07.10.2022
In den letzten Jahren gab es viele technische Fortschritte bei der Entwicklung von Leistungshalbleitern. Insbesondere hat die Verbreitung von SiC- und GaN-basierten Halbleitern für industrielle Leistungsanwendungen deutlich zugenommen. Durch diese Technologien ist es möglich, immer kürzere Schaltzeiten für leistungselektronische Anwendungen zu realisieren. Die Ermittlung von Transistorkenndaten und deren Schaltverluste sind hierdurch jedoch mit immer höheren messtechnischen Herausforderungen verbunden. Die PTB hat dazu im Rahmen des Forschungsvorhabens „MessLeha“ (ein Normungsprojekt des DKE) einen neuen Messaufbau zur Bestimmung der Schaltverluste unter Einsatz eines Doppelpulstests entwickelt und aufgebaut.
Um die Schaltverluste der schnellen Leistungshalbleiter zu ermitteln, ist es zunächst notwendig, für den Messbereich passende Strom- und Spannungssensoren auszuwählen. Hierbei ist es besonders wichtig, dass die Bandbreiten sowie die Linearitäten dieser Komponenten hinreichend groß sind und dass das Laufzeitverhalten der Sensoren zueinander passt. Da die Sensoren für die Bestimmung der Schaltverluste einen großen Dynamikbereich abdecken müssen, ist es zudem erforderlich, deren Linearität zu charakterisieren.
Das Messystem sowie die Auswertung der Messsignale durch die Auswertesoftware wurden gemäß den Anforderungen der Norm IEC 60747 gestaltet. Das in der Abbildung gezeigte Messystem besteht aus einer Kondensatorbank, einem Treiber für die Ansteuerung der zu testenden Leistungshalbleiter sowie einer Steuerelektronik, mit derer unterschiedliche Schaltkonzepte für den Doppelpulstest eingestellt und die Leistungshalbleiter geschaltet werden können. Für die Messung der Spannungen und Stromstärken werden Spannungsteiler und koaxiale Shunts mit relativ großen Bandbreiten eingesetzt. Die Signalerfassung erfolgt durch eine kommerzielle Zweikanal-Messkarte. Der verwendete Koaxialshunt hat eine Bandbreite von 800 MHz. Der ohmsch-kapazitive Spannungsteiler ist koaxial aufgebaut und wurde speziell für dieses Messystem entwickelt. Er weist eine Bandbreite von 600 MHz auf und ist für eine maximal zulässige Eingangsspannung von 5 kV ausgelegt.
Bild: Schematische Darstellung des Messsystems.
Die Messdatenaufnahme und -verarbeitung erfolgt durch ein LabVIEW-Programm. Eine besondere Funktion dieser Software ist, dass der Beginn und das Ende des Schaltvorgangs in den Messwertreihen automatisch und exakt durch das Auswerteprogramm erkannt werden. Dies führt zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit. Die Maßstabsfaktoren der eingesetzten Messwandler und Teiler werden ebenfalls in dem Messprogramm mitberücksichtigt. Die Korrektur der Signalverläufe der Messkarte, der Signalanpassung und des Wandlers werden in der Auswertesoftware durch eine mathematische Entfaltung sowohl im Zeit- und Frequenzbereich durchgeführt.
Zusammenfassend ermöglicht der neue Messaufbau die Ermittlung von Schaltverlusten von schnellen Leistungshalbleitern. Das Messverfahren wird derzeit durch Vergleichsmessungen mit anderen Messverfahren validiert.
Ansprechpersonen:
Florian Schilling und Ying Su