The Role of V{DS(on)} as a TSEP: A Comparative Study of Electronic Circuit Architectures

Evaluation of Thermo-Sensitive Electrical Parameters Based on the Forward Voltage for On-line Chip Temperature Measurements of semiconductor.Negli ultimi anni, il rapido progresso tecnologico, unitamente alla necessità di concentrare elevate quantità di energia in spazi sempre più ridotti — e dunque in dispositivi ad alta densità di potenza — ha reso la gestione termica e la conseguente dissipazione del calore nei sistemi elettronici un aspetto critico. In particolare, la temperatura di giunzione dei semiconduttori in carburo di silicio (SiC) è divenuta un parametro fondamentale per una corretta progettazione, garantendo sia la sicurezza sia l’affidabilità operativa nel lungo termine nelle applicazioni di potenza. I metodi di monitoraggio convenzionali, come i sistemi a infrarossi, forniscono una stima accurata della temperatura del case del MOSFET, ma risultano inadeguati nel consentire il monitoraggio in tempo reale della temperatura effettiva delle singole giunzioni interne. Tale limitazione è rilevante, poiché la reale temperatura di giunzione rappresenta il vero indicatore dello stato termico del dispositivo e, di conseguenza, della sua affidabilità. Lo studio proposto in questa tesi si concentra sulla realizzazione e sul confronto di circuiti dedicati al monitoraggio online, basati su Parametri Elettrici Sensibili alla Temperatura (TSEP); più nello specifico, viene analizzato l’impiego della tensione in conduzione V D S ( o n ) del dispositivo sotto test (DUT). Il principio alla base risiede nella possibilità di utilizzare V D S ( o n ) , parametro intrinsecamente sensibile alle variazioni termiche, per monitorare la temperatura di giunzione del DUT attraverso la sua parametrizzazione rispetto alla temperatura. È importante sottolineare che, sebbene tale approccio derivi da un fenomeno termico, il presente lavoro si focalizza esclusivamente sulla fase iniziale: un confronto dettagliato tra diverse configurazioni circuitali per il monitoraggio online di V D S ( o n ) . L’obiettivo è valutare e confrontare varie configurazioni circuitali, sia nel caso ideale (mediante l’utilizzo di componenti generici disponibili in LTSpice), sia nel caso realistico (attraverso l’impiego di modelli di componenti basati sugli schemi originali), al fine di evidenziare vantaggi e svantaggi di ciascuna configurazione. In particolare, il confronto mira a individuare il miglior compromesso tra precisione di misura, stabilità della forma d’onda di tensione, larghezza di banda e prestazioni dinamiche. Per l’analisi sperimentale, il DUT è modellato in LTSpice come un generatore di tensione a onda quadra, in grado di emulare fedelmente il comportamento di commutazione di un NMOSFET. Attraverso simulazioni approfondite in LTSpice e successive analisi comparative tra le implementazioni ideali e reali, questa tesi si propone di individuare un equilibrio ottimale tra accuratezza del monitoraggio e prestazioni dinamiche, definendo così criteri tecnici utili a guidare l’adozione pratica di tali circuiti in ambienti operativi reali.