Η τρίτη γενιά ημιαγωγών, που αντιπροσωπεύεται από το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) και το καρβίδιο του πυριτίου (SiC), έχουν αναπτυχθεί ραγδαία λόγω των εξαιρετικών ιδιοτήτων τους. Ωστόσο, η ακριβής μέτρηση των παραμέτρων και των χαρακτηριστικών αυτών των συσκευών, προκειμένου να αξιοποιηθούν οι δυνατότητές τους και να βελτιστοποιηθεί η αποδοτικότητα και η αξιοπιστία τους, απαιτεί εξοπλισμό μέτρησης υψηλής ακρίβειας και επαγγελματικές μεθόδους.
Η νέα γενιά υλικών ευρέος ενεργειακού χάσματος (WBG) που αντιπροσωπεύονται από το καρβίδιο του πυριτίου (SiC) και το νιτρίδιο του γαλλίου (GaN) χρησιμοποιούνται ολοένα και περισσότερο. Ηλεκτρικά, αυτές οι ουσίες είναι πιο κοντά στους μονωτές από το πυρίτιο και άλλα τυπικά ημιαγωγικά υλικά. Αυτές οι ουσίες έχουν σχεδιαστεί για να ξεπερνούν τους περιορισμούς του πυριτίου επειδή είναι ένα υλικό στενού ενεργειακού χάσματος και επομένως προκαλεί κακή διαρροή ηλεκτρικής αγωγιμότητας, η οποία γίνεται πιο έντονη καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η τάση ή η συχνότητα. Το λογικό όριο σε αυτή τη διαρροή είναι η ανεξέλεγκτη αγωγιμότητα, που ισοδυναμεί με λειτουργική βλάβη ημιαγωγού.
Από αυτά τα δύο υλικά με ευρύ ενεργειακό χάσμα, το GaN είναι κυρίως κατάλληλο για σχέδια εφαρμογής χαμηλής και μέσης ισχύος, περίπου 1 kV και κάτω από 100 A. Ένας σημαντικός τομέας ανάπτυξης για το GaN είναι η χρήση του σε φωτισμό LED, αλλά και η ανάπτυξη σε άλλες χρήσεις χαμηλής ισχύος, όπως η αυτοκινητοβιομηχανία και οι επικοινωνίες RF. Αντίθετα, οι τεχνολογίες που περιβάλλουν το SiC είναι καλύτερα ανεπτυγμένες από το GaN και είναι πιο κατάλληλες για εφαρμογές υψηλότερης ισχύος, όπως οι μετατροπείς έλξης ηλεκτρικών οχημάτων, η μετάδοση ισχύος, ο μεγάλος εξοπλισμός HVAC και τα βιομηχανικά συστήματα.
Οι συσκευές SiC είναι ικανές να λειτουργούν σε υψηλότερες τάσεις, υψηλότερες συχνότητες μεταγωγής και υψηλότερες θερμοκρασίες από τα MOSFET Si. Υπό αυτές τις συνθήκες, το SiC έχει υψηλότερη απόδοση, αποδοτικότητα, πυκνότητα ισχύος και αξιοπιστία. Αυτά τα πλεονεκτήματα βοηθούν τους σχεδιαστές να μειώσουν το μέγεθος, το βάρος και το κόστος των μετατροπέων ισχύος ώστε να τους καταστήσουν πιο ανταγωνιστικούς, ειδικά σε επικερδή τμήματα της αγοράς όπως η αεροπορία, ο στρατός και τα ηλεκτρικά οχήματα.
Τα MOSFET SiC διαδραματίζουν κρίσιμο ρόλο στην ανάπτυξη συσκευών μετατροπής ισχύος επόμενης γενιάς λόγω της ικανότητάς τους να επιτυγχάνουν μεγαλύτερη ενεργειακή απόδοση σε σχέδια που βασίζονται σε μικρότερα εξαρτήματα. Η αλλαγή αυτή απαιτεί επίσης από τους μηχανικούς να επανεξετάσουν ορισμένες από τις τεχνικές σχεδιασμού και δοκιμών που χρησιμοποιούνται παραδοσιακά για τη δημιουργία ηλεκτρονικών ισχύος.
Η ζήτηση για αυστηρά τεστ αυξάνεται
Για την πλήρη αξιοποίηση των δυνατοτήτων των συσκευών SiC και GaN, απαιτούνται ακριβείς μετρήσεις κατά τη λειτουργία μεταγωγής για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης και της αξιοπιστίας. Οι διαδικασίες δοκιμών για τις συσκευές ημιαγωγών SiC και GaN πρέπει να λαμβάνουν υπόψη τις υψηλότερες συχνότητες λειτουργίας και τάσεις αυτών των συσκευών.
Η ανάπτυξη εργαλείων δοκιμών και μέτρησης, όπως γεννήτριες αυθαίρετων συναρτήσεων (AFG), παλμογράφοι, όργανα μονάδων μέτρησης πηγής (SMU) και αναλυτές παραμέτρων, βοηθά τους μηχανικούς σχεδιασμού ισχύος να επιτυγχάνουν πιο ισχυρά αποτελέσματα πιο γρήγορα. Αυτή η αναβάθμιση του εξοπλισμού τους βοηθά να αντιμετωπίσουν τις καθημερινές προκλήσεις. «Η ελαχιστοποίηση των απωλειών μεταγωγής παραμένει μια σημαντική πρόκληση για τους μηχανικούς εξοπλισμού ισχύος», δήλωσε ο Jonathan Tucker, επικεφαλής του μάρκετινγκ τροφοδοσίας στην Teck/Gishili. Αυτοί οι σχεδιασμοί πρέπει να μετρώνται αυστηρά για να διασφαλίζεται η συνέπεια. Μία από τις βασικές τεχνικές μέτρησης ονομάζεται δοκιμή διπλού παλμού (DPT), η οποία είναι η τυπική μέθοδος για τη μέτρηση των παραμέτρων μεταγωγής των MOSFET ή των συσκευών ισχύος IGBT.
Η εγκατάσταση για την εκτέλεση δοκιμής διπλού παλμού ημιαγωγών SiC περιλαμβάνει: γεννήτρια συναρτήσεων για την οδήγηση του πλέγματος MOSFET· παλμογράφο και λογισμικό ανάλυσης για τη μέτρηση του VDS και του ID. Εκτός από τις δοκιμές διπλού παλμού, δηλαδή, εκτός από τις δοκιμές σε επίπεδο κυκλώματος, υπάρχουν δοκιμές σε επίπεδο υλικού, δοκιμές σε επίπεδο εξαρτήματος και δοκιμές σε επίπεδο συστήματος. Οι καινοτομίες στα εργαλεία δοκιμών έχουν επιτρέψει στους μηχανικούς σχεδιασμού σε όλα τα στάδια του κύκλου ζωής να εργαστούν για συσκευές μετατροπής ισχύος που μπορούν να ανταποκριθούν στις αυστηρές απαιτήσεις σχεδιασμού με οικονομικά αποδοτικό τρόπο.
Η προετοιμασία για την πιστοποίηση εξοπλισμού ως απάντηση στις κανονιστικές αλλαγές και τις νέες τεχνολογικές ανάγκες για εξοπλισμό τελικού χρήστη, από την παραγωγή ενέργειας έως τα ηλεκτρικά οχήματα, επιτρέπει στις εταιρείες που δραστηριοποιούνται στον τομέα των ηλεκτρονικών ισχύος να επικεντρωθούν στην καινοτομία προστιθέμενης αξίας και να θέσουν τα θεμέλια για μελλοντική ανάπτυξη.
Ώρα δημοσίευσης: 27 Μαρτίου 2023