La tercera generació de semiconductors, representada pel nitrur de gal·li (GaN) i el carbur de silici (SiC), s'ha desenvolupat ràpidament a causa de les seves excel·lents propietats. Tanmateix, la manera de mesurar amb precisió els paràmetres i les característiques d'aquests dispositius per tal d'aprofitar el seu potencial i optimitzar la seva eficiència i fiabilitat requereix equips de mesura d'alta precisió i mètodes professionals.
La nova generació de materials de banda prohibida ampla (WBG) representats pel carbur de silici (SiC) i el nitrur de gal·li (GaN) s'estan utilitzant cada cop més. Elèctricament, aquestes substàncies són més properes als aïllants que el silici i altres materials semiconductors típics. Aquestes substàncies estan dissenyades per superar les limitacions del silici, ja que és un material de banda prohibida estreta i, per tant, provoca una mala fuita de conductivitat elèctrica, que es fa més pronunciada a mesura que augmenta la temperatura, el voltatge o la freqüència. El límit lògic d'aquesta fuita és la conductivitat incontrolada, equivalent a una fallada de funcionament del semiconductor.
D'aquests dos materials de banda ampla, el GaN és principalment adequat per a esquemes d'implementació de baixa i mitjana potència, al voltant d'1 kV i per sota dels 100 A. Una àrea de creixement significativa per al GaN és el seu ús en la il·luminació LED, però també està creixent en altres usos de baixa potència com ara l'automoció i les comunicacions per radiofreqüència. En canvi, les tecnologies que envolten el SiC estan més ben desenvolupades que les del GaN i són més adequades per a aplicacions de major potència com ara inversors de tracció de vehicles elèctrics, transmissió de potència, grans equips de climatització i sistemes industrials.
Els dispositius de SiC són capaços de funcionar a voltatges, freqüències de commutació i temperatures més altes que els MOSFET de Si. En aquestes condicions, el SiC té un rendiment, eficiència, densitat de potència i fiabilitat més elevats. Aquests avantatges ajuden els dissenyadors a reduir la mida, el pes i el cost dels convertidors de potència per fer-los més competitius, especialment en segments de mercat lucratius com l'aviació, l'exèrcit i els vehicles elèctrics.
Els MOSFET de SiC tenen un paper crucial en el desenvolupament de dispositius de conversió de potència de nova generació per la seva capacitat d'aconseguir una major eficiència energètica en dissenys basats en components més petits. El canvi també requereix que els enginyers revisin algunes de les tècniques de disseny i proves que tradicionalment s'utilitzen per crear electrònica de potència.
La demanda de proves rigoroses està creixent
Per aprofitar plenament el potencial dels dispositius de SiC i GaN, calen mesures precises durant l'operació de commutació per optimitzar l'eficiència i la fiabilitat. Els procediments de prova per a dispositius semiconductors de SiC i GaN han de tenir en compte les freqüències i voltatges de funcionament més elevats d'aquests dispositius.
El desenvolupament d'eines de prova i mesura, com ara generadors de funcions arbitràries (AFG), oscil·loscopis, instruments d'unitat de mesura de font (SMU) i analitzadors de paràmetres, està ajudant els enginyers de disseny de potència a aconseguir resultats més potents més ràpidament. Aquesta actualització dels equips els ajuda a afrontar els reptes diaris. "Minimitzar les pèrdues de commutació continua sent un repte important per als enginyers d'equips de potència", va dir Jonathan Tucker, cap de màrqueting de fonts d'alimentació a Teck/Gishili. Aquests dissenys s'han de mesurar rigorosament per garantir la consistència. Una de les tècniques de mesura clau s'anomena prova de doble pols (DPT), que és el mètode estàndard per mesurar els paràmetres de commutació dels dispositius de potència MOSFET o IGBT.
La configuració per realitzar proves de doble pols de semiconductors de SiC inclou: generador de funcions per controlar la xarxa MOSFET; oscil·loscopi i programari d'anàlisi per mesurar la VDS i la ID. A més de les proves de doble pols, és a dir, a més de les proves a nivell de circuit, hi ha proves a nivell de material, proves a nivell de component i proves a nivell de sistema. Les innovacions en les eines de prova han permès als enginyers de disseny en totes les etapes del cicle de vida treballar per aconseguir dispositius de conversió de potència que puguin complir requisits de disseny estrictes de manera rendible.
Estar preparats per certificar equips en resposta als canvis normatius i a les noves necessitats tecnològiques per als equips d'usuari final, des de la generació d'energia fins als vehicles elèctrics, permet a les empreses que treballen en electrònica de potència centrar-se en la innovació de valor afegit i establir les bases per al creixement futur.
Data de publicació: 27 de març de 2023