Leistungshalbleiter charakterisieren Elektrische Parameter und thermisches Verhalten unter Realbedingungen

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Wide-Bandgap-Halbleiter wie SiC und GaN sind Grundlage für eine effiziente Leistungselektronik, doch Ausfälle in E-Mobilität und regenerativen Energiesystemen lassen sich mit Standard-Funktionstests nicht zwingend mehr verhindern. Notwendig sind Testplattformen, die elektrische Parameter und thermisches Verhalten unter Realbedingungen validieren.

Ob in Traktionsinvertern von Elektrofahrzeugen, Photovoltaik-Wechselrichtern oder industriellen Antrieben: Überall sind Bauelemente wie MOSFETs, IGBTs und vor allem Wide-Bandgap-Transistoren aus den Materialien SiC und GaN verbaut. Sie sind somit eine wichtige Grundlage für die moderne Leistungselektronik. Mithilfe dieser Bauelemente sind höhere Wirkungsgrade, geringere Energieverluste und kompaktere Bauformen möglich.

Doch der technologische Fortschritt hat seinen Preis. Die thermischen und elektrischen Auslegungsgrenzen der Komponenten rücken immer näher zusammen. Schon geringe Leistungsschwankungen oder unerkannte Materialermüdungen können zu teuren Ausfällen der Elektronik führen. Entwickler und Qualitätsbeauftragte müssen bei der Charakterisierung der Halbleiter deutlich über standardmäßige Gleichstrom-Funktionstests hinausgehen. Gefordert ist eine ganzheitliche Validierung, die sowohl das elektrische Verhalten als auch die thermische Langzeitstabilität R_th unter harten Realbedingungen abbildet.

Die elektrische Charakterisierung bei SiC und GaN

Um sicherzustellen, dass diskrete Leistungsbauelemente wie IGBTs, MOSFETs und Dioden ihre Spezifikationen einhalten, müssen Entwickler sie in zwei Richtungen auf den Prüfstand stellen:

• Statische Tests: Hier werden fundamentale Gleichstromparameter wie Durchlassspannung, Leckströme und Schwellenspannungen bewertet.

• Dynamische Tests: Sie nehmen das echte Schaltverhalten ins Visier. Dazu gehören Ein- und Ausschaltzeiten, Timing und die damit verbundenen Schaltverluste.

Gerade bei SiC- und GaN-Bauteilen, die mit sehr steilen Flanken und minimalen Schaltzeiten arbeiten, stößt klassische Messtechnik schnell an ihre Grenzen. Um hier fehlerfreie, reproduzierbare Ergebnisse zu erzielen, ist eine rauscharme Hardware-Architektur zwingend notwendig. Dazu gehören beispielsweise spezialisierte One-Box-Systeme wie dem S20 IS³ von Seica, die sowohl statische als auch dynamische Tests in einer kompakten Labor- und Produktionsumgebung vereinen.

Power Cycling und Wärmewiderstand R_th

Während die elektrische Charakterisierung das Verhalten im Betrieb zeigt, entscheidet das thermische Management über die Lebensdauer des Endprodukts. Transistoren reagieren sensibel auf thermische Zyklen und Verlustleistungen.

Ein zentraler Parameter ist der thermische Widerstand R_th, der Auskunft über das thermische Verhalten und die zu erwartende Sperrschichttemperatur gibt. Bei der Charakterisierung gilt folgendes zu beachten. Um reale Betriebsbedingungen zu simulieren, müssen Testsysteme in der Lage sein, hohe Ströme zu schalten. Das können bei modernen Systemen teils bis zu 1.200 A bei niedrigen Spannungen von 15 bis 30 V sein.

Außerdem lauert eine messtechnische Stolperfalle. Schaltet man derartig massive Lastströme hart ab, entstehen im System unweigerlich elektrische Schwingungen und Einschwingvorgänge. Diese stören die empfindlichen Messfühler massiv.

Die thermische Daten innerhalb von 80 µs erfassen

Um dennoch präzise thermische Daten, etwa über temperaturabhängige elektrische Parameter, zu erfassen, ist eine programmierbare Leistungsschalt-Hardware erforderlich, die den Laststrom kontrolliert und extrem schwingungsarm abschaltet.

Aktuelle Test-Architekturen, wie im S20 RTH, schaffen es dadurch, störende Oszillationen so weit zu unterdrücken, dass valide thermische Messungen bereits 80 µs nach der Abschaltung möglich sind. Das liefert Entwicklern den entscheidenden Einblick in das reale thermische Verhalten, lange bevor sich thermische Defekte im Feld bemerkbar machen.

Skalierbarkeit für Labor und Serienfertigung

Die moderne Leistungselektronik unterliegt strengen Validierungszyklen. Deshalb stoßen Einzelplatz-Messungen im Labor schnell an Kapazitätsgrenzen. Moderne Test-Prüfstände müssen daher skalierbar sein. Für die Praxis bedeutet das:

• Parallele Prüfkapazitäten: Je nach Bedarf sollten 2 bis 12 Devices under Test (DUTs) gleichzeitig geprüft werden können.

• Integriertes Kühlungsmanagement: Bei thermischen Leistungstests entsteht viel Abwärme. Deshalb ist ein automatisiertes Thermal-Management unerlässlich. Moderne Systeme arbeiten mit flüssigen Kühlmedien von bis zu 120 °C und Durchflussraten von bis zu 100 Litern pro Minute, um während des gesamten Testzyklus absolute thermische Stabilität zu garantieren.

Fazit ist, dass die fortschreitende Elektrifizierung und der Einsatz von Wide-Bandgap-Halbleitern ein Umdenken bei der Validierung von Bauteilen erforderlich machen. Nur wenn die Kombination aus präzisen elektrischen Parametern und schnellen thermischen Messungen im Mikrosekundenbereich beherrscht wird, lassen sich die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Leistungselektronik sicherstellen. (heh)

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* Francesco Grassino ist Leiter eines Forschungs- und Entwicklungsprojekts bei Seica in Turin.

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