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2023/10/31光アイソレーションプローブを新発売!第三世代の半導体テストのブレークスルー - Micsigの光絶縁プローブ
第三世代の半導体テストのブレークスルー - Micsigの光絶縁プローブ
第三世代の半導体である炭化ケイ素(SiC)および窒化ガリウム(GaN)は、近年の新興のパワーセミコンダクターであり、従来のシリコン(Si)ベースのパワーセミコンダクターと比べて、窒化ガリウムと炭化ケイ素はより広い禁止帯域幅を持ち、より高い臨界電場を有しています。これにより、これらの材料を使用して作られたパワーセミコンダクターは、高耐圧性、低通電抵抗、小さな寄生パラメーターなどの優れた特性を持っており、スイッチング電源領域に適用されると、低損失、高動作周波数、高信頼性などの利点を持ち、スイッチング電源の効率、電力密度、信頼性などを大幅に向上させることができます。
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図1:炭化ケイ素(SiC)および窒化ガリウム(GaN)のスイッチング動作時間
炭化ケイ素(SiC)および窒化ガリウム(GaN)のスイッチング時間はいずれもナノ秒(ns)のレベルであり、このような顕著な利点はスイッチング電源の損失を低減しますが、より短いスイッチング時間は高次高調波成分を著しく増加させることを意味します。ブリッジ回路の適用では、高電圧と高周波の重なりが発生し、上部ブリッジアームのフローティンググラウンドテストはエンジニアにとって大きな課題を提供しています。

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図2:炭化ケイ素(SiC)と従来のシリコン基のIGBTの周波数分布


図2は、従来のシリコン基のIGBTに比べて、炭化ケイ素はより高い周波数分布と高周波エネルギーを持っています。

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図3:上部アームのVgs電圧と重畳共模干渉電圧Vcmの概念図
図3に示されている半橋回路では、Vgs電圧はVcm(下部ゲートのVds)の上に浮かんでおり、Vcmは下部のQLがオンおよびオフするにつれて0Vから1000Vの間で振動します。通常、Vgsは20V未満であり、Vcmよりもはるかに小さく、測定時に私たちが関心を持つのはVgsの信号特性です。これは差動信号であり、この時点でVcmは共通モード干渉となります。我々はテスト信号にそれが現れるのを望まないが、望むほど容易ではなく、共通モード干渉は電源回路でしばしば消し去ることができず、電源設計段階でもテスト解析段階でも、できる限りその成分を抑制しようとする必要があります。共通モード干渉を抑制する能力には共通モード抑制比(CMRR)という専用の指標があります。


一般的な高電圧差動プローブは100kHzでCMRRが60dB以上であり、1MHzでCMRRが50dB以上であるが、周波数が100MHzに達すると、通常20dB前後しか達成できない。図2の周波数スペクトルから、炭化ケイ素は100MHzでまだ大きなエネルギーを持っており、これがなぜ従来の高電圧差動プローブがこのテスト作業に対処できない理由をよく理解できます。そのため、そのテストで示される波形の正確性がしばしば疑問視されています。


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图4: 炭化ケイ素導通瞬間のVgs信号波形
図4では、黄色の波形は炭化ケイ素の導通瞬間における高電圧差動プローブによるテスト波形を示しています。この波形は明らかに深刻な振動を示し、赤い円で示されている場所の信号電圧は炭化ケイ素のVgsの限界値を超えており、これはデバイスの損傷を引き起こす可能性があります。しかし、回路は正常に動作しています。これは明らかに論理に合致していません。
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5: 炭化ケイ素ターンオフ期間の Vgs 信号波形

図5では、黄色の波形は炭化ケイ素の絶縁状態における高電圧差動プローブによる信号波形を示しています。赤い円で示されている電圧は、通常-10V未満の範囲である炭化ケイ素が耐えられる逆電圧をはるかに超えています。しかし、デバイスは損傷していません。これも明らかに論理に合致していません。

実際のVgs信号はどのようなものでしょうか?デバイスの性能は設計通りに達成されていますか?炭化ケイ素または窒化ガリウムデバイスのパラメータには安全な余裕がありますか?スイッチング損失の計算結果は本当に正確でしょうか?エンジニアの一連の疑問は、共通の問題に指向しています:第三世代半導体のテストの難題。
Micsigは、SigOFIT™プロプライエタリ技術に基づいた光学隔離プローブによって、この難題を解決しました。
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図 6: SigOFIT™ 独自技術に基づく Micsig の光学的に分離されたプローブ

図4および図5に示されている青い波形は、Micsigの光学隔離プローブによる結果です。目標ボードのVgs信号は非常にスムーズであり、回路パラメータの設計が非常に完璧であることがわかります。炭化ケイ素デバイスは安全な範囲内で動作しています。光学隔離プローブは、非常に高い共通モード抑制能力を持っており、200MHzで80dBの共通モード抑制比を維持しています。


炭化ケイ素以外のテスト環境で、窒化ガリウムに焦点を当てる場合、光学隔離プローブはますます優れた利点を持っています。窒化ガリウムは炭化ケイ素よりもスイッチング時間が短く、テストプローブの共通モード抑制能力がより高い要求がされるため、これは光学隔離プローブの得意とするところです。通常、差動プローブはリード線が数十センチ以上あり、大きな寄生容量とアンテナ効果を持っています。差動プローブを使用して窒化ガリウム制御ゲートに触れると、激しい振動が窒化ガリウムデバイスの瞬時の破壊や爆発(一般的には"炸管"と呼ばれる)を引き起こします。多くの窒化ガリウム回路設計のエンジニアは、炸管が頻繁に発生し、触れると爆発することがよくあると不平を言っています。Micsigの光学隔離プローブはMCX接続を採用し、リード線が非常に短いため、ほとんどアンテナ効果があり、寄生容量は数pF未満です。窒化ガリウムの安全なテストが可能です。


Micsigの光学隔離プローブは、独自のSigOFIT™光ファイバ隔離技術を採用しており、高電圧テストの際に人身安全性とバックエンドの機器の安全性を非常にうまく解決しています。光学隔離プローブの共通モード電圧は60KVpk以上に達します(完全にテスト環境の絶縁物に依存)。光ファイバの長さは10メートル以上でも信号に影響を与えません。ユーザーは必要に応じてカスタマイズされた長さを選択でき、これは他のプローブが持たない信号のケーブル伝送特性です。

                           つづく…