Die dritte Generation von Halbleitern, vertreten durch Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC), hat sich aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften rasant weiterentwickelt. Um jedoch die Parameter und Eigenschaften dieser Bauelemente präzise zu messen und ihr Potenzial auszuschöpfen sowie ihre Effizienz und Zuverlässigkeit zu optimieren, sind hochpräzise Messgeräte und professionelle Methoden erforderlich.
Die neue Generation von Wide-Band-Gap-Materialien (WBG), vertreten durch Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), findet immer mehr Verbreitung. Elektrisch gesehen sind diese Substanzen eher Isolatoren als Silizium und andere typische Halbleitermaterialien. Sie sollen die Einschränkungen von Silizium überwinden, da es ein Material mit schmalem Bandabstand ist und daher eine geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist, die mit steigender Temperatur, Spannung oder Frequenz zunimmt. Die logische Grenze dieser Leckage ist eine unkontrollierte Leitfähigkeit, die einem Halbleiterausfall gleichkommt.
Von diesen beiden Materialien mit großem Bandabstand eignet sich GaN vor allem für Anwendungen mit niedriger und mittlerer Leistung (ca. 1 kV und unter 100 A). Ein bedeutender Wachstumsbereich für GaN ist der Einsatz in LED-Beleuchtung, aber auch andere Anwendungen mit niedrigem Stromverbrauch, wie z. B. in der Automobil- und HF-Kommunikation, wachsen. Im Gegensatz dazu sind die Technologien rund um SiC weiter entwickelt als die um GaN und eignen sich besser für Anwendungen mit höherer Leistung, wie z. B. Wechselrichter für Elektrofahrzeuge, Stromübertragung, große HLK-Anlagen und Industriesysteme.
SiC-Bauelemente können bei höheren Spannungen, höheren Schaltfrequenzen und höheren Temperaturen betrieben werden als Si-MOSFETs. Unter diesen Bedingungen bietet SiC eine höhere Leistung, Effizienz, Leistungsdichte und Zuverlässigkeit. Diese Vorteile helfen Entwicklern, Größe, Gewicht und Kosten von Stromrichtern zu reduzieren und sie so wettbewerbsfähiger zu machen, insbesondere in lukrativen Marktsegmenten wie der Luftfahrt, dem Militär und der Elektromobilität.
SiC-MOSFETs spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Leistungswandlern der nächsten Generation, da sie eine höhere Energieeffizienz bei Designs mit kleineren Komponenten ermöglichen. Dieser Wandel erfordert von den Ingenieuren auch eine Überarbeitung einiger traditioneller Design- und Testverfahren für Leistungselektronik.
Die Nachfrage nach strengen Tests wächst
Um das Potenzial von SiC- und GaN-Bauelementen voll auszuschöpfen, sind präzise Messungen im Schaltbetrieb erforderlich, um Effizienz und Zuverlässigkeit zu optimieren. Testverfahren für SiC- und GaN-Halbleiterbauelemente müssen die höheren Betriebsfrequenzen und -spannungen dieser Bauelemente berücksichtigen.
Die Entwicklung von Test- und Messwerkzeugen wie Arbiträrfunktionsgeneratoren (AFGs), Oszilloskopen, Source Measurement Units (SMUs) und Parameteranalysatoren hilft Leistungsdesignern, schneller leistungsfähigere Ergebnisse zu erzielen. Diese Modernisierung der Ausrüstung hilft ihnen, die täglichen Herausforderungen zu meistern. „Die Minimierung von Schaltverlusten bleibt eine große Herausforderung für Leistungselektronik-Ingenieure“, sagte Jonathan Tucker, Leiter des Marketings für Stromversorgungen bei Teck/Gishili. Um die Konsistenz zu gewährleisten, müssen diese Designs rigoros gemessen werden. Eine der wichtigsten Messtechniken ist der sogenannte Doppelimpulstest (DPT), die Standardmethode zur Messung der Schaltparameter von MOSFETs oder IGBT-Leistungsbauelementen.
Die Einrichtung für den Doppelpulstest von SiC-Halbleitern umfasst einen Funktionsgenerator zur Ansteuerung des MOSFET-Gitters, ein Oszilloskop und Analysesoftware zur Messung von VDS und ID. Neben Doppelpulstests, also neben Schaltungstests, gibt es auch Material-, Komponenten- und Systemtests. Dank innovativer Testwerkzeuge können Konstrukteure in allen Phasen des Lebenszyklus an Leistungswandlern arbeiten, die strenge Designanforderungen kostengünstig erfüllen.
Durch die Vorbereitung auf die Gerätezertifizierung als Reaktion auf regulatorische Änderungen und neue technologische Anforderungen an Endbenutzergeräte – von der Stromerzeugung bis hin zu Elektrofahrzeugen – können sich Unternehmen, die im Bereich Leistungselektronik arbeiten, auf wertschöpfende Innovationen konzentrieren und den Grundstein für zukünftiges Wachstum legen.
Veröffentlichungszeit: 27. März 2023