IEA 4E TCP | PECTA: Analysis and Loss Measurements of WBG-based Devices

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/502100

Kurzbeschreibung (Englisch)

First products for power supply (SMPS = Switched Mode Power Supply) devices with incorporated WBG Technology can be found on the market. These products claim a very high efficiency, but are still rather expensive. Therefore, PECTA intends within a separate Task F analysing existing WBG-based devices of (higher) efficiency in comparison with conventional Si-based technology.

Switzerland supports some particular research work within this task F. This includes mainly the thorough and detailed elaboration of a professional measurement concept, loss measurements and analysing additional and particular benefits of the WBG-based devices (part 1).

On a lower level, the information on the loss mechanisms of commercially-available devices open opportunities to improve their design right at the semiconductor level. The POWERlab at EPFL has also extensive expertise on the design and fabrication of the next generation of power devices, having proposed several novel WBG semiconductor technologies for more efficient power devices. The information on the existing sources of losses in available WBG semiconductor devices will be of huge value for the design of new technologies to mitigate this effect. In close collaboration with the appropriate industry such information shall be converted into possible technologies for more efficient future devices.  

On a higher level, the use of calorimetric techniques to measure losses enable to have a much more precise determination of the efficiency of devices and systems. This is particularly important when comparing different devices and systems, since electrical measurements are subject to spurious errors due to bandwidth limitations, delay mismatches between the current and voltage probes, loading effects, and electromagnetic interference.

Finally, this basic work on the proper measurement of losses will offer guidelines to standardize measurements among different technologies, enabling a faire comparison of the results to the existing norms. The idea is to establish initial relationships with companies and standardisation bodies / Organizations to discuss any deviation observed between the results, aiming to cross the information between different methods and standards. With this initial steps the basic guidelines for a better standardization of efficiency measurements will be established, supporting a proper promotion of WBG technologies. 

Kurzbeschreibung (Französisch)

Les premiers produits pour l'alimentation électrique (SMPS = Switched Mode Power Supply) avec la technologie WBG incorporée se trouvent sur le marché. Ces produits se caractérisent par une très grande efficacité, mais restent assez chers. C'est pourquoi le PECTA a l'intention, dans le cadre d'une tâche F distincte, d'analyser les dispositifs existants basés sur la technologie WBG dont le rendement est (plus) élevé par rapport à la technologie classique basée sur le Si.

D'une part, la Suisse soutient certains travaux de recherche particuliers dans le cadre de cette tâche F. Cela comprend principalement l'élaboration approfondie et détaillée d'un concept de mesure professionnel, la mesure des pertes et l'analyse des avantages supplémentaires et particuliers des appareils basés sur le WBG (partie 1).

À un niveau inférieur, les informations sur les mécanismes de perte des dispositifs disponibles dans le commerce ouvrent des possibilités d'améliorer leur conception au niveau des semi-conducteurs. Le POWERlab de l'EPFL possède également une grande expertise dans la conception et la fabrication de la prochaine génération de dispositifs de puissance, ayant proposé plusieurs nouvelles technologies de semi-conducteurs WBG pour des dispositifs de puissance plus efficaces. Les informations sur les sources de pertes existantes dans les dispositifs à semi-conducteurs WBG disponibles seront d'une grande valeur pour la conception de nouvelles technologies visant à atténuer cet effet. En étroite collaboration avec l'industrie concernée, ces informations seront converties en technologies possibles pour de futurs dispositifs plus efficaces. 

À un niveau plus élevé, l'utilisation de techniques calorimétriques pour mesurer les pertes permet de déterminer beaucoup plus précisément l'efficacité des dispositifs et des systèmes. Ceci est particulièrement important lors de la comparaison de différents dispositifs et systèmes, car les mesures électriques sont sujettes à des erreurs parasites dues aux limitations de la largeur de bande, aux décalages de temps entre les sondes de courant et de tension, aux effets de charge et aux interférences électromagnétiques.

Enfin, ce travail de base sur la mesure correcte des pertes offrira des lignes directrices pour normaliser les mesures entre les différentes technologies, permettant une comparaison juste des résultats avec les normes existantes. L'idée est d'établir des relations initiales avec les entreprises et les organismes de normalisation / organisations pour discuter de tout écart observé entre les résultats, dans le but de croiser les informations entre les différentes méthodes et normes. Avec ces premières étapes, les lignes directrices de base pour une meilleure standardisation des mesures d'efficacité seront établies, soutenant une promotion adéquate des technologies WBG. 

URL-Adressen (Englisch)

Power Electronic Conversion Technology Annex - 4E Energy Efficient End-use Equipment (iea-4e.org)

Schlussbericht (Deutsch)

Die ersten kommerziellen Schaltnetzteile (SMPS = Switched Mode Power Supply) mit integrierter Wide-Bandgap-Technologie (WBG) sind auf dem Markt erhältlich. Die WBG-Technologie bietet ein enormes Potenzial zur Steigerung der Effizienz dieser Produkte.

Das vom Bundesamt für Energie mitinitiierte PECTA analysierte bestehende WBG-basierte Geräte im Hinblick auf den Wirkungsgrad (oder äquivalente Verluste) im Vergleich zur konventionellen Si-basierten Technologie. Diese Aktivität umfasst hauptsächlich die gründliche und detaillierte Ausarbeitung von Messkonzepten, Verlustmessungen und die Analyse zusätzlicher und besonderer Vorteile der WBG-basierten Geräte (Teil 1).

Auf einer niedrigeren Ebene eröffnen die Informationen über die Verlustmechanismen von kommerziell erhältlichen Bauelementen Möglichkeiten zur Verbesserung ihres Designs direkt auf der Halbleiterebene. Das POWERlab an der EPFL verfügt über umfassendes Fachwissen in der Entwicklung und Herstellung der nächsten Generation von Leistungsbauteilen und hat mehrere neue WBG-Halbleitertechnologien für effizientere Leistungsbauteile vorgeschlagen. Die Informationen über die bestehenden Verlustquellen in den verfügbaren WBG-Halbleiterbauelementen werden für die Entwicklung neuer Technologien zur Verringerung dieses Effekts von grossem Wert sein. In enger Zusammenarbeit mit der entsprechenden Industrie sollen diese Informationen in mögliche Technologien für effizientere zukünftige Geräte umgesetzt werden. 

Zusätzlich zu den üblichen elektrischen Messungen ermöglicht der Einsatz kalorimetrischer Verfahren zur Messung von Verlusten eine viel genauere Bestimmung der Effizienz von Geräten und Systemen. Dies ist besonders wichtig, wenn verschiedene Geräte und Systeme bei höheren Schaltfrequenzen verglichen werden, da elektrische Messungen aufgrund von Bandbreitenbeschränkungen, Laufzeitabweichungen zwischen den Strom- und Spannungssonden, Belastungseffekten und elektromagnetischen Störungen mit Fehlern behaftet sind.

Auf einer höheren Ebene wird diese grundlegende Arbeit zur korrekten Messung von Verlusten Richtlinien zur Standardisierung von Messungen zwischen verschiedenen Technologien bieten, die einen fairen Vergleich der Ergebnisse mit den bestehenden Normen ermöglichen. Die Idee besteht darin, erste Beziehungen zu Unternehmen und Normungsgremien/Organisationen aufzubauen, um etwaige Abweichungen zwischen den Ergebnissen zu diskutieren, mit dem Ziel, die Informationen zwischen verschiedenen Methoden und Normen auszutauschen. Mit diesen ersten Schritten werden die grundlegenden Richtlinien für eine bessere Standardisierung von Effizienzmessungen festgelegt, die eine angemessene Förderung von WBG-Technologien unterstützen.

Schlussbericht (Englisch)

First commercial power supplies (SMPS = Switched Mode Power Supply) with incorporated Wide-bandgap (WBG) Technology are available on the market. WBG technology offers an enormous potential to increase the efficiency of these products.

Cofounded by the Swiss Federal Office of Energy PECTA analyzed existing WBG-based devices in terms of efficiency (or equivalently losses) in comparison with conventional Si-based technology. This activity includes mainly the thorough and detailed elaboration of measurement concepts, loss measurements, and analyzing additional and particular benefits of the WBG-based devices (part 1).

On a lower level, the information on the loss mechanisms of commercially available devices opens opportunities to improve their design right at the semiconductor level. The POWERlab at EPFL has extensive expertise in the design and fabrication of the next generation of power devices, having proposed several novel WBG semiconductor technologies for more efficient power devices. The information on the existing sources of losses in available WBG semiconductor devices will be of huge value for the design of new technologies to mitigate this effect. In close collaboration with the appropriate industry, such information shall be converted into possible technologies for more efficient future devices. 

In addition to common electrical measurements, the use of calorimetric techniques to measure losses enables a much more precise determination of the efficiency of devices and systems. This is particularly important when comparing different devices and systems at higher switching frequencies, since electrical measurements are subject to spurious errors due to bandwidth limitations, delay mismatches between the current and voltage probes, loading effects, and electromagnetic interference.

On a higher level, this basic work on the proper measurement of losses will offer guidelines to standardize measurements among different technologies, enabling a fair comparison of the results to the existing norms. The idea is to establish initial relationships with companies and standardization bodies/Organizations to discuss any deviation observed between the results, aiming to cross the information between different methods and standards. With these initial steps the basic guidelines for a better standardization of efficiency measurements will be established, supporting a proper promotion of WBG technologies.

Zugehörige Dokumente

• Final report [PDF] 4'056 kB

Schlussbericht (Französisch)

Les premiers systèmes électroniques d'alimentation (SMPS = Switched Mode Power Supply) intégrant la technologie Wide-bandgap (WBG) sont disponibles sur le marché. La technologie WBG offre un énorme potentiel d'amélioration de l'efficacité de ces produits.

Cofondé par l'Office fédéral de l'énergie, PECTA a analysé les dispositifs existants basés sur la technologie WBG en termes d'efficacité (ou de pertes équivalentes) par rapport à la technologie conventionnelle basée sur le Si. Cette activité comprend principalement l'élaboration approfondie et détaillée des concepts de mesure, des mesures de pertes, et l'analyse des avantages supplémentaires et particuliers des dispositifs à base de WBG (partie 1).

A un niveau inférieur, les informations sur les mécanismes de perte des dispositifs disponibles dans le commerce ouvrent des possibilités d'amélioration de leur conception au niveau du semi-conducteur. Le POWERlab de l'EPFL possède une grande expertise dans la conception et la fabrication de la prochaine génération de dispositifs de puissance, ayant proposé plusieurs nouvelles technologies de semi-conducteurs WBG pour des dispositifs de puissance plus efficaces. Les informations sur les sources existantes de pertes dans les dispositifs à semi-conducteurs WBG disponibles seront d'une grande valeur pour la conception de nouvelles technologies visant à atténuer cet effet. En étroite collaboration avec l'industrie concernée, ces informations seront converties en technologies possibles pour des dispositifs futurs plus efficaces. 

Outre les mesures électriques courantes, l'utilisation de techniques calorimétriques pour mesurer les pertes permet une détermination beaucoup plus précise de l'efficacité des dispositifs et des systèmes. Ceci est particulièrement important pour comparer différents dispositifs et systèmes à des fréquences de commutation plus élevées, car les mesures électriques sont sujettes à des erreurs parasites dues aux limitations de la bande passante, aux décalages de retard entre les sondes de courant et de tension, aux effets de charge et aux interférences électromagnétiques.

À un niveau plus élevé, ce travail de base sur la mesure correcte des pertes offrira des lignes directrices pour normaliser les mesures entre les différentes technologies, ce qui permettra une comparaison équitable des résultats avec les normes existantes. L'idée est d'établir des relations initiales avec les entreprises et les organismes/organisations de normalisation pour discuter de tout écart observé entre les résultats, dans le but de croiser les informations entre les différentes méthodes et normes. Ces premières étapes permettront d'établir les lignes directrices de base pour une meilleure normalisation des mesures d'efficacité, ce qui favorisera une promotion adéquate des technologies des WBG.