Trzecia generacja półprzewodników, reprezentowana przez azotek galu (GaN) i węglik krzemu (SiC), została szybko rozwinięta ze względu na ich doskonałe właściwości. Jednak dokładne zmierzenie parametrów i charakterystyk tych urządzeń, aby wykorzystać ich potencjał oraz zoptymalizować ich wydajność i niezawodność, wymaga dużej precyzji sprzętu pomiarowego i profesjonalnych metod.
Coraz szerzej stosowana jest nowa generacja materiałów o szerokiej przerwie energetycznej (WBG), reprezentowanych przez węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN). Pod względem elektrycznym substancje te są bliższe izolatorom niż krzem i inne typowe materiały półprzewodnikowe. Substancje te mają na celu przezwyciężenie ograniczeń krzemu, ponieważ jest to materiał o wąskiej przerwie wzbronionej i dlatego powoduje słaby wyciek przewodności elektrycznej, który staje się bardziej wyraźny wraz ze wzrostem temperatury, napięcia lub częstotliwości. Logicznym ograniczeniem tego wycieku jest niekontrolowana przewodność, co jest równoznaczne z awarią działania półprzewodnika.
Spośród tych dwóch materiałów o szerokiej przerwie energetycznej GaN nadaje się głównie do zastosowań o małej i średniej mocy, około 1 kV i poniżej 100 A. Jednym ze znaczących obszarów wzrostu GaN jest jego zastosowanie w oświetleniu LED, ale rośnie także w innych zastosowaniach o niskim poborze mocy takich jak komunikacja samochodowa i radiowa. Z kolei technologie otaczające SiC są lepiej rozwinięte niż GaN i lepiej nadają się do zastosowań o wyższej mocy, takich jak falowniki trakcyjne pojazdów elektrycznych, przesył mocy, duże urządzenia HVAC i systemy przemysłowe.
Urządzenia SiC mogą pracować przy wyższych napięciach, wyższych częstotliwościach przełączania i wyższych temperaturach niż Si MOSFET. W tych warunkach SiC ma wyższą wydajność, wydajność, gęstość mocy i niezawodność. Zalety te pomagają projektantom zmniejszyć rozmiar, wagę i koszt przetwornic mocy, aby uczynić je bardziej konkurencyjnymi, szczególnie w lukratywnych segmentach rynku, takich jak lotnictwo, pojazdy wojskowe i pojazdy elektryczne.
Tranzystory MOSFET SiC odgrywają kluczową rolę w rozwoju urządzeń do konwersji mocy nowej generacji ze względu na ich zdolność do osiągania większej efektywności energetycznej w konstrukcjach opartych na mniejszych komponentach. Ta zmiana wymaga również od inżynierów ponownego rozważenia niektórych technik projektowania i testowania tradycyjnie stosowanych przy tworzeniu energoelektroniki.
Rośnie zapotrzebowanie na rygorystyczne testy
Aby w pełni wykorzystać potencjał urządzeń SiC i GaN, podczas operacji przełączania wymagane są dokładne pomiary w celu optymalizacji wydajności i niezawodności. Procedury testowania urządzeń półprzewodnikowych SiC i GaN muszą uwzględniać wyższe częstotliwości robocze i napięcia tych urządzeń.
Rozwój narzędzi testowych i pomiarowych, takich jak generatory funkcji arbitralnych (AFG), oscyloskopy, przyrządy do pomiaru źródła (SMU) i analizatory parametrów, pomaga inżynierom zajmującym się projektowaniem układów zasilania szybciej osiągać lepsze wyniki. Modernizacja sprzętu pomaga im stawić czoła codziennym wyzwaniom. „Minimalizacja strat przełączania pozostaje głównym wyzwaniem dla inżynierów zajmujących się urządzeniami zasilającymi” – powiedział Jonathan Tucker, szef marketingu zasilaczy w firmie Teck/Gishili. Projekty te muszą być rygorystycznie mierzone, aby zapewnić spójność. Jedną z kluczowych technik pomiarowych jest test podwójnego impulsu (DPT), który jest standardową metodą pomiaru parametrów przełączania tranzystorów MOSFET lub urządzeń mocy IGBT.
Konfiguracja do przeprowadzenia testu podwójnego impulsu półprzewodników SiC obejmuje: generator funkcyjny do sterowania siecią MOSFET; Oscyloskop i oprogramowanie analityczne do pomiaru VDS i ID. Oprócz testów podwójnego impulsu, to znaczy oprócz testów na poziomie obwodu, istnieją testy na poziomie materiału, testy na poziomie komponentów i testy na poziomie systemu. Innowacje w narzędziach testowych umożliwiły inżynierom-projektantom na wszystkich etapach cyklu życia pracę nad urządzeniami do konwersji mocy, które będą w stanie w opłacalny sposób spełniać rygorystyczne wymagania projektowe.
Gotowość do certyfikacji sprzętu w odpowiedzi na zmiany regulacyjne i nowe potrzeby technologiczne dotyczące sprzętu użytkownika końcowego, od wytwarzania energii po pojazdy elektryczne, pozwala firmom zajmującym się elektroniką mocy skoncentrować się na innowacjach o wartości dodanej i położyć podwaliny pod przyszły rozwój.
Czas publikacji: 27 marca 2023 r