Die dritte Generation von Halbleitern, repräsentiert durch Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften rasant weiterentwickelt. Um jedoch das volle Potenzial dieser Bauelemente auszuschöpfen und ihre Effizienz und Zuverlässigkeit zu optimieren, sind hochpräzise Messgeräte und professionelle Methoden erforderlich, um ihre Parameter und Eigenschaften genau zu messen.
Die neue Generation von Materialien mit großer Bandlücke (WBG), wie beispielsweise Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), findet zunehmend Anwendung. Elektrisch gesehen verhalten sich diese Materialien eher wie Isolatoren als Silizium und andere typische Halbleitermaterialien. Sie wurden entwickelt, um die Einschränkungen von Silizium zu überwinden, da dieses Material eine geringe Bandlücke aufweist und daher eine hohe Leckstromleitfähigkeit aufweist, die mit steigender Temperatur, Spannung oder Frequenz zunimmt. Die logische Grenze dieser Leckstromleitfähigkeit ist eine unkontrollierte Leitfähigkeit, die einem Funktionsausfall des Halbleiters gleichkommt.
Von diesen beiden Materialien mit großer Bandlücke eignet sich GaN hauptsächlich für Anwendungen mit niedriger und mittlerer Leistung, etwa 1 kV und unter 100 A. Ein bedeutendes Wachstumsgebiet für GaN ist die Verwendung in LED-Beleuchtung, aber auch in anderen Bereichen mit geringer Leistung, wie der Automobilindustrie und der HF-Kommunikation, gewinnt es zunehmend an Bedeutung. Die Technologien rund um SiC sind hingegen weiter entwickelt als die von GaN und eignen sich besser für Anwendungen mit höherer Leistung, wie beispielsweise Traktionswechselrichter für Elektrofahrzeuge, Energieübertragung, große HLK-Anlagen und industrielle Systeme.
SiC-Bauelemente können bei höheren Spannungen, höheren Schaltfrequenzen und höheren Temperaturen als Si-MOSFETs betrieben werden. Unter diesen Bedingungen bieten SiC eine höhere Leistung, Effizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit. Diese Vorteile helfen Entwicklern, Größe, Gewicht und Kosten von Leistungswandlern zu reduzieren und sie so wettbewerbsfähiger zu machen, insbesondere in lukrativen Marktsegmenten wie der Luftfahrt, dem Militär und der Elektromobilität.
SiC-MOSFETs spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Leistungswandlern der nächsten Generation, da sie in Designs mit kleineren Bauteilen eine höhere Energieeffizienz ermöglichen. Dieser Wandel erfordert von Ingenieuren auch eine Überprüfung einiger traditioneller Design- und Testverfahren für Leistungselektronik.
Die Nachfrage nach strengen Tests wächst.
Um das Potenzial von SiC- und GaN-Bauelementen voll auszuschöpfen, sind präzise Messungen während des Schaltvorgangs erforderlich, um Effizienz und Zuverlässigkeit zu optimieren. Die Testverfahren für SiC- und GaN-Halbleiterbauelemente müssen die höheren Betriebsfrequenzen und -spannungen dieser Bauelemente berücksichtigen.
Die Entwicklung von Test- und Messgeräten wie Funktionsgeneratoren (AFGs), Oszilloskopen, Source-Measurement-Units (SMUs) und Parameteranalysatoren unterstützt Leistungselektronik-Ingenieure dabei, schneller bessere Ergebnisse zu erzielen. Diese Modernisierung der Ausrüstung hilft ihnen, die täglichen Herausforderungen zu meistern. „Die Minimierung von Schaltverlusten bleibt eine große Herausforderung für Leistungselektronik-Ingenieure“, so Jonathan Tucker, Leiter Power Supply Marketing bei Teck/Gishili. Diese Schaltungen müssen sorgfältig vermessen werden, um Konsistenz zu gewährleisten. Eine der wichtigsten Messtechniken ist der Doppelpulstest (DPT), die Standardmethode zur Messung der Schaltparameter von MOSFETs oder IGBTs.
Der Aufbau für den Doppelpulstest von SiC-Halbleitern umfasst: einen Funktionsgenerator zur Ansteuerung des MOSFET-Gitters, ein Oszilloskop und Analysesoftware zur Messung von VDS und ID. Neben dem Doppelpulstest, also dem Test auf Schaltungsebene, gibt es auch Material-, Bauteil- und Systemtests. Innovationen bei Testwerkzeugen ermöglichen es Entwicklungsingenieuren in allen Phasen des Produktlebenszyklus, kosteneffizient an Leistungswandlern zu arbeiten, die strenge Designanforderungen erfüllen.
Die Bereitschaft, Geräte als Reaktion auf regulatorische Änderungen und neue technologische Anforderungen an Endgeräte, von der Stromerzeugung bis hin zu Elektrofahrzeugen, zu zertifizieren, ermöglicht es Unternehmen, die im Bereich der Leistungselektronik tätig sind, sich auf wertschöpfende Innovationen zu konzentrieren und die Grundlage für zukünftiges Wachstum zu legen.
Veröffentlichungsdatum: 27. März 2023