La terza generazione di semiconduttori, rappresentata dal nitruro di gallio (GaN) e dal carburo di silicio (SiC), è stata rapidamente sviluppata grazie alle loro eccellenti proprietà. Tuttavia, come misurare con precisione i parametri e le caratteristiche di questi dispositivi al fine di sfruttarne il potenziale e ottimizzarne l’efficienza e l’affidabilità richiede apparecchiature di misurazione ad alta precisione e metodi professionali.
La nuova generazione di materiali a banda larga (WBG), rappresentata dal carburo di silicio (SiC) e dal nitruro di gallio (GaN), sta diventando sempre più ampiamente utilizzata. Elettricamente, queste sostanze sono più vicine agli isolanti rispetto al silicio e ad altri tipici materiali semiconduttori. Queste sostanze sono progettate per superare i limiti del silicio perché è un materiale a banda proibita stretta e quindi causa una scarsa perdita di conduttività elettrica, che diventa più pronunciata all'aumentare della temperatura, della tensione o della frequenza. Il limite logico a questa perdita è la conduttività incontrollata, equivalente a un guasto operativo del semiconduttore.
Di questi due materiali ad ampio gap di banda, il GaN è adatto principalmente per schemi di implementazione a bassa e media potenza, intorno a 1 kV e inferiori a 100 A. Un'area di crescita significativa per il GaN è il suo utilizzo nell'illuminazione a LED, ma cresce anche in altri usi a bassa potenza come il settore automobilistico e le comunicazioni RF. Al contrario, le tecnologie che circondano il SiC sono meglio sviluppate rispetto al GaN e sono più adatte ad applicazioni a potenza più elevata come inverter di trazione per veicoli elettrici, trasmissione di potenza, grandi apparecchiature HVAC e sistemi industriali.
I dispositivi SiC sono in grado di funzionare a tensioni più elevate, frequenze di commutazione più elevate e temperature più elevate rispetto ai MOSFET Si. In queste condizioni, il SiC offre prestazioni, efficienza, densità di potenza e affidabilità più elevate. Questi vantaggi stanno aiutando i progettisti a ridurre le dimensioni, il peso e il costo dei convertitori di potenza per renderli più competitivi, soprattutto in segmenti di mercato redditizi come l’aviazione, i militari e i veicoli elettrici.
I MOSFET SiC svolgono un ruolo cruciale nello sviluppo di dispositivi di conversione di potenza di prossima generazione grazie alla loro capacità di ottenere una maggiore efficienza energetica in progetti basati su componenti più piccoli. Il cambiamento richiede inoltre agli ingegneri di rivisitare alcune delle tecniche di progettazione e test tradizionalmente utilizzate per creare l’elettronica di potenza.
La richiesta di test rigorosi è in crescita
Per realizzare appieno il potenziale dei dispositivi SiC e GaN, sono necessarie misurazioni precise durante l'operazione di commutazione per ottimizzare l'efficienza e l'affidabilità. Le procedure di test per i dispositivi a semiconduttore SiC e GaN devono tenere conto delle frequenze e delle tensioni operative più elevate di questi dispositivi.
Lo sviluppo di strumenti di test e misurazione, come generatori di funzioni arbitrarie (AFG), oscilloscopi, strumenti con unità di misura della sorgente (SMU) e analizzatori di parametri, sta aiutando i progettisti di energia a ottenere risultati più potenti in tempi più rapidi. Questo aggiornamento delle attrezzature li aiuta ad affrontare le sfide quotidiane. "Ridurre al minimo le perdite di commutazione rimane una sfida importante per gli ingegneri delle apparecchiature elettriche", ha affermato Jonathan Tucker, responsabile del marketing degli alimentatori presso Teck/Gishili. Questi progetti devono essere rigorosamente misurati per garantire la coerenza. Una delle tecniche di misurazione chiave è chiamata test del doppio impulso (DPT), che è il metodo standard per misurare i parametri di commutazione dei MOSFET o dei dispositivi di potenza IGBT.
La configurazione per eseguire il test a doppio impulso dei semiconduttori SiC include: generatore di funzioni per pilotare la griglia MOSFET; Oscilloscopio e software di analisi per la misurazione di VDS e ID. Oltre al test a doppio impulso, ovvero oltre al test a livello di circuito, esistono test a livello di materiale, test a livello di componente e test a livello di sistema. Le innovazioni negli strumenti di test hanno consentito ai progettisti di tutte le fasi del ciclo di vita di lavorare verso dispositivi di conversione di potenza in grado di soddisfare severi requisiti di progettazione in modo economicamente vantaggioso.
Essere pronti a certificare le apparecchiature in risposta ai cambiamenti normativi e alle nuove esigenze tecnologiche per le apparecchiature degli utenti finali, dalla produzione di energia ai veicoli elettrici, consente alle aziende che lavorano nel settore dell’elettronica di potenza di concentrarsi sull’innovazione a valore aggiunto e gettare le basi per la crescita futura.
Orario di pubblicazione: 27 marzo 2023