A physical approach to high-bandwidth, low insertion impedance current measurement for high-frequency switching wide-bandgap devices

Abstract

Nach der Erfindung des Feldeffekttransistors (FET) durch Julius Edgar Lilienfeld 1926, führte der Weg der Silizium-basierten Halbleiter zur Erfindung des Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistors MOSFET in den 1960ern. Das anfänglich schlechte Schaltverhalten von MOSFETs wurde schnell verbessert und war bald ein Vorteil, der die MOSFETs zu den wichtigsten Komponenten der Leistungselektronik machte. Bis zur Markteinführung von Transistoren, basierend auf Galliumnitrid (GaN) 2010 und Siliziumkarbid (SiC) 2011, waren dotiertes Silizium und andere Halbleiter mit einer Bandlücke von <2eV das Mittel der Wahl für die Grundbausteine in der Leistungselektronik. Seither sind Wide-Bandgap Halbleiter in den Fokus für Neuentwicklungen in der Leistungselektronik gerückt. GaN- und SiC-Transistoren bieten aufgrund ihrer größeren Bandlücken von 3.4eV und 3.26eV verbesserte elektrische Eigenschaften verglichen mit traditionellem Si. Die wichtigsten Verbesserungen sind höhere Sperrspannungen, eine schnellere Schaltgeschwindigkeit, und verbesserte thermische Eigenschaften. Das schnellere Schalten der SiC- und GaN-Transistoren ist der Schlüssel zu effizienteren Leistungsumrichtern und ermöglicht damit erhebliche Energieeinsparungen in der Leistungsumwandlung auf großen und kleinen Skalen. Daher wurde in dieser Arbeit das verbesserte Schaltvermögen von GaN-Transistoren betrachtet. Das schnellere Schalten ergibt sich a) aufgrund der verbesserten Elektronen-Mobilität, welches einen niedrigeren R_DS−ON zur Folge hat und b) wegen der geringeren parasitären Kapazitäten und Induktivitäten im Vergleich zu Si-Transistoren. Letzteres ist ein Resultat der kompakteren Packages und der besseren Anbindung des Chips im Package. Dadurch sind Schaltvorgänge im Bereich von 1ns möglich. Um diese Schaltzeiten des GaN-Transistors zu erreichen, muss der Rest der elektrischen Schaltung entsprechend optimiert sein. Die Leiterbahnen im Kommutierungs- und Treiberpfad sind mit möglichst geringer Impedanz auszulegen. Bei der Entwicklung von Leistungsumrichtern ist die Kenntnis von Strom und Spannung am schaltenden Transistor im Kommutierungspfad von besonderem Interesse, da sich aus ihrem Produkt die Schaltverluste berechnen. Diese sind maßgeblich für die Effizienz des Gerätes verantwortlich. Außerdem zeigen Strom und Spannung ob der Schaltvorgang „sauber“, also ohne Einschwingvorgänge und resonantes Nachschwingen erfolgt ist. Dies geschieht mittels Messung der Spannung v_DS und des Stromes i_DS zwischen Drain und Source des Transistors. v_DS kann über angepasste Abgriffe an der Leiterplatte mittels Tastkopf erfasst werden. Für die Strommessung muss ein Sensor in den Kommutierungspfad eingebracht werden, der unweigerlich zusätzliche Impedanz für den zu messenden Strom bedeutet. Die Höhe der Impedanz hängt stark vom Sensortyp und dessen Implementierung ab. Marktübliche Stromwandler und Shunts sind mit einer zu hohen parasitären Induktivität behaftet und weisen außerdem bei der hier notwendigen Kompaktheit eine zu niedrige Bandbreite für GaN-Schaltvorgänge auf. Außerdem wäre es vorteilhaft, wenn der Stromsensor vom Messsignal galvanisch isoliert wäre. Um Strommessmethoden für WBG-Halbleiter zu evaluieren, wurden im Zuge dieser Arbeit geeignete physikalische Phänomene und damit realisierte Strommessmethoden untersucht. Zu diesem Zweck wurden Leiterplatten für sogenannte Doppelpulstests mit zwei GaN Schalter in Halbbrückenkonfiguration in drei verschiedenen Varianten entwickelt und getestet. Diese drei Varianten enthalten zwei unterschiedliche Stromsensoren: a) einen am Markt verfügbaren Koaxial-Shunt (CSR) und b) den neuartigen, von der Universität Bristol entwickelten und vertriebenen Infinity Sensor. Die dritte Variante enthält beide Sensoren in Kombination zur Verifikation. Alle drei Varianten wurden mit dem etablierten Testverfahren des Doppelpulstests betrieben, Messergebnisse erfasst, aufbereitet, und evaluiert. Zu diesem Zweck wurde im Leistungselektronik-Labor des AIT eine Prüfzelle mit allen notwendigen periphären Geräten aufgebaut und in Betrieb genommen. Die damit erfassten Messergebnisse wurden diskutiert und davon die technische Eignung und Limitierung der jeweiligen Sensortechnologie erarbeitet. Weitere Strommessmethoden wurden theoretisch betrachtet und bereits in Schaltungen integriert, aber noch nicht vermessen. Diese sind Teil des Ausblicks auf zukünftige Arbeiten. Dies betrifft vor allem die miniaturisierte Form des Koaxial-Shunts, der Ultra Fast Current Shunt (UFCS) genannt wird. Eine weitere vielversprechende Technologie, die sowohl galvanische Isolation als auch besonders niedrige parasitäre Impedanz vereint, ist die des faseroptischen Stromsensors auf Basis des Faraday-Effekts. Dieser wird Fibre Optical Current Sensor (FOCS) genannt und ist bisher nur in der Hochspannungstechnik für sehr hohe Stromstärken in Verwendung. Auch hier könnte die Miniaturisierung dieser Technologie den Weg zu mFOCS weisen und deren Anwendung in der Leistungselektronik ermöglichen.

Since its invention by Julius Edgar Lilienfeld in 1926, the field-effect transistor FET led the way to the invention of the metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) in the 1960s. Contrary to their poor performance in the beginning, MOSFETs soon improved their switching characteristics and switching is what they are mostly known and used for in power electronics today. Until the introduction of MOSFETs based on silicon carbide (SiC) in 2011 and high electron mobility transistors HEMTs based on gallium nitride (GaN) in 2010, Si and other semiconductors with band gaps <2eV were the only options for power electronics designs. Since then, transistors based on WBG semiconductors became the focus for new developments in the field. Compared to traditional Si, GaN and SiC transistors offer improved electrical features due to their wide bandgaps of 3.4eV and 3.26eV. The most prominent improvements are the higher blocking voltage, faster switching speed, and superior thermal characteristics. The improved switching behaviour of GaN and SiC transistors is the key ingredient for more efficient power converters and thus helps to save substantial amounts of energy in power conversion on big and small scales. This thesis focuses on the improved switching performance of GaN transistors, which is mainly a result of a) the high electron mobility of the GaN substrate, hence the very low R_DS−ON and b) the reduced parasitic capacitance and inductance. The latter is a result of the compact package and improved connection between package and chip. GaN devices allow switching within 1ns. To achieve such fast slew rates, the rest of the electrical circuitry must be dimensioned accordingly. The copper traces of the commutation and driver loop must feature lowest possible impedances. When developing power converters, it is essential to know the voltage and current across the switch. Their product is the power loss of the switching transistor, which has the most impact on the correct function and efficiency of the power converter. Additionally, voltage and current indicate if the switching process is precise, without transient oscillations or even ringing after switching. The evaluation is done by measuring the voltage v_DS and current i_DS across drain and source of the transistor. Voltage sensing is straight forward and can be done with some custom made test points at the PCB. The current measurement requires a sensor to be fitted into the commutation path, which inevitably adds insertion impedance for the measured current. The amount of inserted impedance highly depends on the sensor type and implementation design. Conventional sensors and shunts usually come with high parasitics and a bandwidth which is too low to capture the fast transient. Furthermore, galvanically isolated current sensing would be preferable. To evaluate current sensing for WBG semiconductors, this thesis takes a look at suitable physical phenomena and current sensors based on these effects. Custom made PCBs for the so-called double pulse test with two GaN transistors in a half bridge configuration were developed and tested in three different variations. These variations feature two different current sensors, firstly the established coaxial shunt (CSR) and secondly the novel Infinity Sensor, a specifically optimized Rogowski coil, developed and sold by the University of Bristol. The third variant features both sensors in combination, enabling measurement verification. All three variants were used for double pulse tests, a common evaluation procedure for transistor switching. Measurements were taken, post-processed, and assessed for the technical feasibility of the sensors as well as their limitations for the intended purpose. Further technologies for current sensing were considered theoretically and partially adapted to the existing PCBs, but not tested yet. These are described in the outlook and future work. A miniaturized version of the coaxial shunt was proposed, which is called ultra fast current shunt (UFCS). Another promising technology is the fibre optical current sensor (FOCS) which uses the Faraday effect, and combines galvanic isolation and very low parasitic impedance. Until now, this technology is only used for high voltage applications with very high currents. Again, miniaturization could lead the way for this technology to the application in power electronics as mFOCS.