La tercera generación de semiconductores, representada por el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC), se ha desarrollado rápidamente gracias a sus excelentes propiedades. Sin embargo, para medir con precisión los parámetros y características de estos dispositivos y aprovechar su potencial, así como para optimizar su eficiencia y fiabilidad, se requieren equipos de medición de alta precisión y métodos profesionales.
La nueva generación de materiales de banda prohibida ancha (WBG), representada por el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), se utiliza cada vez más. Eléctricamente, estas sustancias son más aislantes que el silicio y otros materiales semiconductores típicos. Estas sustancias están diseñadas para superar las limitaciones del silicio, ya que es un material de banda prohibida estrecha y, por lo tanto, causa una fuga de conductividad eléctrica deficiente, que se acentúa al aumentar la temperatura, el voltaje o la frecuencia. El límite lógico para esta fuga es la conductividad descontrolada, equivalente a un fallo de funcionamiento del semiconductor.
De estos dos materiales de banda ancha, el GaN es principalmente adecuado para esquemas de implementación de baja y media potencia, de alrededor de 1 kV e inferiores a 100 A. Un área de crecimiento significativo para el GaN es su uso en iluminación LED, pero también está creciendo en otros usos de baja potencia, como la automoción y las comunicaciones por radiofrecuencia. Por el contrario, las tecnologías que rodean al SiC están más desarrolladas que las del GaN y son más adecuadas para aplicaciones de mayor potencia, como inversores de tracción de vehículos eléctricos, transmisión de potencia, grandes equipos de climatización (HVAC) y sistemas industriales.
Los dispositivos de SiC pueden operar a voltajes, frecuencias de conmutación y temperaturas más altas que los MOSFET de Si. En estas condiciones, el SiC ofrece mayor rendimiento, eficiencia, densidad de potencia y fiabilidad. Estas ventajas ayudan a los diseñadores a reducir el tamaño, el peso y el coste de los convertidores de potencia para hacerlos más competitivos, especialmente en segmentos de mercado tan lucrativos como la aviación, el sector militar y los vehículos eléctricos.
Los MOSFET de SiC desempeñan un papel crucial en el desarrollo de dispositivos de conversión de potencia de nueva generación gracias a su capacidad para lograr una mayor eficiencia energética en diseños basados en componentes más pequeños. Este cambio también exige que los ingenieros revisen algunas de las técnicas de diseño y prueba empleadas tradicionalmente para crear electrónica de potencia.
La demanda de pruebas rigurosas está creciendo
Para aprovechar al máximo el potencial de los dispositivos de SiC y GaN, se requieren mediciones precisas durante la conmutación para optimizar la eficiencia y la fiabilidad. Los procedimientos de prueba para dispositivos semiconductores de SiC y GaN deben tener en cuenta las mayores frecuencias y tensiones de operación de estos dispositivos.
El desarrollo de herramientas de prueba y medición, como generadores de funciones arbitrarias (AFG), osciloscopios, instrumentos de unidad de medición de fuente (SMU) y analizadores de parámetros, ayuda a los ingenieros de diseño de potencia a obtener resultados más potentes con mayor rapidez. Esta modernización de los equipos les ayuda a afrontar los retos diarios. «Minimizar las pérdidas de conmutación sigue siendo un reto importante para los ingenieros de equipos de potencia», afirmó Jonathan Tucker, director de Marketing de Suministros de Potencia de Teck/Gishili. Estos diseños deben medirse rigurosamente para garantizar su consistencia. Una de las técnicas de medición clave es la prueba de doble pulso (DPT), que es el método estándar para medir los parámetros de conmutación de los dispositivos de potencia MOSFET o IGBT.
La configuración para realizar pruebas de doble pulso en semiconductores de SiC incluye: un generador de funciones para controlar la rejilla MOSFET; un osciloscopio y un software de análisis para medir VDS e ID. Además de las pruebas de doble pulso, es decir, las pruebas a nivel de circuito, existen pruebas a nivel de material, de componente y de sistema. Las innovaciones en las herramientas de prueba han permitido a los ingenieros de diseño, en todas las etapas del ciclo de vida, desarrollar dispositivos de conversión de potencia que cumplan con los estrictos requisitos de diseño de forma rentable.
Estar preparado para certificar equipos en respuesta a cambios regulatorios y nuevas necesidades tecnológicas de equipos de usuario final, desde generación de energía hasta vehículos eléctricos, permite a las empresas que trabajan en electrónica de potencia enfocarse en la innovación de valor agregado y sentar las bases para el crecimiento futuro.
Hora de publicación: 27 de marzo de 2023