تم تطوير الجيل الثالث من أشباه الموصلات، المتمثل في نيتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC)، بسرعة بسبب خصائصها الممتازة. ومع ذلك، فإن كيفية قياس معلمات وخصائص هذه الأجهزة بدقة من أجل الاستفادة من إمكاناتها وتحسين كفاءتها وموثوقيتها، تتطلب معدات قياس عالية الدقة وأساليب احترافية.
أصبح الجيل الجديد من مواد فجوة النطاق الواسعة (WBG) التي يمثلها كربيد السيليكون (SiC) ونيتريد الغاليوم (GaN) مستخدمًا على نطاق واسع. ومن الناحية الكهربائية، تعتبر هذه المواد أقرب إلى العوازل من السيليكون وغيره من المواد شبه الموصلة النموذجية. تم تصميم هذه المواد للتغلب على قيود السيليكون لأنها مادة ذات فجوة نطاق ضيقة وبالتالي تسبب تسربًا سيئًا للتوصيل الكهربائي، والذي يصبح أكثر وضوحًا مع زيادة درجة الحرارة أو الجهد أو التردد. الحد المنطقي لهذا التسرب هو الموصلية غير المنضبطة، أي ما يعادل فشل تشغيل أشباه الموصلات.
من بين هاتين المادتين ذات فجوة النطاق الواسع، يعتبر GaN مناسبًا بشكل أساسي لمخططات تنفيذ الطاقة المنخفضة والمتوسطة، حوالي 1 كيلو فولت وأقل من 100 أمبير. أحد مجالات النمو المهمة لـ GaN هو استخدامه في إضاءة LED، ولكنه ينمو أيضًا في الاستخدامات الأخرى منخفضة الطاقة مثل اتصالات السيارات والترددات اللاسلكية. في المقابل، فإن التقنيات المحيطة بـ SiC تم تطويرها بشكل أفضل من GaN وهي أكثر ملاءمة لتطبيقات الطاقة الأعلى مثل محولات جر المركبات الكهربائية، ونقل الطاقة، ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء الكبيرة، والأنظمة الصناعية.
أجهزة SiC قادرة على العمل بجهد أعلى، وترددات تحويل أعلى، ودرجات حرارة أعلى من Si MOSFETs. في ظل هذه الظروف، يتمتع SiC بأداء وكفاءة وكثافة طاقة وموثوقية أعلى. وتساعد هذه المزايا المصممين على تقليل حجم ووزن وتكلفة محولات الطاقة لجعلها أكثر قدرة على المنافسة، خاصة في قطاعات السوق المربحة مثل الطيران والمركبات العسكرية والكهربائية.
تلعب دوائر SiC MOSFET دورًا حاسمًا في تطوير أجهزة تحويل الطاقة من الجيل التالي نظرًا لقدرتها على تحقيق كفاءة أكبر في استخدام الطاقة في التصميمات القائمة على مكونات أصغر. يتطلب هذا التحول أيضًا من المهندسين إعادة النظر في بعض تقنيات التصميم والاختبار المستخدمة تقليديًا لإنشاء إلكترونيات الطاقة.
الطلب على الاختبارات الصارمة آخذ في الازدياد
لتحقيق إمكانات أجهزة SiC وGan بشكل كامل، يلزم إجراء قياسات دقيقة أثناء عملية التبديل لتحسين الكفاءة والموثوقية. يجب أن تأخذ إجراءات اختبار أجهزة أشباه الموصلات SiC و GaN في الاعتبار ترددات التشغيل والفولتية الأعلى لهذه الأجهزة.
إن تطوير أدوات الاختبار والقياس، مثل مولدات الوظائف العشوائية (AFGs)، وأجهزة قياس الذبذبات، وأدوات وحدة قياس المصدر (SMU)، ومحللات المعلمات، يساعد مهندسي تصميم الطاقة على تحقيق نتائج أكثر قوة بسرعة أكبر. وتساعدهم هذه الترقية في المعدات على مواجهة التحديات اليومية. قال جوناثان تاكر، رئيس قسم تسويق إمدادات الطاقة في Teck/Gishili: "يظل تقليل خسائر التحويل يمثل تحديًا كبيرًا لمهندسي معدات الطاقة". يجب قياس هذه التصاميم بدقة لضمان الاتساق. يُطلق على إحدى تقنيات القياس الرئيسية اختبار النبض المزدوج (DPT)، وهو الطريقة القياسية لقياس معلمات التبديل الخاصة بأجهزة MOSFET أو أجهزة الطاقة IGBT.
يتضمن الإعداد لإجراء اختبار النبض المزدوج لأشباه الموصلات SiC ما يلي: مولد وظيفة لتشغيل شبكة MOSFET؛ راسم الذبذبات وبرنامج التحليل لقياس VDS وID. بالإضافة إلى اختبار النبض المزدوج، أي بالإضافة إلى اختبار مستوى الدائرة، هناك اختبار مستوى المواد واختبار مستوى المكونات واختبار مستوى النظام. لقد مكنت الابتكارات في أدوات الاختبار مهندسي التصميم في جميع مراحل دورة الحياة من العمل على أجهزة تحويل الطاقة التي يمكنها تلبية متطلبات التصميم الصارمة وفعالة من حيث التكلفة.
إن الاستعداد لاعتماد المعدات استجابة للتغيرات التنظيمية والاحتياجات التكنولوجية الجديدة لمعدات المستخدم النهائي، من توليد الطاقة إلى السيارات الكهربائية، يسمح للشركات العاملة في مجال إلكترونيات الطاقة بالتركيز على الابتكار ذي القيمة المضافة ووضع الأساس للنمو المستقبلي.
وقت النشر: 27 مارس 2023