شهد الجيل الثالث من أشباه الموصلات، المتمثل في نتريد الغاليوم (GaN) وكربيد السيليكون (SiC)، تطورًا سريعًا بفضل خصائصه الممتازة. ومع ذلك، فإن قياس معلمات وخصائص هذه الأجهزة بدقة، بما يحقق الاستفادة القصوى من إمكاناتها وتحسين كفاءتها وموثوقيتها، يتطلب معدات قياس عالية الدقة وأساليب احترافية.
يتزايد استخدام الجيل الجديد من مواد فجوة النطاق العريض (WBG)، المتمثلة في كربيد السيليكون (SiC) ونتريد الغاليوم (GaN). كهربائيًا، تُعتبر هذه المواد أقرب إلى العوازل من السيليكون وغيره من مواد أشباه الموصلات التقليدية. صُممت هذه المواد للتغلب على قيود السيليكون، نظرًا لكونه مادة ذات فجوة نطاق ضيقة، مما يُسبب تسربًا ضعيفًا للتوصيل الكهربائي، والذي يزداد وضوحًا مع ارتفاع درجة الحرارة أو الجهد أو التردد. الحد المنطقي لهذا التسرب هو التوصيل غير المُتحكم فيه، وهو ما يُعادل عطلًا في تشغيل أشباه الموصلات.
من بين هاتين المادتين واسعتي النطاق، يُعد نيتريد الغاليوم (GaN) مناسبًا بشكل رئيسي لمشاريع الطاقة المنخفضة والمتوسطة، حوالي 1 كيلو فولت وأقل من 100 أمبير. ومن مجالات النمو المهمة لنيتريد الغاليوم استخدامه في إضاءة LED، بالإضافة إلى تطبيقات أخرى منخفضة الطاقة مثل السيارات واتصالات الترددات الراديوية. في المقابل، تُعد التقنيات المتعلقة بكاربيد السيليكون (SiC) أكثر تطورًا من نيتريد الغاليوم، وهي أكثر ملاءمة لتطبيقات الطاقة العالية مثل محولات الجر في المركبات الكهربائية، ونقل الطاقة، ومعدات التدفئة والتهوية وتكييف الهواء الكبيرة، والأنظمة الصناعية.
تتميز أجهزة كربيد السيليكون (SiC) بقدرتها على العمل بجهد أعلى، وترددات تحويل أعلى، ودرجات حرارة أعلى من ترانزستورات موسفت السيليكون (Si MOSFETs). في ظل هذه الظروف، تتميز كربيد السيليكون بأداء وكفاءة وكثافة طاقة وموثوقية أعلى. تساعد هذه المزايا المصممين على تقليل حجم ووزن وتكلفة محولات الطاقة لجعلها أكثر تنافسية، لا سيما في قطاعات السوق المربحة مثل الطيران والمركبات العسكرية والكهربائية.
تلعب ترانزستورات MOSFET المصنوعة من كربيد السيليكون دورًا محوريًا في تطوير أجهزة تحويل الطاقة من الجيل التالي، نظرًا لقدرتها على تحقيق كفاءة طاقة أعلى في التصاميم القائمة على مكونات أصغر. كما يتطلب هذا التحول من المهندسين إعادة النظر في بعض تقنيات التصميم والاختبار المستخدمة تقليديًا في تصنيع إلكترونيات الطاقة.
الطلب على الاختبارات الصارمة يتزايد
للاستفادة الكاملة من إمكانات أجهزة SiC وGaN، يلزم إجراء قياسات دقيقة أثناء عملية التبديل لتحسين الكفاءة والموثوقية. يجب أن تراعي إجراءات اختبار أجهزة أشباه الموصلات SiC وGaN ترددات التشغيل والجهد العاليين لهذه الأجهزة.
يُساعد تطوير أدوات الاختبار والقياس، مثل مُولِّدات الدوال العشوائية (AFGs)، وأجهزة رسم الذبذبات، وأجهزة وحدة قياس المصدر (SMU)، ومُحلِّلات المعاملات، مهندسي تصميم الطاقة على تحقيق نتائج أكثر دقة وبسرعة أكبر. ويُساعدهم هذا التطوير في المعدات على مواجهة التحديات اليومية. وفي هذا الصدد، صرّح جوناثان تاكر، رئيس قسم تسويق إمدادات الطاقة في شركة تيك/جيشيلي، قائلاً: "لا يزال تقليل خسائر التبديل يُمثل تحديًا كبيرًا لمهندسي معدات الطاقة". ويجب قياس هذه التصاميم بدقة لضمان اتساقها. ومن أهم تقنيات القياس اختبار النبضة المزدوجة (DPT)، وهو الطريقة القياسية لقياس معاملات التبديل في ترانزستورات MOSFET أو IGBT.
يتضمن إعداد اختبار النبضة المزدوجة لأشباه الموصلات SiC ما يلي: مولد دوال لتشغيل شبكة MOSFET؛ ومنظار ذبذبات وبرنامج تحليل لقياس VDS وID. بالإضافة إلى اختبار النبضة المزدوجة، أي اختبار مستوى الدائرة، هناك اختبار على مستوى المادة، واختبار على مستوى المكونات، واختبار على مستوى النظام. وقد مكّنت الابتكارات في أدوات الاختبار مهندسي التصميم في جميع مراحل دورة حياة المنتجات من العمل على تطوير أجهزة تحويل طاقة تلبي متطلبات التصميم الصارمة بتكلفة معقولة.
إن الاستعداد لإصدار شهادات المعدات استجابة للتغيرات التنظيمية والاحتياجات التكنولوجية الجديدة لمعدات المستخدم النهائي، من توليد الطاقة إلى المركبات الكهربائية، يسمح للشركات العاملة في مجال الإلكترونيات القوية بالتركيز على الابتكار ذي القيمة المضافة وإرساء الأساس للنمو المستقبلي.
وقت النشر: ٢٧ مارس ٢٠٢٣