SiC および GaN デバイスを正確に測定して可能性を引き出し、効率と信頼性を最適化する方法

窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）に代表される第3世代半導体は、その優れた特性により急速に発展しています。ただし、これらのデバイスの可能性を引き出し、効率と信頼性を最適化するために、これらのデバイスのパラメータと特性を正確に測定する方法には、高精度の測定機器と専門的な手法が必要です。

炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）に代表される新世代のワイドバンドギャップ（WBG）材料は、ますます広く使用されるようになってきています。これらの物質は、電気的にはシリコンやその他の一般的な半導体材料よりも絶縁体に近いものです。これらの物質は、シリコンの限界を克服するように設計されています。シリコンはバンドギャップが狭い材料であるため、温度、電圧、周波数が上昇するにつれて導電性の漏れが顕著になり、導電性の漏れが生じます。この漏れに対する論理的な限界は、導電率が制御されないことであり、これは半導体の動作不良に相当します。

これら 2 つのワイドバンドギャップ材料のうち、GaN は主に、約 1 kV および 100 A 未満の低および中電力実装スキームに適しています。GaN の重要な成長分野の 1 つは LED 照明での使用ですが、他の低電力用途でも成長しています。自動車通信やRF通信など。対照的に、SiC を取り巻く技術は GaN よりもよく開発されており、電気自動車のトラクション インバーター、送電、大型 HVAC 機器、産業システムなどの高出力アプリケーションに適しています。

SiC デバイスは、Si MOSFET よりも高い電圧、高いスイッチング周波数、および高い温度で動作することができます。これらの条件下では、SiC はより高いパフォーマンス、効率、電力密度、および信頼性を備えています。これらの利点は、特に航空、軍用、電気自動車などの収益性の高い市場セグメントにおいて、設計者が電力コンバータのサイズ、重量、コストを削減して競争力を高めるのに役立ちます。

SiC MOSFET は、より小型のコンポーネントに基づいた設計でより高いエネルギー効率を達成できるため、次世代電力変換デバイスの開発において重要な役割を果たします。この変化により、エンジニアはパワー エレクトロニクスを作成するために従来使用されてきた設計およびテスト手法の一部を再検討する必要もあります。

厳格なテストの需要が高まっている

SiC および GaN デバイスの可能性を最大限に引き出すには、スイッチング動作中に正確な測定を行い、効率と信頼性を最適化する必要があります。 SiC および GaN 半導体デバイスのテスト手順では、これらのデバイスのより高い動作周波数と電圧を考慮する必要があります。

任意関数発生器 (AFG)、オシロスコープ、ソース測定ユニット (SMU) 機器、パラメータ アナライザなどのテストおよび測定ツールの開発は、電源設計エンジニアがより強力な結果をより迅速に達成するのに役立ちます。この設備のアップグレードは、日々の課題に対処するのに役立っています。 「スイッチング損失を最小限に抑えることは、電力機器エンジニアにとって依然として大きな課題です」と Teck/Gishili の電源マーケティング責任者である Jonathan Tucker 氏は述べています。これらの設計は、一貫性を確保するために厳密に測定する必要があります。重要な測定技術の 1 つはダブル パルス テスト (DPT) と呼ばれ、MOSFET または IGBT パワー デバイスのスイッチング パラメータを測定する標準的な方法です。

SiC 半導体ダブルパルステストを実行するためのセットアップには、MOSFET グリッドを駆動する関数発生器が含まれます。 VDS と ID を測定するためのオシロスコープと分析ソフトウェア。ダブルパルステスト、つまり回路レベルのテストに加えて、材料レベルのテスト、コンポーネントレベルのテスト、およびシステムレベルのテストがあります。テストツールの革新により、設計エンジニアはライフサイクルのあらゆる段階で、厳しい設計要件をコスト効率良く満たすことができる電力変換デバイスの開発に取り組むことが可能になりました。

発電から電気自動車に至るまで、エンドユーザー機器に対する規制の変更や新たな技術ニーズに対応して機器を認証する準備ができていることで、パワーエレクトロニクスに取り組む企業は付加価値のあるイノベーションに注力し、将来の成長の基盤を築くことができます。