مجسات الجهد الكهربائي لقياس تحويل أشكال الموجة

بالعادة تقوم مستشعرات الجهد الكهربائي على قياس الفولتية العابرة لأشباه موصلات القدرة، وذلك في بيئة اختبار النبض المزدوج (DPT)، بحيث نقوم بتكييف النماذج المنشورة مسبقاً، والتي تم تطويرها لأجهزة الاستشعار الحالية وتطبيقها على مستشعرات الجهد لتقييم مدى ملاءمتها لتطبيقات (DPT)، كما تم التحقيق في أوجه التشابه والاختلاف بين مستشعرات التيار والجهد الكهربائي العابر.

تحليل مجسات الجهد الكهربائي لقياس تحويل أشكال الموجة

كان قياس وتقليل خسائر تحويل أشباه الموصلات الكهربائية ذات فجوة واسعة النطاق (WBG) موضوعاً بحثياً لعدة سنوات، كما أنه من المرغوب فيه خسائر تحويل منخفضة لتنفيذ ترددات تحويل أعلى في محولات الطاقة الإلكترونية بحيث يمكن تقليل حجمها ووزنها إلى الحد الأدنى، ومع ذلك ومع انخفاض خسائر التبديل؛ تصبح دقة نظام القياس ومحاذاة الانحراف وتأثيره غير المقصود على دائرة الاختبار أكثر أهمية.

كذلك يجب مراعاة هذه التأثيرات بشكل خاص بالنسبة لأجهزة نيتريد الغاليوم (GaN)، ومع ذلك تتأثر أيضاً أشباه موصلات الطاقة من كربيد السيليكون (SiC) و (MOSFETs) من السيليكون (Si)، كما أن الطريقة المقبولة على نطاق واسع لقياس خسائر التبديل في أشباه موصلات الطاقة هي اختبار النبض المزدوج (DPT) الواضحة في الشكل التالي (1)، والذي يتطلب القياس المتزامن لتيار التحويل للجهاز وفلطية التحويل الخاصة به.

كما هو موضح في الشكل السابق؛ فإنه يمكن تحديد مشكلتين رئيسيتين فيما يتعلق بقياس العابرين السريعة:

• اقتران سعوي بين معدات القياس والجهاز قيد الاختبار (DUT)، وهو متأثراً بالمنحدرات شديدة الانحدار التي تتجاوز (100Vns) دون بذل الكثير من الجهد في أشباه موصلات الطاقة (WBG) المعاصرة.

• التأثيرات الاستقرائية من خلال أجهزة الاستشعار التي يتم إدخالها في خلية تبديل (DUT)، بحيث تتأثر بمنحدرات “ديدت” شديدة الانحدار في نطاق عدة عشرات أو حتى مئات (Ans).

كما وتستهل الإرشادات العامة لتحديد ومعايرة وتوصيل مجسات الجهد بدائرة (DPT) مقدمة، بحيث تصف خصائص المسبار، مثل عرض النطاق الترددي ووقت الصعود والسعة الطفيلية ومحاثة الموصل وتقدم اقتراحات لمطابقة المسبار مع دائرة (DUT) المقصودة، بحيث تم تحليل التأثيرات الطفيلية لتحقيقات الجهد على تبديل أشكال الموجة بشكل أكثر دقة.

ملخص التحقيقات في تأثيرات أجهزة الاستشعار الخاصة بالجهد

تم التحقيق في تأثيرات أجهزة الاستشعار الحالية على (WBG DPTs)، وذلك للحصول على قياس مثالي، بحيث يجب تجنب أي تأثير على (DUT) مهما كان صغيراً، ومع وجود مجسات حقيقية على أي حال؛ فإن مثل هذا القياس المثالي غير ممكن لأن كل مسبار يحتاج إلى نوع من الاقتران بـ (DUT)، سواء كان ذلك من خلال الإدراج المباشر أو الاقتران الاستقرائي أو السعوي، لذلك قام هذا التحقيق بفحص التأثيرات الطفيلية لأجهزة الاستشعار الحالية بشكل أكثر دقة وكشف عن تأثير مزدوج على التيارات العابرة السريعة:

• الحث الطفيلي المضاف من خلال إدخال المستشعر يقلل من منحدر التيار (DUT) مباشرة بعد التشغيل ويزيد من وقت الارتفاع الحالي لأشباه الموصلات.

• يفرض تحويل التيار المتدفق عبر (DUT) إلى جهد خرج عند ملامسات المستشعر تأثير مرشح تمرير منخفض على شكل الموجة الحالية، مما يقلل من مكونات التردد الكهربائي العالي لإشارة القياس.

كذلك تم توضيح أن هذه التأثيرات تشكل سلسلة من الأخطاء، مما يؤدي إلى تكديس مساهماتهم الفردية بحيث يمكن أن يكون الخطأ الإجمالي للقياس الحالي كبيراً جداً اعتماداً على مزيج (DUT) والمستشعر، أيضاً يمكن إجراء تحليل مماثل لتحقيقات الجهد في الإعداد المثالي، بحيث يجب ألا يكون لقياسات الجهد أي تأثير على (DUT).

ومرة أخرى، لا تستطيع مجسات الجهد الحقيقي تلبية هذا المطلب المثالي، بحيث تختلف عن أجهزة الاستشعار الحالية، ومع ذلك؛ فإن إدخالها في دائرة (DPT) لا يغير المسار الحالي، ولكنه يزيد من السعة (الطفيلية) بالتوازي مع قناة (DUT)، كما ويرد في الجدول التالي نظرة عامة على القواسم المشتركة والاختلافات بين تطبيق مجسات التيار والجهد في (DPT)، بحيث يتم تحليل تأثيرات مجسات الجهد على قياس الفولتية العابرة بالتفصيل.

تأثير مجسات الجهد الكهربائي على قياسات الجهد العابر

عندما يتم إيقاف تشغيل أشباه موصلات الطاقة؛ فإن الجهد عبر جهات اتصال القناة الخاصة به سيرتفع من جهد الحالة  والذي يكون قريباً من (0) فولت، وحتى جهد التيار المستمر المطبق ولفترة عابرة؛ فإنه يتجاوزه أيضاً بسبب الدوران الاستقرائي من الجهد الزائد بالنسبة للتطبيقات العملية، بحيث تهيمن على معدل ارتفاع الجهد هذا عوامل “داخلية” لـ (DUT) مثل وقت انتقال القناة والسعة الطفيلية.

كذلك يمكن أيضاً أن تتأثر من خلال عوامل “خارجية”، مثل تخطيط حلقة التبديل وسلوك شريك التبديل وشبكة البوابة، ونظراً لأن هذا العمل يهدف إلى تقدير الحالة الأسوأ لتأثير مستشعرات الجهد على قياس عابرات الجهد السريع؛ فإن قنوات (DUT) المثالية (RDS ، on = 0Ω) مع أوقات انتقال سريعة بلا حدود بالإضافة إلى حلقات تبديل مصممة جيداً وشركاء تبديل من المفترض، ومع هذه الافتراضات؛ فإن ارتفاع الجهد عبر (DUT) يعتمد فقط على سعات (DUT).

تشويه إشارة خرج مستشعر الجهد الكهربائي

تتكون معظم مجسات الجهد المستخدمة في قياسات (DPT) من نوع من شبكة (RC) لتقسيم الجهد المطبق على أطراف المسبار، بحيث ينتج عن هذا أجهزة استشعار الجهد ذات خصائص تمرير منخفضة، وبسبب هذا السلوك؛ فإنه يمكن حساب خطأ مرشح التمرير المنخفض بنفس الطرق التقليدية، وكذلك من خلال استبدال وظائف التيار الكهربائي الأصلي والمصفى بوظائف الجهد المعنية.

أيضاً يتم إجراء حساب خطأ المرشح عن طريق تحويل إشارة الجهد عند أطراف المسبار (7) إلى مجال لابلاس وضرب النتيجة مع وصف مرشح مناسب وعن طريق تحويل وصف مجال لابلاس المرشح إلى المجال الزمني. تظهر عملية الحساب هذه في الشكل التالي (2).

وبينما يمكن قياس سلوك التحويل لمعظم أشباه موصلات الطاقة التقليدية (Si) بشكل موثوق باستخدام معظم أجهزة الاستشعار؛ تتطلب أجهزة (WBG) السريعة أكثر أجهزة الاستشعار المتوفرة حالياً لتقليل تأثيرها على القياس، حيث إن الجمع بين السعة المنخفضة للأجهزة الطفيلية وأوقات التبديل القصيرة مفيد بالطبع لتصميم النظام لأنه يتيح تقليل الخسارة أو ترددات تحويل أعلى.

ومع ذلك؛ فإن هذه الخصائص تطرح أيضاً تحديات قياس صعبة لتوصيف دقيق للجهاز في بيئة (DPT)، حيث تقترب سعات الأجهزة الطفيلية من نفس الترتيب من حيث الحجم مثل سعات إدخال المسبار الشائعة، وفي الوقت نفسه؛ تصبح أوقات التبديل الخاصة بهم قصيرة جدًا لدرجة أن بعض المجسات تبدأ في إظهار تأثيرات تشويه بسبب عدم كفاية عرض النطاق الترددي.

وأخيراً بحثت هذه الدراسة في تأثيرات مجسات الجهد الكهربائي على سلوك التبديل لأشباه موصلات الطاقة في إعداد (DPT) والنماذج الرياضية المقترحة لتقدير الأخطاء التي تفرضها هذه التأثيرات على دائرة (DUT) عند مقارنتها بتطبيق حيث لا تكون مجسات الجهد هذه متصلة بالمجال، ثم تم تطبيق حسابات الخطأ هذه على مجسات الجهد النموذجي المتاحة وتمت مناقشة النتائج.