Điện tử công suất cao đang xuất hiện ở khắp nơi, từ bộ sạc xe điện, hệ thống truyền động, biến tần năng lượng mặt trời, đến trung tâm dữ liệu và các hệ thống truyền tải điện quy mô lớn. Thiết bị càng lớn, dòng điện càng cao, điện áp càng lớn thì hậu quả của một sai lệch nhỏ trong thiết kế càng nghiêm trọng. Hỏng hóc không dừng lại ở một linh kiện, mà có thể lan ra cả hệ thống, gây gián đoạn vận hành hoặc rủi ro an toàn.
Đo kiểm điện tử công suất cao ra đời để giải quyết đúng bài toán đó. Đây không phải là việc xác nhận mạch có chạy hay không, mà là xác định chính xác thiết bị vận hành như thế nào dưới điện áp cao, dòng lớn, tần số chuyển mạch nhanh và nhiệt độ khắc nghiệt, những điều kiện gần với thực tế sử dụng hơn nhiều so với phòng thí nghiệm.
IKAM cung cấp giải pháp đo kiểm điện tử công suất cao theo tiêu chuẩn quốc tế, hỗ trợ từ đo tham số cơ bản, đo động học chuyển mạch, đến kiểm tra linh kiện ngay trên tấm bán dẫn hoặc sau khi đóng gói hoàn chỉnh.
Thông số trong tài liệu kỹ thuật của nhà sản xuất thường được đo trong điều kiện lý tưởng, ổn định. Thiết bị khi lắp vào hệ thống thực tế lại chịu tác động đồng thời của điện áp cao, dòng tải lớn, nhiệt độ dao động và tần số chuyển mạch liên tục. Chênh lệch giữa hai điều kiện này chính là nguồn gốc của phần lớn lỗi thiết kế phát hiện muộn.
Bài toán trở nên rõ ràng hơn khi ngành công nghiệp chuyển dần từ Silicon sang các vật liệu bán dẫn dải rộng như SiC và GaN. Hai vật liệu này cho phép chuyển mạch nhanh hơn, giảm tổn hao dẫn, thu nhỏ kích thước cuộn cảm và tụ điện đi kèm, nhờ đó hệ thống nhẹ hơn và hiệu suất năng lượng cao hơn. Đổi lại, tốc độ chuyển mạch cao khiến hiện tượng tự gia nhiệt, nhiễu điện từ và trôi tham số động trở nên khó nắm bắt hơn nhiều so với linh kiện Silicon truyền thống, đòi hỏi phương pháp đo được thiết kế riêng cho những đặc điểm này.
Bước đầu tiên trong mọi quy trình đánh giá vẫn là đo tĩnh, xác định quan hệ dòng điện và điện áp ở trạng thái ổn định: điện áp ngưỡng, điện trở dẫn, dòng rò, đặc tính đánh thủng. Những thiết bị chuyên dụng cho linh kiện công suất hiện có thể đo trải dài từ mức dưới một picoampere đến hàng chục kilovôn và hàng nghìn ampere trong cùng một hệ thống, đủ để đánh giá cả linh kiện công suất thấp lẫn module công suất lớn dùng cho IGBT, MOSFET công suất hay linh kiện SiC, GaN.
Bên cạnh dòng và áp, điện dung ký sinh giữa các cực của linh kiện công suất ảnh hưởng trực tiếp đến tổn hao chuyển mạch và tốc độ đóng cắt thực tế. Không ít phòng thí nghiệm chỉ sở hữu máy dò đặc tuyến truyền thống cho phép đo dòng áp nhưng thiếu khả năng đo điện dung, khiến bức tranh đặc tính linh kiện chưa đầy đủ. Bổ sung khả năng đo điện dung vào cùng hệ thống đo tĩnh giúp lấp đúng khoảng trống này mà không cần đầu tư một thiết bị hoàn toàn mới.
Đo tĩnh chỉ phản ánh một phần hành vi của linh kiện công suất. Trong mạch chuyển đổi năng lượng thực tế, linh kiện đóng cắt liên tục ở tần số cao dưới điện áp và dòng tải lớn, sinh ra các đặc tính hoàn toàn khác so với trạng thái tĩnh: thời gian đóng mở, tổn hao chuyển mạch, điện trở dẫn động, điện tích cực cổng, hiện tượng hồi phục ngược.
Thử nghiệm xung kép hiện là phương pháp chuẩn của toàn ngành để đo các đặc tính động này trên linh kiện wide bandgap. Phương pháp áp dụng hai xung điện liên tiếp lên linh kiện dưới điều kiện tải thực, cho phép quan sát chính xác quá trình chuyển mạch mà không để nhiệt độ tự thân của linh kiện kịp tăng lên và làm sai lệch kết quả như phép đo liên tục kéo dài. Đo lặp lại nhiều lần theo phương pháp này còn giúp phát hiện độ trôi của điện trở dẫn động theo thời gian, một hiện tượng đặc trưng của linh kiện GaN mà đo tĩnh không thể quan sát được.
Đặc tính chuyển mạch của linh kiện công suất không chỉ được đánh giá qua các con số tổng hợp, mà còn cần quan sát trực tiếp hình dạng sóng dòng điện và điện áp trong từng chu kỳ đóng cắt. Oscilloscope băng thông đủ rộng kết hợp đầu dò dòng điện và điện áp giúp phát hiện các hiện tượng bất thường như dao động điện áp vọt lố, méo dạng sóng hay xung nhiễu ngắn mà phép đo tổng hợp dễ bỏ sót.
Song song đó, bộ tạo xung điện áp tốc độ cao đóng vai trò kích hoạt linh kiện theo đúng điều kiện chuyển mạch cần khảo sát, đủ nhanh và đủ lớn để mô phỏng tín hiệu điều khiển thực tế trong các mạch công suất ô tô hay công nghiệp. Kết hợp cả hai công cụ cho phép kỹ sư vừa đo định lượng, vừa quan sát trực quan hành vi chuyển mạch của linh kiện.
Một hệ thống đo điện tử công suất tốt cần phục vụ được nhiều đối tượng sử dụng khác nhau trong cùng một tổ chức: kỹ sư thiết kế mạch công suất cần dữ liệu đặc tính để chọn linh kiện, kỹ sư kiểm tra đầu vào cần sàng lọc nhanh linh kiện nhập kho, kỹ sư phân tích lỗi cần xác định nguyên nhân hỏng hóc, còn kỹ sư phát triển linh kiện bán dẫn cần dữ liệu chi tiết ngay từ giai đoạn chế tạo.
Đo trên tấm bán dẫn phát hiện sai lệch ngay khi die còn chưa đóng gói, tiết kiệm đáng kể chi phí xử lý so với chờ đến khi hoàn thiện sản phẩm. Hệ thống kiểm tra điện áp cao chuyên dụng hiện có thể thực hiện phép đo tham số lên tới ba kilovôn trong một lần chạy duy nhất, gộp chung cả dải điện áp thấp và điện áp cao vào cùng một chu trình đo thay vì phải luân phiên giữa hai bộ thiết bị riêng biệt như cách làm truyền thống, giúp tăng đáng kể năng suất kiểm tra trên dây chuyền chế tạo wafer công suất.
Ngành ô tô là nơi áp lực đo kiểm công suất cao thể hiện rõ nhất. Hệ truyền động điện, bộ sạc trên xe và biến tần đều phải vận hành ổn định trong môi trường khắc nghiệt, chịu rung động cơ khí liên tục, nhiễu điện từ và biên độ nhiệt độ rộng. Nhu cầu cắt giảm phát thải cùng sự tăng trưởng của xe điện và xe hybrid đang thúc đẩy việc chuyển sang linh kiện SiC và GaN trên diện rộng, kéo theo yêu cầu đo kiểm ngày càng khắt khe.
Thiết bị đo dành riêng cho ứng dụng ô tô hiện hỗ trợ dải đo trải dài từ mức dưới một nanoampere đến khoảng 1.500 ampere, và từ microvôn đến ba kilovôn, đủ bao phủ phần lớn linh kiện điện tử trong xe. Bên cạnh đó, thiết bị phân tích dạng sóng dòng điện chuyên dụng giúp phát hiện các dạng sóng bất thường trong quá trình vận hành thực tế của hệ thống điện xe, một khía cạnh mà phép đo tĩnh đơn thuần không thể thay thế.
Không chỉ linh kiện, chính các bộ nguồn và tải điện tử dùng để cấp điện và mô phỏng tải trong dây chuyền kiểm tra tự động cũng cần đạt công suất ngày càng lớn để theo kịp thiết bị cần thử nghiệm. Xu hướng hiện nay là các bộ nguồn tái tạo năng lượng, có khả năng thu hồi năng lượng từ tải trở lại lưới điện thay vì tiêu tán thành nhiệt, giúp tiết kiệm điện năng và giảm nhiệt lượng tỏa ra trong phòng thí nghiệm.
Các dòng sản phẩm mới trên thị trường hiện đạt công suất từ khoảng 1,5 kilowatt đến 12 kilowatt cho mỗi khối, với mật độ công suất cao, có thể lắp đặt tới 6 kilowatt trong một khối rack tiêu chuẩn, giúp tiết kiệm không gian đáng kể so với thế hệ trước trong khi vẫn đảm bảo độ chính xác và khả năng lặp lại cần thiết khi xác thực các thiết bị công suất nhiều kilowatt.
IKAM tư vấn cấu hình hệ thống đo kiểm điện tử công suất cao theo từng ứng dụng cụ thể, từ phòng thí nghiệm phát triển linh kiện bán dẫn, kiểm tra trên tấm bán dẫn, đến xác thực thiết bị công suất trong ô tô điện và dây chuyền sản xuất công nghiệp.
