Kuinka mitata tarkasti SiC- ja GaN-laitteita potentiaalin hyödyntämiseksi, tehokkuuden ja luotettavuuden optimoimiseksi

Kolmannen sukupolven puolijohteet, joita edustavat galliumnitridi (GaN) ja piikarbidi (SiC), ovat kehittyneet nopeasti erinomaisten ominaisuuksiensa ansiosta. Näiden laitteiden parametrien ja ominaisuuksien tarkka mittaaminen niiden potentiaalin hyödyntämiseksi ja tehokkuuden ja luotettavuuden optimoimiseksi vaatii kuitenkin erittäin tarkkoja mittauslaitteita ja ammattimaisia ​​menetelmiä.

Uuden sukupolven laajan kaistanleveyden omaavia materiaaleja, joita edustavat piikarbidi (SiC) ja galliumnitridi (GaN), käytetään yhä laajemmin. Sähköisesti nämä aineet ovat lähempänä eristeitä kuin pii ja muut tyypilliset puolijohdemateriaalit. Nämä aineet on suunniteltu voittamaan piin rajoitukset, koska se on kapea kaistanleveyden omaava materiaali ja aiheuttaa siksi huonoa sähkönjohtavuuden vuotoa, joka korostuu lämpötilan, jännitteen tai taajuuden kasvaessa. Tämän vuodon looginen raja on hallitsematon johtavuus, joka vastaa puolijohteen toimintahäiriötä.

Näistä kahdesta laajakaistaisesta materiaalista GaN soveltuu pääasiassa pienitehoisiin ja keskitehoisiin toteutusjärjestelmiin, noin 1 kV ja alle 100 A. Yksi merkittävä GaN:n kasvualue on sen käyttö LED-valaistuksessa, mutta se kasvaa myös muissa pienitehoisissa käyttökohteissa, kuten autoteollisuudessa ja radiotaajuusviestinnässä. Sitä vastoin piikarbidin ympärillä olevat teknologiat ovat kehittyneempiä kuin GaN ja sopivat paremmin suuritehoisempiin sovelluksiin, kuten sähköajoneuvojen vetoinverttereihin, voimansiirtoon, suuriin LVI-laitteisiin ja teollisuusjärjestelmiin.

Piikarbidikomponentit pystyvät toimimaan korkeammilla jännitteillä, korkeammilla kytkentätaajuuksilla ja korkeammissa lämpötiloissa kuin piikarbidi-MOSFETit. Näissä olosuhteissa piikarbidilla on parempi suorituskyky, hyötysuhde, tehotiheys ja luotettavuus. Nämä edut auttavat suunnittelijoita pienentämään tehomuuntimien kokoa, painoa ja kustannuksia, mikä tekee niistä kilpailukykyisempiä, erityisesti tuottoisissa markkinasegmenteissä, kuten ilmailussa, sotilasalalla ja sähköajoneuvoissa.

SiC-MOSFETeillä on ratkaiseva rooli seuraavan sukupolven tehomuunnoslaitteiden kehityksessä, koska ne pystyvät saavuttamaan paremman energiatehokkuuden pienempiin komponentteihin perustuvissa malleissa. Muutos edellyttää myös insinööreiltä joidenkin perinteisesti tehoelektroniikan luomisessa käytettyjen suunnittelu- ja testaustekniikoiden uudelleentarkastelua.

Vahvojen testausmenetelmien kysyntä kasvaa

SiC- ja GaN-puolijohdekomponenttien täyden potentiaalin hyödyntämiseksi tarvitaan tarkkoja mittauksia kytkentäoperaation aikana tehokkuuden ja luotettavuuden optimoimiseksi. SiC- ja GaN-puolijohdekomponenttien testausmenetelmissä on otettava huomioon näiden laitteiden korkeammat toimintataajuudet ja -jännitteet.

Testaus- ja mittaustyökalujen, kuten mielivaltaisten funktioiden generaattoreiden (AFG), oskilloskooppien, lähteen mittausyksiköiden (SMU) ja parametrianalysaattoreiden, kehitys auttaa tehosuunnitteluinsinöörejä saavuttamaan tehokkaampia tuloksia nopeammin. Laitteiden päivittäminen auttaa heitä selviytymään päivittäisistä haasteista. "Kytkentähäviöiden minimointi on edelleen suuri haaste teholaiteinsinööreille", sanoo Jonathan Tucker, Teck/Gishilin virtalähdemarkkinoinnin johtaja. Näitä suunnitelmia on mitattava tarkasti johdonmukaisuuden varmistamiseksi. Yksi keskeisistä mittaustekniikoista on nimeltään kaksoispulssitesti (DPT), joka on MOSFET- tai IGBT-teholaitteiden kytkentäparametrien mittaamisen standardimenetelmä.

SiC-puolijohteiden kaksoispulssitestien kokoonpanoon kuuluvat: funktiogeneraattori MOSFET-verkon ohjaamiseen; oskilloskooppi ja analyysiohjelmisto VDS:n ja ID:n mittaamiseen. Kaksoispulssitestien eli piiritason testausten lisäksi on olemassa materiaalitason testauksia, komponenttitason testauksia ja järjestelmätason testauksia. Testaustyökalujen innovaatiot ovat mahdollistaneet suunnitteluinsinöörien työskentelyn elinkaaren kaikissa vaiheissa sellaisten tehomuunnoslaitteiden parissa, jotka täyttävät tiukat suunnitteluvaatimukset kustannustehokkaasti.

Valmius sertifioida laitteita vastauksena sääntelymuutoksiin ja loppukäyttäjien laitteiden uusiin teknologisiin tarpeisiin, aina sähköntuotannosta sähköajoneuvoihin, antaa tehoelektroniikan parissa työskenteleville yrityksille mahdollisuuden keskittyä lisäarvoa tuottavaan innovaatioon ja luoda pohjaa tulevalle kasvulle.