Sistemi di misura Tektronix per ridurre i tempi di analisi circuitale

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Con i sistemi di misura Tektronix i progettisti Panasonic riducono i tempi di sviluppo per i nuovi dispositivi GaN

Grazie alla soluzione di misura IsoVu di Tektronix ad alta precisione, Panasonic riduce significativamente i tempi di analisi circuitale dei dispositivi semiconduttori di potenza in nitruro di gallio GaN

Panasonic Semiconductor Solutions sviluppa dispositivi GaN ultra veloci e ad alta frequenza da 600 V per diverse applicazioni, quali alimentatori server, inverter fotovoltaici e veicoli elettrici.

Nell’analisi circuitale in fase di progettazione di un nuovo dispositivo di potenza GaN ad alta velocità e ad alta frequenza il problema principale per Panasonic era ottenere misure differenziali precise per le forme d’onda di commutazione. Queste forme d’onda, infatti, risultavano irregolari a causa della capacità parassita presente nelle tradizionali sonde per oscilloscopi.

Obiettivo: trovare un sistema di misura in grado di restituire immediatamente forme d’onda di tensione precise.

Abbiamo chiesto ad Andrea Vinci, EMEA Market Development Manager Power Electronics Tektronix, di spiegarci in dettaglio le criticità di misura.

Rispetto ai semiconduttori in Silicio i nuovi dispositivi GaN offrono numerosi vantaggi tra cui tensione di rottura del dielettrico, temperatura di esercizio e resistenza ad alte tensioni elevate, bassa resistenza di On, dimensioni inferiori del chip nonché funzionamento ad alte velocità e ad alte frequenze.

In pratica, per i progettisti queste caratteristiche si traducono in: dv/dt, di/dt e frequenze di commutazione elevate che creano problemi di EMI (interferenza elettromagnetica); misure di basse tensioni in presenza di elevate correnti di modo comune; elevato overshoot (sovraelongazione) di tensione; problemi di cross-talk (diafonia) da considerare nel layout dei PCB e determinazione della percentuale di errori introdotti dal sistema di misura.

In particolare, nelle configurazioni a mezzo ponte (half-bridge) tipicamente utilizzate con i dispositivi GaN e Sic per applicazioni di elettronica di potenza – quali gli alimentatori switching – la misura della tensione gate-source Vgs dei Mosfet risulta critica: quando un MOSFET inizia a condurre, infatti, l’elevata dv/dt induce tensioni spurie sulla tensione gate-source del Mosfet complementare come mostrato in figura. Questo fenomeno riduce il margine segnale-rumore della tensione Vgs del Mosfet complementare rendendolo quindi soggetto ad accensioni indesiderate.

Configurazione a mezzo ponte e forme d’onda di commutazione dei Mosfet del ramo alto (high-side) e basso (low-side)

Questa topologia offre vantaggi solo quando la progettazione del circuito mezzo ponte, del circuito di pilotaggio del gate (gate driver) e il layout sono ottimizzati. Senza la disponibilità di misure precise è impossibile ottimizzare il circuito fino al caso estremo in cui se i circuiti del ramo alto e del ramo basso conducono contemporaneamente può verificarsi un cortocircuito.

La soluzione

Utilizzare sonde per oscilloscopi ad alte prestazioni progettate specificatamente per eseguire misure differenziali, quali le sonde brevettate IsoVu che, a differenza delle sonde tradizionali, presentano una maggiore immunità agli effetti della tensione di modo comune, ovvero una reiezione di modo comune (CMRR) molto più elevata.

Il sistema di misura IsoVu Tektronix utilizza la tecnologia ottica per ottenere l’isolamento galvanico completo tra l’oscilloscopio e il dispositivo da misurare mantenendo le stesse prestazioni all’aumentare della frequenza.

Risultati

Con IsoVu, Panasonic ha potuto analizzare con precisione le forme d’onda della tensione Vgs indispensabili per valutare e ottimizzare le prestazioni e l’affidabilità dei nuovi dispositivi GaN (senza declassare dv/dt) riducendo significativamente il tempo richiesto per l’analisi del circuito in configurazione a mezzo-ponte.

Sviluppi futuri

“Posso affermare che per tutti gli sviluppi futuri di semiconduttori GaN e Sic utilizzeremo gli oscilloscopi Tektronix con le sonde IsoVu per ottenere le misure precise necessarie per ottimizzare i circuiti ad alte prestazioni” conferma Mr. Daijiro Arisawa, System Development Group Staff Engineer, Panasonic Semiconductor Solutions.

Riferimenti

https://www.tek.com/blog/sic-and-gan-systems-design-engineers-no-longer-flying-blind-isovu

https://www.tek.com/document/case-study/panasonic-semiconductor-solutions-case-study

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