Produire et mesurer des courants forts

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Inst r u m e n t a tio n é l e c t r o ni q u e
Produire et mesurer
des courants forts
H
Les sourcemètres constituent une solution intégrée pour le test d’une grande diversité de composants électroniques. Pour
les applications qui nécessitent la génération et la mesure simultanées de courants de fortes valeurs, ces instruments offrent
une alternative à l’utilisation de générateurs et d’instruments de mesures indépendants. Keithley Instruments explique les
règles et les méthodes à suivre pour optimiser la mise en œuvre de sourcemètres dans des systèmes de test de puissance.
L
es tests de puissance, tels que la
caractérisation des cellules solaires,
les composants contrôle de puissance, les Leds de forte brillance et
les transistors de puissance RF nécessitent
souvent des courants forts qui dépassent parfois les 40 A ou même plus pour les composants MOSFET de puissance et les IGBT, qui
peuvent demander des intensités supérieures
à 100 A. Cependant, le courant DC maximal
qu’une simple alimentation peut fournir est
généralement limité. Cette limite dépend
typiquement de la conception de l’alimentation, de sa plage de fonctionnement sécurisée, des composants discrets utilisés dans
l’instrument, de l’espacement des pistes de
conducteurs sur la carte interne de circuits
imprimés, etc. Si vous êtes obligés d’augmenter l’intensité produite et si vous utilisez
un sourcemètre (unité
de génération et de
L’essentiel
mesure), vous pouvez
faire appel à plusieurs
P Certains tests exigent
modes de test et à des
la génération de courant
voies multiples.
de niveau élevé.
Bien que les généraP Pour atteindre les niveaux
teurs d’intensité DC ne
requis, il est possible
permettent pas généde combiner plusieurs
ralement un fonctionsourcemètres.
nement pulsé de leur
P Cette configuration
sortie, vous pouvez
exige le respect
réaliser les circuits à
de quelques règles.
impulsions vousP Keithley Instruments détaille
même. En effet, les
les précautions
­générateurs d’impulà prendre pour réaliser
sions sont souvent
des tests dans les meilleures
conditions.
­essentiels pour tester
les composants de
46
balayages par impulsions peuvent ne pas être
parfaitement en corrélation avec les balayages
DC du fait de grandes variations de courant
qui prennent source avec les fronts raides des
impulsions de tension. Ces variations peuvent être la cause de changements des propriétés électriques du composant. Cependant,
avec certains type de composants à tester tels
que les capacités, les balayages pulsés peuvent
ne pas correspondre convenablement avec
les balayages DC en raison de déplacements
de courants importants qui peuvent être produits par des fronts raides et qui peuvent
changer les propriétés électriques de ces
composants. Par ailleurs, le test I-V est essentiel pour d’autres types de composants, tels
que les amplificateurs de puissance RF et
même pour les composants de faible puissance à l’échelon nanométrique, pour obtenir les meilleurs résultats. Au cours des tests
de puissance continus (CW), le matériau du
semi-conducteur lui-même va dissiper la
puissance appliquée sous forme de chaleur.
Au fur et à mesure que le matériau s’échauffe,
la conductance en courant décroît car les
porteurs rencontrent davantage de collisions
avec la structure vibrante (dispersion photonique). En conséquence, le courant mesuré
sera inférieur à sa valeur réelle en raison des
effets d’autoéchauffement. Etant donné que
ces types de composants sont généralement
utilisés en mode pulsé (c’est-à-dire de
­manière cyclique par opposition au mode
continu), les courants mesurés ne refléteront
pas les performances réelles de ces composants. Dans ces conditions, il faut utiliser le
test pulsé. Il convient de prendre deux facteurs en considération lorsqu’on veut passer
d’un type de balayage à l’autre (DC à pulsé).
L’impulsion doit être suffisamment large
pour permettre un temps de récupération
suffisamment long pour les transitoires émis
par le composant, le câblage et autres circuits
d’interfaçage, de façon à ce que le système
soit redevenu stable et capable de fournir des
mesures reproductibles. Cependant, l’impulsion ne doit pas être trop large au point de
dépasser la largeur maximale acceptée par les
instruments de test et les limites du cycle, car
les limites permises par les instruments
pourraient être dépassées. Les impulsions
trop larges peuvent aussi recréer les mêmes
problèmes d’autoéchauffement qui
­apparaissent en balayage DC.
Utilisation de plusieurs voies
La méthode la plus utilisée, qui consiste à
combiner les voies de sourcemètres pour
atteindre des intensités DC plus élevées, est
de connecter les générateurs de courant en
parallèle à travers l’unité sous test comme
indiqué sur la figure 1.
Ce principe repose sur les lois de Kirchhoff.
Quand deux sources de courant sont
connectées en parallèle sur un même nœud,
leur courant respectif s’ajoute. On mesure à
la fois le courant et la tension sur les sourcemètres.Toutes les bornes d’impédance basse
LO (Source et Mesure) des deux sourcemètres sont reliées à la masse (terre).
Il faut d’abord paramétrer les courants de
sortie pour les deux sourcemètres avec la
même polarité pour obtenir la sortie maximale. Si possible, l’un des deux sourcemètres
doit être placé dans une configuration en
générateur fixe tandis que l’autre effectue le
balayage. Ce fonctionnement est préférable
à celui dans lequel les deux sourcemètres
effectuent cette même fonction en même
temps. En effet, si les deux sourcemètres ➜
Figure 1 - Addition des courants
Les sourcemètres combinent des fonctions de génération et de mesure de courant et de tension. Certains éléments à tester exigent
des niveaux de courant dépassant la capacité d’un seul instrument. L’emploi de plusieurs sourcemètres est possible à condition
de respecter certains principes de mise en œuvre pour ne pas fausser les mesures.
puissance tels que les ­composants MOSFET
ou IGBT, car les courants DC pourraient
fausser les valeurs de résistance de l’unité
sous test en raison de l’échauffement dû à
l’effet Joule. Bien que ce type de générateurs
haute puissance soit ­actuellement disponible
sur le marché, ils ne comportent pas de
fonctionnalités de mesure intégrées. En
conséquence, ils nécessitent la synchronisation d’un ampèremètre extérieur avec les
impulsions de test.
Vous pouvez remplacer un balayage par
­impulsions par un balayage DC pour les
fortes puissances I-V avec un faible impact
sur les résultats. Cependant, avec certains
composants à tester comme les capacités, les
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Source - Haut
Mesure - Haut
Source - Haut
Mesure - Haut
SMUB
SMUA
Mesure - Bas
Source - Bas
Mesure - Bas
Source - Bas
DUT
Pour atteindre des intensités DC plus élevées, les sourcemètres (SMU) peuvent être connectés en parallèle à l’unité sous test
(DUT). Leur courant respectif s’ajoute (IDUT = ISMUA + ISMUB) alors que la tension aux bornes de l’unité sous test reste la même
que celle que l’on retrouve aux bornes des deux sourcemètres (VDUT = VSMUA = VSMUB).
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Combinaison de quatre sourcemètres
0,5
40
35
0,4
Courant mesuré (A)
Tension (V)
30
0,3
0,2
25
20
15
10
0,1
5
0,0
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0,0
0,2
Temps (µs)
48
0,8
1,0
1,2
1,4
Un balayage par impulsion avec un et quatre sourcemètres et la courbe en I-V a été relevée
en utilisant une diode PN comme unité sous test. On peut noter la corrélation
avec un sourcemètre des balayages DC jusqu’à 3 A (en rouge) et jusqu’à 10 A en balayage
impulsionnel (en vert). Ensuite, les ingénieurs ont étendu la courbe I-V dans la limite
des possibilités des sourcemètres jusqu’à 40 A. L’expérience valide la possibilité de regrouper
quatre voies de sourcemètre en mode de balayage impulsionnel pour atteindre 40 A (en bleu)
sur des composants bipolaires tels que des résistances et des diodes. Avec certaines
modifications, cette technique peut également être appliquée pour tester des composants
comportant trois pôles comme par exemple, des MOSFET de puissance.
rendre fixe l’un des sourcemètres tandis que
l’autre effectue le balayage se traduit habituellement par des mesures plus stables avec
un temps de stabilisation plus rapide, d’où
un meilleur rendement du test.
Les nouvelles architectures des sourcemètres
simplifient le regroupement pour augmenter la puissance et le balayage en impulsions,
en mettant plusieurs voies de sourcemètres
en parallèle. Par exemple, certains sourcemètres à double voie permettent de porter
le nombre de voies de deux à quatre.
L’utilisation en tandem du balayage en
­impulsions et des fonctionnalités multivoies
Protégez l’opérateur
De nombreux systèmes de test opèrent
à des niveaux de tension et de puissance
qui peuvent être dangereux pour l’opérateur
en cas de panne d’instruments, d’erreur
de programmation ou de mauvaise
manipulation. Certaines précautions doivent
être prises pour le protéger :
 Vérifier soigneusement le paramétrage
du test avant toute mise en service ;
 Concevoir une interface de test empêchant
le contact de l’opérateur avec tout circuit
dangereux ;
 Assurez-vous que l’unité sous test
est convenablement intégrée dans une enceinte
pour protéger l’opérateur de toutes projections
de débris ;
0,6
Tension appliquée (v)
Un sourcemètre et quatre sourcemètres (SMU) ont été respectivement employés pour produire des
impulsions de 10 A et 40 A. Les résultats ont été observés avec un oscilloscope. Une résistance de
haute précision de forte puissance (0,01 W, ± 0,25 %, KRL R-3274) a été utilisée comme unité sous
test avec une largeur d’impulsion de 300 microsecondes. Dans le 1er cas (courbe bleue), l’oscilloscope
a révélé un signal presque carré de 0,1 V (10 A x 0,01O hm) en amplitude et 300 microsecondes
de largeur. L’utilisation de quatre sourcemètres en parallèle, pour produire une impulsion de 40 A
à travers la même unité sous test (courbe verte), s’est traduit par un signal de 0,4 V d’amplitude
avec une excellente synchronisation (très faible Jitter) entre les différentes voies. La cohérence
de l’impulsion a été vérifiée avec le même paramétrage et le même signal que l’impulsion.
➜ réalisent le balayage simultanément, leur
impédance de sortie varie naturellement, par
exemple, au fur et à mesure que le mesureur
change d’échelle automatiquement vers le
haut et le bas. L’impédance de sortie de
l’unité sous test peut aussi varier de façon
significative et passer de l’état « off » pour les
résistances élevées à l’état « on » pour les
faibles résistances. Avec autant de facteurs de
variations de l’impédance dans les circuits,
cela pourrait augmenter le temps de stabilisation global à chaque point de polarisation.
Bien que ce phénomène soit transitoire,
donc sujet à un amortissement, le fait de
0,4
 Doublez le niveau d’isolation des connexions
électriques que l’opérateur pourrait toucher.
Cette précaution permet de s’assurer qu’il reste
protégé même en cas de défaillance
de l’un des isolements ;
 Utilisez des commutateurs d’interverrouillage
de haute fiabilité pour déconnecter les sources
de puissance lorsque le couvercle de protection
de l’interface de test est ouvert ;
 Chaque fois que possible, utilisez
des manipulateurs automatisés de façon à éviter
l’accès à l’opérateur à l’intérieur de l’enceinte
du test ;
 Informez tous les utilisateurs du système
de test des dangers potentiels et des moyens
d’éviter toute blessure.
fournit des courants beaucoup plus élevés
qu’avec un seul sourcemètre avec des
­balayages DC. Bien évidemment, la mise en
œuvre de cette méthode exige de prendre
d’énormes précautions en vue d’assurer la
sécurité de l’opérateur. Pour plus de sûreté,
il est particulièrement recommandé d’isoler
ou d’installer des protections pour empêcher
tout contact de l’utilisateur avec les circuits
actifs. D’autres techniques doivent être mises
en œuvre pour prévenir tout endommagement de l’unité sous test. Les impulsions
doivent être très étroitement synchronisées
(au niveau de la nanoseconde) de façon à ce
qu’un élément de l’équipement n’applique
pas toute la puissance, ce qui mettrait en
danger les autres unités qui ne sont pas
­encore actives.
Certains facteurs de mise en oeuvre sont
­cependant critiques pour obtenir une précision maximale avec la méthode de balayage
pulsé avec plusieurs sourcemètres :
• Utiliser la relecture de la source : un sourcemètre est doté de deux fonctions intégrées : générateur (source) et mesureur dans
le même instrument afin de relire la valeur
réelle de la tension appliquée avec ses propres
circuits de mesure. La valeur programmée
de la source de tension peut ne pas être la
même que celle de la tension appliquée sur
l’unité sous test. Avec plusieurs sourcemètres
employés en parallèle, les offsets de la source
peuvent s’ajouter de façon à devenir tout à
fait significatifs. Ainsi, l’utilisation de la
­relecture de la source donne une image plus
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claire du niveau de la tension qui a été
­réellement prise en compte et non pas celle
qui a été programmée.
• Réaliser des mesures avec 4 fils : les ­mesures
4 fils (Kelvin) sont nécessaires lorsque l’on
effectue des mesures d’intensités élevées, car
cette technique évite la chute de tension
dans les câbles de connexion à l’unité sous
test. Avec un très faible courant parcourant
les fils, la tension vue par les bornes de
­mesure de l’unité sous test est virtuellement
la même que celle développée à travers la
résistance inconnue. Pour des intensités
­avoisinant les 40 A, même une très faible
­résistance de l’ordre de 10 milliOhms des
câbles, peut engendrer une chute de tension
de 0,4 V. Par conséquent, si le sourcemètre
produit une chute de tension de 1 V à 40 A
et si la résistance des fils est de 10 milliOhms,
avec 2 fils de test, l’unité sous test ne peut
recevoir qu’une tension de 0,2 V avec 0,8 V
de chute de tension due au câblage.
Contrairement à la méthode de relecture de
la source qui n’affecte au premier degré que
les valeurs de celle-ci, la méthode des ­mesures
4 fils se traduit par une bien meilleure pré-
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cision, à la fois sur le courant délivré et les
valeurs mesurées, car cette méthode élimine
la chute de tension dans les câbles de circulation du courant, qui affecterait la mesure.
Facteurs à considérer
• Ne jamais appliquer plus d’une source de
tension sur chaque nœud de l’unité sous
test : il est habituel, dans de nombreuses
­séquences de tests, d’effectuer des balayages
de tension et de mesurer l’intensité du courant. Dans le cas où plusieurs sourcemètres
seraient connectés en parallèle à une seule
borne de l’unité sous test, le schéma le plus
évident serait de configurer tous les sourcemètres en mode générateur de tension et de
mesurer le courant. Cependant, trois facteurs
doivent alors être pris en compte :
– Les sourcemètres, en générateur de tension,
fonctionnement sous très faible impédance ;
– Dans ce mode, les unités sous test peuvent
présenter des impédances supérieures à celles
des sourcemètres. L’impédance des unités
sous test peut être statique ou dynamique
et donc évoluer au cours d’une séquence
de test ;
– Même si tous les sourcemètres employés
en parallèle sont programmés pour produire
la même tension, de légères différences
­peuvent apparaître d’un sourcemètre à
l’autre. Ceci signifie qu’un sourcemètre produira une tension légèrement plus faible (de
l’ordre du milliVolt) que les autres. En conséquence, lorsque trois sourcemètres sont
connectés en parallèle à la même borne
d’une unité sous test, si chaque sourcemètre
produit une tension avec des courants
proches du maximum et, si de plus, l’unité
sous test est de haute impédance, dans ces
conditions, tout le courant s’écoulera vers le
sourcemètre qui produit la tension la plus
faible, ce qui pourrait l’endommager. Par
conséquent, lorsque l’on connecte des sourcemètres en parallèle sur une seule borne
d’une unité sous test, un seul sourcemètre
doit fonctionner en générateur de tension.
La figure 2 présente les modes de connexion
possible et les configurations à privilégier.
• Atténuer les dissipations d’énergie excessives dues aux faux contacts : lorsque vous
connectez deux sourcemètres disposant de
la même capacité de sortie en parallèle ➜
49
Solutions
Figure 2 - Mode de connexion de sourcemètres en parallèle
a.
Générateur
de tension
Générateur
de tension
La configuration (a) est incorrecte
car elle peut engendrer des courants
de forte intensité qui pourraient
endommager le sourcemètre
qui fournirait une tension légèrement
inférieure à l’autre.
La configuration (b) quasi Kelvin
ne présente pas le même risque
pour l’instrument que le mode
précédent mais elle entraîne des erreurs
de mesure supplémentaires et limite
la sortie maximale du sourcemètre.
b.
Générateur
de tension
Générateur
de tension
c.
Générateur
de tension
Générateur
de courant
➜ sur un simple nœud d’un circuit, l’un des
sourcemètre doit être capable d’absorber
tout le courant fourni par l’autre sourcemètre. Ce scénario peut se produire, par
exemple, lorsque l’un des fils n’est plus en
L’approche « hybride » (c) protège
le sourcemètre et permet d’ajouter
d’autres sources de courant
pour atteindre les intensités requises
pour l’application.
contact avec l’unité sous test (ou si l’un des
fils est débranché accidentellement ou
­encore si le contact n’est pas de bonne qualité). Cela signifie qu’il existe un court instant
pendant lequel l’un des sourcemètres doit
Attention au câblage
D’une façon générale, le câblage et les connexions de test doivent être réalisés pour limiter
au maximum la résistance, la capacité et l’inductance entre l’élément sous test et le sourcemètre.
Pour limiter la résistance, utilisez un câble de faible diamètre. Le diamètre utilisé dépend du niveau
de courant transporté : par exemple, pour un courant de 40 A, un câble de 2,05 mm de diamètre
(AWG 12) sera probablement nécessaire. Pour vous aider dans le choix du câblage, reportez-vous
aux tableaux proposés par le site Internet www.powerstream.com/Wire_Size.htm.
Le niveau de résistance du câble revêt une importance critique. Choisissez des câbles affichant
une résistance de moins de 30 milliOhms par mètre, voire inférieure pour des impulsions de 10 A.
Optez pour des câbles aussi courts que possible et toujours à faible inductance (par exemple
une paire torsadée ou des câbles coaxiaux) et de faible diamètre afin de limiter la chute de tension
dans les fils. Assurez-vous que cette chute ne va pas être excessive par rapport aux spécifications
des sourcemètres. Par exemple, si vous utilisez un modèle 2602A de Keithley pour délivrer 20 V,
les câbles de test ne devraient pas engendrer une chute de tension de plus de 3 V pour obtenir
de bons résultats ou éviter tout endommagement de l’instrument.
Pour les configurations de test à 4 fils de type Kelvin, le câblage doit être aussi court que possible.
Chaque millimètre peut faire la différence. De même, la lecture de la tension doit être effectuée
avec le sourcemètre qui la produit, parce que les lectures réalisées par les instruments fonctionnant
en générateur de courant varient quelque peu, en raison du câblage, et seront différentes
des tensions réellement appliquées sur l’unité sous test. De même, il faut veiller à la qualité
des prises jacks employées. Certaines utilisent de grandes proportions de composants ferreux
pour produire la couleur rouge. Ce qui peut conduire à des niveaux de fuite élevés. La résistance
entre les prises et le boîtier doit être aussi élevée que possible et en tout état de cause,
supérieure à 1 010 Ohms.
De nombreux schémas recommandent d’intégrer une résistance entre le sourcemètre
et les composants sous test de type FET ou IGBT. Lorsque l’on transmet des impulsions de fortes
intensités à travers ces composants, ceux-ci ont tendance à osciller. L’insertion d’une résistance
a pour effet d’amortir ces oscillations, et par conséquent, de stabiliser les mesures. Du fait
que la porte du composant n’absorbe pas beaucoup de courant, la résistance ne va pas causer
de chute de tension notable.
50
absorber tout le courant de l’autre instrument. Lorsque plus de deux sourcemètres
sont connectés en parallèle sur un circuit
simple nœud, un seul sourcemètre ne peut
pas absorber tous les courants provenant des
autres instruments. Le seul qui sera contraint
à cette absorption est celui qui produit la plus
faible tension ou qui présente la plus faible
impédance et plus probablement celui qui
fonctionne en générateur de tension. Afin de
protéger ce sourcemètre, on peut utiliser une
diode 1N5820. L’utilisation d’une telle diode
est préférable à un fusible qui pourrait réagir
trop lentement pour assurer une protection
efficace, et une résistance provoquerait une
chute de tension trop importante. La diode
réagit beaucoup plus rapidement qu’un
­fusible et entraîne une chute de tension
maximale beaucoup plus faible qu’une
­résistance (typiquement autour de 1 V).
Cependant, pour plus de sécurité, lorsqu’on
utilise cette méthode, il est préférable de protéger tous les sourcemètres par une diode.
Car si l’élément sous test passe en haute impédance, les sources de courant vont essayer
d’injecter leur courant vers le sourcemètre
qui fait office de générateur de tension dont
les entrées seront alors protégées par la diode.
Cela forcerait les sourcemètres fonctionnant
en générateurs de courant à augmenter leur
tension de sortie jusqu’à atteindre leur valeur
limite et devenir eux-mêmes des générateurs
de tension. Dans cette situation, plusieurs
générateurs de tension fonctionneraient en
parallèle. Même si les valeurs limites de tension étaient paramétrées exactement à la
même valeur, leurs valeurs de sorties réelles
seraient très probablement légèrement différentes, ce qui pourrait occasionnner des
dommages réciproques.
Il est cependant important de garder à
­l’esprit que la mise en place d’une diode sur
chaque sourcemètre n’est pas sans
­conséquences. Premièrement, cette méthode
ne pourra être mise en œuvre que pour
­produire de la puissance et non pour
­l’absorber, car les diodes empêcheront tout
­courant de circuler vers le sourcemètre.
Deuxièmement, afin d’obtenir la tension de
sortie maximale, il sera nécessaire d’utiliser
des connexions 4 fils sur les générateurs de
courant autour de la diode, parce que la
chute de tension à travers celle-ci peut faire
en sorte que les générateurs de courant
­tentent d’atteindre l’équilibre prématurément. A ces niveaux de courant, la chute de
tension typique à travers une diode est
­approximativement de 1 V.
Dave Wyban, ingénieur d’application
chez Keithley Instruments
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