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InstrumentatIon électronIque

Produire et mesurer des courants fortsHLes 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.

Les tests de puissance, tels que la caractérisation des cellules solaires, les composants contrôle de puis-sance, les Leds de forte brillance et

les transistors de puissance RF nécessitent souvent des courants forts qui dépassent par-fois les 40 A ou même plus pour les compo-sants 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’alimen-tation, de sa plage de fonctionnement sécu-risée, 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’aug-menter l’intensité produite et si vous utilisez

un sourcemètre (unité de génération et de mesure), vous pouvez faire appel à plusieurs modes de test et à des voies multiples.Bien que les généra-teurs d’intensité DC ne permettent pas géné-ralement un fonction-nement pulsé de leur sortie, vous pouvez réaliser les circuits à impulsions vous-même. En effet, les générateurs d’impul-sions sont souvent essentiels pour tester les composants de

conséquence, ils nécessitent la synchronisa-tion 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

P Certains tests exigent la génération de courant de niveau élevé.

P Pour atteindre les niveaux requis, il est possible de combiner plusieurs sourcemètres.

P Cette configurationexige le respect de quelques règles.

P Keithley Instruments détaille les précautions à prendre pour réaliser des tests dans les meilleures conditions.

L’essentiel

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 peu-vent être la cause de changements des pro-priétés 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 pro-duits par des fronts raides et qui peuvent changer les propriétés électriques de ces composants. Par ailleurs, le test i-V est essen-tiel pour d’autres types de composants, tels que les amplificateurs de puissance RF et même pour les composants de faible puis-sance à l’échelon nanométrique, pour obte-nir 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 photo-nique). 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 compo-sants. Dans ces conditions, il faut utiliser le test pulsé. il convient de prendre deux fac-teurs 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’impul-sion 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 voiesLa 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 source-mètres. Toutes les bornes d’impédance basse LO (Source et Mesure) des deux source-mètres 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 maxi-male. 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 ➜

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

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.

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).

Figure 1 - Addition des courants

SMUB

Source - Haut

Mesure - Haut

Mesure - Bas

Source - Bas

SMUA

Source - Haut

Mesure - Haut

Mesure - Bas

Source - Bas

DUT

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rendre fixe l’un des sourcemètres tandis que l’autre effectue le balayage se traduit habi-tuellement 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 augmen-ter la puissance et le balayage en impulsions, en mettant plusieurs voies de sourcemètres en parallèle. Par exemple, certains source-mètres 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

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 endommage-ment 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 préci-sion maximale avec la méthode de balayage pulsé avec plusieurs sourcemètres :

• Utiliser la relecture de la source : un sour-cemètre est doté de deux fonctions inté-grées : 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

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 stabili-sation global à chaque point de polarisation. Bien que ce phénomène soit transitoire, donc sujet à un amortissement, le fait de

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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-

cision, à la fois sur le courant délivré et les valeurs mesurées, car cette méthode élimine la chute de tension dans les câbles de circu-lation 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 cou-rant. 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 source-mètres 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 pro-duira une tension légèrement plus faible (de l’ordre du milliVolt) que les autres. En consé-quence, 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 sour-cemètres 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 exces-sives dues aux faux contacts : lorsque vous connectez deux sourcemètres disposant de la même capacité de sortie en parallèle

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

0,5

0 50 100 150 200 250 300 350 400

Ten

sio

n (V

)

Temps (µs)

Co

ura

nt

mes

uré

(A)

Tension appliquée (v)

30

35

25

20

10

15

5

0

40

0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4

Combinaison de quatre sourcemètres

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.

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.

De nombreux systèmes de test opèrent à des niveaux de tension et de puissance qui peuvent être dangereux pour l’opérateuren cas de panne d’instruments, d’erreur de programmation ou de mauvaise manipulation. Certaines précautions doivent être prises pour le protéger :P Vérifier soigneusement le paramétrage du test avant toute mise en service ;P Concevoir une interface de test empêchantle contact de l’opérateur avec tout circuit dangereux ;P Assurez-vous que l’unité sous testest convenablement intégrée dans une enceinte pour protéger l’opérateur de toutes projections de débris ;

P 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 ;P 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 ;P Chaque fois que possible, utilisezdes manipulateurs automatisés de façon à éviter l’accès à l’opérateur à l’intérieur de l’enceinte du test ;P Informez tous les utilisateurs du systèmede test des dangers potentiels et des moyens d’éviter toute blessure.

Protégez l’opérateur

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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 qua-lité). Cela signifie qu’il existe un court instant pendant lequel l’un des sourcemètres doit

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.

Attention au câblage

absorber tout le courant de l’autre instru-ment. 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 pro-téger tous les sourcemètres par une diode. Car si l’élément sous test passe en haute im-pédance, 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 ten-sion étaient paramétrées exactement à la même valeur, leurs valeurs de sorties réelles seraient très probablement légèrement dif-férentes, 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 prématuré-ment. A ces niveaux de courant, la chute de tension typique à travers une diode est approximativement de 1 V.

Dave Wyban, ingénieur d’applicationchez Keithley Instruments

Générateurde tension

Générateurde tension

Générateurde tension

Générateurde tension

Générateurde tension

Générateurde courant

a.

b.

c.

Figure 2 - Mode de connexion de sourcemètres en parallèle

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.

L’approche « hybride » (c) protège le sourcemètre et permet d’ajouter d’autres sources de courant pour atteindre les intensités requises pour l’application.

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.

sur un simple nœud d’un circuit, l’un des sourcemètre doit être capable d’absorber tout le courant fourni par l’autre source-mètre. Ce scénario peut se produire, par exemple, lorsque l’un des fils n’est plus en

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