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, con el fin de aprovechar su potencial y 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), representados por el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), se está utilizando cada vez más. Eléctricamente, estas sustancias se comportan más como aislantes que el silicio y otros materiales semiconductores típicos. Están diseñadas para superar las limitaciones del silicio, ya que este es un material de banda prohibida estrecha y, por lo tanto, provoca una fuga de conductividad eléctrica deficiente, que se acentúa con el aumento de la temperatura, el voltaje o la frecuencia. El límite lógico de esta fuga es una conductividad incontrolada, equivalente a un fallo de funcionamiento del semiconductor.
De estos dos materiales de banda prohibida ancha, el GaN es principalmente adecuado para esquemas de implementación de baja y media potencia, alrededor de 1 kV y por debajo de 100 A. Un área de crecimiento importante 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 de radiofrecuencia. Por el contrario, las tecnologías relacionadas con el SiC están más desarrolladas que el GaN y son más adecuadas para aplicaciones de mayor potencia, como inversores de tracción para vehículos eléctricos, transmisión de energía, grandes equipos de climatización y sistemas industriales.
Los dispositivos SiC pueden operar a voltajes, frecuencias de conmutación y temperaturas más elevadas que los MOSFET de silicio. En estas condiciones, el SiC ofrece mayor rendimiento, eficiencia, densidad de potencia y fiabilidad. Estas ventajas permiten a los diseñadores reducir el tamaño, el peso y el coste de los convertidores de potencia, haciéndolos más competitivos, especialmente en segmentos de mercado 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 energía de próxima 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 utilizadas tradicionalmente para la creación de 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 los dispositivos semiconductores de SiC y GaN deben tener en cuenta las frecuencias y tensiones de funcionamiento más elevadas de estos dispositivos.
El desarrollo de herramientas de prueba y medición, como generadores de funciones arbitrarias (AFG), osciloscopios, unidades de medición de fuente (SMU) y analizadores de parámetros, está ayudando a los ingenieros de diseño de potencia a obtener resultados más potentes con mayor rapidez. Esta actualización de equipos les permite afrontar los retos diarios. «Minimizar las pérdidas de conmutación sigue siendo un desafío importante para los ingenieros de equipos de potencia», afirmó Jonathan Tucker, director de Marketing de Fuentes de Alimentación en Teck/Gishili. Estos diseños deben medirse rigurosamente para garantizar la 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 la prueba de doble pulso en semiconductores SiC incluye: un generador de funciones para controlar la rejilla de MOSFET; un osciloscopio y software de análisis para medir VDS e ID. Además de la prueba de doble pulso, es decir, además de 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, trabajar en dispositivos de conversión de energía que cumplan con los estrictos requisitos de diseño de manera rentable.
Estar preparados para certificar equipos en respuesta a los cambios normativos y a las nuevas necesidades tecnológicas de los equipos de usuario final, desde la generación de energía hasta los vehículos eléctricos, permite a las empresas que trabajan en electrónica de potencia centrarse en la innovación de valor añadido y sentar las bases para el crecimiento futuro.
Fecha de publicación: 27 de marzo de 2023