La troisième génération de semi-conducteurs, représentée par le nitrure de gallium (GaN) et le carbure de silicium (SiC), a connu un développement rapide grâce à ses excellentes propriétés. Cependant, mesurer avec précision les paramètres et les caractéristiques de ces dispositifs afin d'exploiter leur potentiel et d'optimiser leur efficacité et leur fiabilité nécessite des équipements de mesure de haute précision et des méthodes professionnelles.
La nouvelle génération de matériaux à large bande interdite (WBG), représentée par le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), est de plus en plus utilisée. Électriquement, ces substances sont plus proches des isolants que le silicium et d'autres matériaux semi-conducteurs classiques. Ces substances sont conçues pour surmonter les limites du silicium, car ce matériau à bande interdite étroite provoque une faible fuite de conductivité électrique, qui s'accentue avec l'augmentation de la température, de la tension ou de la fréquence. La limite logique à cette fuite est une conductivité incontrôlée, équivalente à une défaillance du semi-conducteur.
Parmi ces deux matériaux à large bande interdite, le GaN est principalement adapté aux applications à faible et moyenne puissance, autour de 1 kV et inférieures à 100 A. L'un des principaux domaines de croissance du GaN est son utilisation dans l'éclairage LED, mais aussi dans d'autres applications à faible puissance comme l'automobile et les communications RF. En revanche, les technologies autour du SiC sont plus développées que celles du GaN et mieux adaptées aux applications à plus forte puissance, telles que les onduleurs de traction pour véhicules électriques, la transmission de puissance, les grands équipements CVC et les systèmes industriels.
Les composants SiC sont capables de fonctionner à des tensions, des fréquences de commutation et des températures plus élevées que les MOSFET Si. Dans ces conditions, le SiC offre des performances, un rendement, une densité de puissance et une fiabilité supérieurs. Ces avantages aident les concepteurs à réduire la taille, le poids et le coût des convertisseurs de puissance afin de les rendre plus compétitifs, notamment sur des segments de marché lucratifs comme l'aviation, l'armée et les véhicules électriques.
Les MOSFET SiC jouent un rôle crucial dans le développement des dispositifs de conversion de puissance de nouvelle génération, car ils permettent d'obtenir une meilleure efficacité énergétique grâce à des conceptions basées sur des composants plus petits. Cette évolution exige également des ingénieurs qu'ils revoient certaines techniques de conception et de test traditionnellement utilisées pour créer de l'électronique de puissance.
La demande de tests rigoureux augmente
Pour exploiter pleinement le potentiel des dispositifs SiC et GaN, des mesures précises sont nécessaires lors des opérations de commutation afin d'optimiser l'efficacité et la fiabilité. Les procédures de test des dispositifs semi-conducteurs SiC et GaN doivent tenir compte des fréquences et tensions de fonctionnement plus élevées de ces dispositifs.
Le développement d'outils de test et de mesure, tels que les générateurs de fonctions arbitraires (AFG), les oscilloscopes, les unités de mesure de source (SMU) et les analyseurs de paramètres, permet aux ingénieurs concepteurs d'énergie d'obtenir des résultats plus performants plus rapidement. Cette modernisation des équipements les aide à relever les défis quotidiens. « Minimiser les pertes de commutation reste un défi majeur pour les ingénieurs en équipements d'énergie », a déclaré Jonathan Tucker, responsable du marketing des alimentations chez Teck/Gishili. Ces conceptions doivent être rigoureusement mesurées pour garantir leur cohérence. L'une des principales techniques de mesure est le test à double impulsion (DPT), méthode standard pour mesurer les paramètres de commutation des MOSFET ou des IGBT.
Le dispositif de test à double impulsion des semi-conducteurs SiC comprend : un générateur de fonctions pour piloter la grille MOSFET ; un oscilloscope et un logiciel d'analyse pour mesurer les valeurs VDS et ID. Outre les tests à double impulsion, c'est-à-dire au niveau du circuit, il existe des tests au niveau du matériau, au niveau des composants et au niveau du système. Les innovations en matière d'outils de test ont permis aux ingénieurs concepteurs, à toutes les étapes du cycle de vie, de concevoir des dispositifs de conversion de puissance capables de répondre à des exigences de conception strictes et rentables.
Être prêt à certifier les équipements en réponse aux changements réglementaires et aux nouveaux besoins technologiques des équipements destinés aux utilisateurs finaux, de la production d'électricité aux véhicules électriques, permet aux entreprises travaillant sur l'électronique de puissance de se concentrer sur l'innovation à valeur ajoutée et de jeter les bases de la croissance future.
Date de publication : 27 mars 2023