La terza generazione di semiconduttori, rappresentata dal nitruro di gallio (GaN) e dal carburo di silicio (SiC), si è sviluppata rapidamente grazie alle sue eccellenti proprietà. Tuttavia, per misurare con precisione i parametri e le caratteristiche di questi dispositivi al fine di sfruttarne il potenziale e ottimizzarne l'efficienza e l'affidabilità, sono necessari strumenti di misura ad alta precisione e metodi professionali.
La nuova generazione di materiali a banda larga (WBG), rappresentata dal carburo di silicio (SiC) e dal nitruro di gallio (GaN), sta diventando sempre più diffusa. Dal punto di vista elettrico, queste sostanze sono più vicine agli isolanti rispetto al silicio e ad altri tipici materiali semiconduttori. Queste sostanze sono progettate per superare i limiti del silicio, poiché è un materiale a banda stretta e quindi causa una scarsa dispersione di conduttività elettrica, che diventa più pronunciata all'aumentare di temperatura, tensione o frequenza. Il limite logico a questa dispersione è la conduttività incontrollata, equivalente a un guasto operativo del semiconduttore.
Tra questi due materiali ad ampio band gap, il GaN è principalmente adatto a schemi di implementazione a bassa e media potenza, intorno a 1 kV e inferiori a 100 A. Un'area di significativa crescita per il GaN è il suo utilizzo nell'illuminazione a LED, ma sta crescendo anche in altri settori a bassa potenza come l'automotive e le comunicazioni a radiofrequenza. Al contrario, le tecnologie che ruotano attorno al SiC sono più sviluppate rispetto al GaN e sono più adatte ad applicazioni ad alta potenza come gli inverter per la trazione di veicoli elettrici, la trasmissione di potenza, le grandi apparecchiature HVAC e i sistemi industriali.
I dispositivi SiC sono in grado di funzionare a tensioni più elevate, frequenze di commutazione più elevate e temperature più elevate rispetto ai MOSFET al Si. In queste condizioni, il SiC offre prestazioni, efficienza, densità di potenza e affidabilità superiori. Questi vantaggi stanno aiutando i progettisti a ridurre le dimensioni, il peso e il costo dei convertitori di potenza, rendendoli più competitivi, soprattutto in segmenti di mercato redditizi come l'aviazione, il settore militare e i veicoli elettrici.
I MOSFET SiC svolgono un ruolo cruciale nello sviluppo di dispositivi di conversione di potenza di nuova generazione grazie alla loro capacità di raggiungere una maggiore efficienza energetica in progetti basati su componenti più piccoli. Questo cambiamento richiede inoltre agli ingegneri di rivisitare alcune delle tecniche di progettazione e collaudo tradizionalmente utilizzate per creare dispositivi elettronici di potenza.
La richiesta di test rigorosi è in crescita
Per sfruttare appieno il potenziale dei dispositivi SiC e GaN, sono necessarie misurazioni precise durante le operazioni di commutazione per ottimizzare l'efficienza e l'affidabilità. Le procedure di collaudo per i dispositivi a semiconduttore SiC e GaN devono tenere conto delle frequenze e delle tensioni operative più elevate di questi dispositivi.
Lo sviluppo di strumenti di test e misura, come generatori di funzioni arbitrarie (AFG), oscilloscopi, strumenti di misura della sorgente (SMU) e analizzatori di parametri, sta aiutando i progettisti di apparecchiature di potenza a ottenere risultati più efficaci in tempi più rapidi. Questo aggiornamento delle apparecchiature li aiuta ad affrontare le sfide quotidiane. "Ridurre al minimo le perdite di commutazione rimane una sfida importante per i progettisti di apparecchiature di potenza", ha affermato Jonathan Tucker, responsabile del marketing degli alimentatori di Teck/Gishili. Questi progetti devono essere misurati rigorosamente per garantirne la coerenza. Una delle tecniche di misura chiave è il test a doppio impulso (DPT), che è il metodo standard per misurare i parametri di commutazione dei dispositivi di potenza MOSFET o IGBT.
La configurazione per eseguire il test a doppio impulso sui semiconduttori SiC include: generatore di funzioni per pilotare la griglia dei MOSFET; oscilloscopio e software di analisi per la misurazione di VDS e ID. Oltre al test a doppio impulso, ovvero oltre al test a livello di circuito, sono disponibili test a livello di materiale, di componente e di sistema. Le innovazioni negli strumenti di test hanno consentito ai progettisti, in tutte le fasi del ciclo di vita, di lavorare su dispositivi di conversione di potenza in grado di soddisfare rigorosi requisiti di progettazione in modo economicamente vantaggioso.
Essere preparati a certificare le apparecchiature in risposta ai cambiamenti normativi e alle nuove esigenze tecnologiche delle apparecchiature degli utenti finali, dalla produzione di energia ai veicoli elettrici, consente alle aziende che lavorano nel settore dell'elettronica di potenza di concentrarsi sull'innovazione a valore aggiunto e di gettare le basi per una crescita futura.
Data di pubblicazione: 27 marzo 2023