسرب، من خلال واجهات المستخدم الرسومية أو برامج التطبيقات مثل Keithley KickStart أو ACS-Basic.

وقال تاكر: “مع صغر حجم الأجهزة الإلكترونية وثنائي الفينيل متعدد الكلور، أصبح من الصعب إجراء اتصال جيد للمسبار، خاصة في ظل وجود جهد كهربائي عالي وتصنيفات تيار عالية”. “يأتي الناس إلينا بسبب أنظمة اختبار أشباه الموصلات لدينا التي تُستخدم في مصانع الرقاقات، وفي الواجهة الأمامية وفي النهاية الخلفية لمصنع أشباه الموصلات.”

اختبار النبض المزدوج

اختبار النبض المزدوج (DPT) هو الإجراء المعمول به لتحديد معلمات التبديل وتقييم الخصائص الديناميكية لـ Si وSiC وGaN MOSFETs وIGBTs. يتم استخدام DPT لقياس تبديد الطاقة أثناء تنشيط الجهاز وإلغاء تنشيطه، وكذلك لتحديد خصائص الاسترداد العكسي.

كما هو مبين في الشكل 2، يتم إجراء DPT باستخدام جهازين WBG. يُشار إلى الجهاز الأول بالجهاز قيد الاختبار (DUT)، في حين أن الجهاز الثاني عادةً ما يكون من نفس نوع DUT. لاحظ الحمل الاستقرائي على الجهاز المتصل بالجانب “العالي”. يتم استخدام مغو لتقليد ظروف الدائرة التي قد تكون موجودة في تصميم المحول.

تشتمل المعدات المستخدمة على مصدر طاقة أو SMU لإمداد الجهد، ومولد وظيفة عشوائية لتوليد نبضات تعمل على تنشيط بوابة MOSFET لبدء التوصيل الحالي ومرسمة الذبذبات لقياس أشكال الموجات الناتجة.

وقال تاكر: “يوفر اختبار النبض المزدوج العديد من الأفكار حول كيفية أداء الجهاز، بما في ذلك أوقات الارتفاع وأوقات الهبوط وتشغيل الطاقة وإيقافها”. “ومع ذلك، ما نسمع عنه أكثر فأكثر هو أن الناس يريدون فحص أجهزتهم بشكل أكبر، مباشرة على الرقاقة.

“يمكن لمنتجات Keithley القيام بالكثير من مراقبة عملية مراقبة الجودة مثل التوصيف الوريدي مباشرة على الرقاقة باستخدام نظام فحص، ولكن عندما تبدأ اختبارات أخرى مثل R_{DS (على)}وأضاف: “أوقات الصعود وأوقات الهبوط تصبح أكثر صعوبة”.

التحقق من صحة أجهزة WBG

أصبحت القدرة على فحص فقدان الطاقة وتعزيز كفاءة إمدادات الطاقة أمرًا بالغ الأهمية في تطبيقات الطاقة. تعمل Tektronix على تبسيط عملية إجراء قياسات فقدان التبديل باستخدام راسمات الذبذبات MSO من الفئة 5 و6 من السلسلة B (الشكل 3) وبرنامج تحليل الطاقة الآلي.

قياس الكميات التفاضلية العائمة، مثل الجانب العالي V_ع، يمثل تحديًا أو ربما مستحيلًا بسبب التبديل السريع وإيقاف التشغيل عند الترددات العالية ووجود الفولتية الكبيرة ذات الوضع المشترك، مثل V_س. وذلك لأن تحقيقات راسم الذبذبات تفتقر إلى القدرة اللازمة على رفض إشارات الوضع المشترك عند عروض النطاق الترددي العالية.

يؤدي رفض الوضع المشترك غير الكافي إلى غمر القياس بسبب خطأ الوضع الشائع بدلاً من التقاط الإشارة التفاضلية بدقة. ولمعالجة هذه المشكلات، يمكن استخدام مجسات Tektronix IsoVu المعزولة. من خلال الحفاظ على أدائها بغض النظر عن جهد الوضع المشترك عند استخدامها مع أجهزة GaN وSiC، فإنها تتيح إجراء قياسات تفاضلية دقيقة. باستخدام مجسات IsoVu، يمكن قياس خسائر التوصيل، وخسائر الوقت الميت، وخسائر التبديل والتحقق من صحتها بدقة.

وقال تاكر: “إذا نظرت إلى محفظة Tektronix، يمكنك أن ترى أن لدينا مجموعة واسعة من النطاقات وتقنيات التحقيق”. “البرنامج مهم جدًا أيضًا. لدينا فريق يقوم بتطوير البرامج القائمة على التطبيقات والتي يمكن تثبيتها مباشرة في النطاق نفسه.

وأضاف: “بعيدًا عن التوصيف التقليدي لأجهزة WBG، فإن التحقق من موثوقية أجهزة WBG ووحدات الطاقة يتطلب قدرات عالية الجهد وطاقة أعلى”. “شركة EA Elektro-Automatik، وهي شركة ألمانية متخصصة في إمدادات الطاقة عالية الكفاءة، والتي تم الاستحواذ عليها مؤخرًا، تعمل على توسيع حلول اختبار وقياس الطاقة العالية من Tektronix. تتيح قوة حافظات Tektronix وKeithley وEA للمهندسين إمكانية القياس بثقة وتقديم منتجاتهم إلى السوق بشكل أسرع. “

في عالم تعتبر فيه إدارة موارد الطاقة المحدودة أمرا بالغ الأهمية، تعمل تكنولوجيا أشباه الموصلات في مجموعة البنك الدولي مثل SiC و GaN على تطوير الطاقة النظيفة والمتجددة. ومع ذلك، تنشأ تحديات جديدة للمهندسين. تعد أدوات وتقنيات الاختبار المحدثة ضرورية لقياس القيم المهمة وضمان وظائف هذه الأجهزة المهمة.

ظهرت المقالة التي تتناول تحديات اختبار جهاز WBG للمرة الأولى على Power Electronics News.

[ad_2]