A terceira xeración de semicondutores, representada polo nitruro de galio (GaN) e o carburo de silicio (SiC), desenvolveuse rapidamente debido ás súas excelentes propiedades. Non obstante, a forma de medir con precisión os parámetros e as características destes dispositivos para aproveitar o seu potencial e optimizar a súa eficiencia e fiabilidade require equipos de medición de alta precisión e métodos profesionais.
A nova xeración de materiais con banda prohibida estreita (WBG), representados polo carburo de silicio (SiC) e o nitruro de galio (GaN), son cada vez máis empregados. Electricamente, estas substancias son máis próximas aos illantes que o silicio e outros materiais semicondutores típicos. Estas substancias están deseñadas para superar as limitacións do silicio porque é un material con banda prohibida estreita e, polo tanto, provoca unha mala fuga de condutividade eléctrica, que se fai máis pronunciada a medida que aumenta a temperatura, a voltaxe ou a frecuencia. O límite lóxico desta fuga é a condutividade incontrolada, equivalente a un fallo de funcionamento do semicondutor.
Destes dous materiais de banda ancha, o GaN é axeitado principalmente para esquemas de implementación de baixa e media potencia, arredor de 1 kV e por debaixo de 100 A. Unha área de crecemento significativa para o GaN é o seu uso na iluminación LED, pero tamén está a medrar noutros usos de baixa potencia, como a automoción e as comunicacións por radiofrecuencia. Pola contra, as tecnoloxías que rodean o SiC están mellor desenvolvidas que as do GaN e son máis axeitadas para aplicacións de maior potencia, como inversores de tracción de vehículos eléctricos, transmisión de enerxía, grandes equipos de climatización e sistemas industriais.
Os dispositivos de SiC son capaces de funcionar a voltaxes, frecuencias de conmutación e temperaturas máis altas que os MOSFET de Si. Nestas condicións, o SiC ten un maior rendemento, eficiencia, densidade de potencia e fiabilidade. Estas vantaxes axudan aos deseñadores a reducir o tamaño, o peso e o custo dos convertidores de potencia para facelos máis competitivos, especialmente en segmentos de mercado lucrativos como a aviación, o exército e os vehículos eléctricos.
Os MOSFET de SiC desempeñan un papel crucial no desenvolvemento de dispositivos de conversión de enerxía de próxima xeración debido á súa capacidade para lograr unha maior eficiencia enerxética en deseños baseados en compoñentes máis pequenos. O cambio tamén require que os enxeñeiros revisen algunhas das técnicas de deseño e probas que tradicionalmente se empregan para crear electrónica de potencia.
A demanda de probas rigorosas está a medrar
Para aproveitar plenamente o potencial dos dispositivos de SiC e GaN, requírense medicións precisas durante a operación de conmutación para optimizar a eficiencia e a fiabilidade. Os procedementos de proba para os dispositivos semicondutores de SiC e GaN deben ter en conta as frecuencias e voltaxes de funcionamento máis elevadas destes dispositivos.
O desenvolvemento de ferramentas de proba e medición, como xeradores de funcións arbitrarias (AFG), osciloscopios, instrumentos de unidades de medición de fontes (SMU) e analizadores de parámetros, está a axudar aos enxeñeiros de deseño de enerxía a obter resultados máis potentes con maior rapidez. Esta actualización dos equipos está a axudalos a afrontar os desafíos diarios. «Minimizar as perdas de conmutación segue a ser un reto importante para os enxeñeiros de equipos de enerxía», afirmou Jonathan Tucker, xefe de mercadotecnia de subministración de enerxía en Teck/Gishili. Estes deseños deben medirse rigorosamente para garantir a consistencia. Unha das técnicas de medición clave chámase proba de dobre pulso (DPT), que é o método estándar para medir os parámetros de conmutación dos dispositivos de enerxía MOSFET ou IGBT.
A configuración para realizar probas de dobre pulso de semicondutores de SiC inclúe: xerador de funcións para controlar a grella MOSFET; osciloscopio e software de análise para medir a VDS e o ID. Ademais das probas de dobre pulso, é dicir, ademais das probas a nivel de circuíto, hai probas a nivel de material, probas a nivel de compoñente e probas a nivel de sistema. As innovacións nas ferramentas de proba permitiron aos enxeñeiros de deseño en todas as etapas do ciclo de vida traballar para crear dispositivos de conversión de enerxía que poidan cumprir requisitos de deseño rigorosos de forma rendible.
Estar preparado para certificar equipos en resposta aos cambios regulatorios e ás novas necesidades tecnolóxicas para os equipos do usuario final, desde a xeración de enerxía ata os vehículos eléctricos, permite ás empresas que traballan en electrónica de potencia centrarse na innovación de valor engadido e sentar as bases para o crecemento futuro.
Data de publicación: 27 de marzo de 2023