Die dritte Generation von Halbleitern, vertreten durch Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), wurde aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften schnell entwickelt. Um jedoch die Parameter und Eigenschaften dieser Geräte genau zu messen, um ihr Potenzial auszuschöpfen und ihre Effizienz und Zuverlässigkeit zu optimieren, sind hochpräzise Messgeräte und professionelle Methoden erforderlich.
Die neue Generation von Wide-Band-Gap-Materialien (WBG), bestehend aus Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), wird immer häufiger eingesetzt. Elektrisch gesehen ähneln diese Stoffe eher Isolatoren als Silizium und andere typische Halbleitermaterialien. Diese Substanzen sollen die Einschränkungen von Silizium überwinden, da es sich um ein Material mit schmaler Bandlücke handelt und daher zu einem geringen Verlust elektrischer Leitfähigkeit führt, der sich mit steigender Temperatur, Spannung oder Frequenz verstärkt. Die logische Grenze für diese Leckage ist die unkontrollierte Leitfähigkeit, was einem Ausfall des Halbleiters gleichkommt.
Von diesen beiden Materialien mit großer Bandlücke eignet sich GaN hauptsächlich für Implementierungsschemata mit niedriger und mittlerer Leistung, etwa 1 kV und unter 100 A. Ein bedeutender Wachstumsbereich für GaN ist seine Verwendung in der LED-Beleuchtung, aber auch in anderen Anwendungen mit geringer Leistung wächst es wie Automobil- und HF-Kommunikation. Im Gegensatz dazu sind die Technologien rund um SiC besser entwickelt als GaN und eignen sich besser für Anwendungen mit höherer Leistung wie Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge, Stromübertragung, große HVAC-Geräte und Industriesysteme.
SiC-Geräte können bei höheren Spannungen, höheren Schaltfrequenzen und höheren Temperaturen betrieben werden als Si-MOSFETs. Unter diesen Bedingungen weist SiC eine höhere Leistung, Effizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit auf. Diese Vorteile helfen Entwicklern, die Größe, das Gewicht und die Kosten von Stromrichtern zu reduzieren, um sie wettbewerbsfähiger zu machen, insbesondere in lukrativen Marktsegmenten wie der Luftfahrt, dem Militär und Elektrofahrzeugen.
SiC-MOSFETs spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Leistungsumwandlungsgeräten der nächsten Generation, da sie bei Designs, die auf kleineren Komponenten basieren, eine höhere Energieeffizienz erzielen können. Der Wandel erfordert auch, dass Ingenieure einige der Design- und Testtechniken überdenken, die traditionell zur Herstellung von Leistungselektronik verwendet werden.
Die Nachfrage nach strengen Tests wächst
Um das Potenzial von SiC- und GaN-Geräten voll auszuschöpfen, sind präzise Messungen während des Schaltvorgangs erforderlich, um Effizienz und Zuverlässigkeit zu optimieren. Testverfahren für SiC- und GaN-Halbleitergeräte müssen die höheren Betriebsfrequenzen und Spannungen dieser Geräte berücksichtigen.
Die Entwicklung von Test- und Messwerkzeugen wie Arbitrary Function Generators (AFGs), Oszilloskopen, Source Measurement Unit (SMU)-Instrumenten und Parameteranalysatoren hilft Energiedesigningenieuren dabei, schneller aussagekräftigere Ergebnisse zu erzielen. Diese Modernisierung der Ausrüstung hilft ihnen, die täglichen Herausforderungen zu meistern. „Die Minimierung von Schaltverlusten bleibt eine große Herausforderung für Ingenieure von Energieanlagen“, sagte Jonathan Tucker, Leiter des Stromversorgungsmarketings bei Teck/Gishili. Diese Designs müssen streng gemessen werden, um Konsistenz zu gewährleisten. Eine der wichtigsten Messtechniken ist der Doppelimpulstest (DPT), die Standardmethode zur Messung der Schaltparameter von MOSFETs oder IGBT-Leistungsgeräten.
Der Aufbau zur Durchführung eines SiC-Halbleiter-Doppelimpulstests umfasst: Funktionsgenerator zur Ansteuerung des MOSFET-Gitters; Oszilloskop- und Analysesoftware zur Messung von VDS und ID. Neben der Doppelimpulsprüfung, also zusätzlich zur Prüfung auf Schaltungsebene, gibt es Prüfungen auf Materialebene, Prüfungen auf Komponentenebene und Prüfungen auf Systemebene. Innovationen bei Testwerkzeugen haben es Entwicklungsingenieuren in allen Phasen des Lebenszyklus ermöglicht, an Leistungsumwandlungsgeräten zu arbeiten, die strenge Designanforderungen kosteneffizient erfüllen können.
Die Vorbereitung auf die Zertifizierung von Geräten als Reaktion auf regulatorische Änderungen und neue technologische Anforderungen für Endverbrauchergeräte, von der Stromerzeugung bis hin zu Elektrofahrzeugen, ermöglicht es Unternehmen, die im Bereich Leistungselektronik tätig sind, sich auf wertschöpfende Innovationen zu konzentrieren und den Grundstein für zukünftiges Wachstum zu legen.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 27. März 2023