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 appieno il potenziale e ottimizzarne l'efficienza e l'affidabilità, sono necessarie apparecchiature di misura di alta precisione e metodi professionali.
La nuova generazione di materiali a banda proibita ampia (WBG), rappresentata dal carburo di silicio (SiC) e dal nitruro di gallio (GaN), sta trovando sempre più impiego. Dal punto di vista elettrico, queste sostanze sono più simili agli isolanti rispetto al silicio e ad altri materiali semiconduttori tradizionali. Sono state progettate per superare i limiti del silicio, che è un materiale a banda proibita stretta e presenta quindi una scarsa dispersione di conduttività elettrica, che diventa più pronunciata all'aumentare della temperatura, della tensione o della frequenza. Il limite logico di questa dispersione è una conduttività incontrollata, equivalente a un guasto operativo del semiconduttore.
Tra questi due materiali a banda proibita ampia, il GaN è principalmente adatto per applicazioni a bassa e media potenza, intorno a 1 kV e al di sotto di 100 A. Un settore in forte crescita per il GaN è l'illuminazione a LED, ma sta trovando impiego anche in altre applicazioni a bassa potenza come il settore automobilistico e le comunicazioni RF. Al contrario, le tecnologie relative al SiC sono più sviluppate rispetto a quelle del GaN e sono più adatte ad applicazioni ad alta potenza come gli inverter di trazione per veicoli elettrici, la trasmissione di potenza, le grandi apparecchiature HVAC e i sistemi industriali.
I dispositivi SiC sono in grado di funzionare a tensioni, frequenze di commutazione e temperature più elevate rispetto ai MOSFET al silicio. In queste condizioni, il SiC offre prestazioni, efficienza, densità di potenza e affidabilità superiori. Questi vantaggi consentono ai progettisti di ridurre le dimensioni, il peso e il costo dei convertitori di potenza, rendendoli più competitivi, soprattutto in segmenti di mercato redditizi come quello aeronautico, militare e dei veicoli elettrici.
I MOSFET al carburo di silicio (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 rivedere alcune delle tecniche di progettazione e collaudo tradizionalmente utilizzate per la creazione di dispositivi di elettronica di potenza.
La richiesta di test rigorosi è in aumento
Per sfruttare appieno il potenziale dei dispositivi SiC e GaN, sono necessarie misurazioni precise durante il funzionamento in commutazione al fine di ottimizzare efficienza e affidabilità. Le procedure di test 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 misurazione, come generatori di funzioni arbitrarie (AFG), oscilloscopi, unità di misura di sorgente (SMU) e analizzatori di parametri, sta aiutando gli ingegneri progettisti di sistemi di potenza a ottenere risultati più potenti in tempi più rapidi. Questo aggiornamento delle apparecchiature li aiuta ad affrontare le sfide quotidiane. "Minimizzare le perdite di commutazione rimane una sfida importante per gli ingegneri di apparecchiature di potenza", ha affermato Jonathan Tucker, responsabile marketing per gli alimentatori di Teck/Gishili. Questi progetti devono essere misurati rigorosamente per garantirne la coerenza. Una delle tecniche di misurazione 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 comprende: un generatore di funzioni per pilotare la griglia dei MOSFET; un oscilloscopio e un software di analisi per la misurazione di VDS e ID. Oltre al test a doppio impulso, ovvero oltre al test a livello di circuito, esistono test a livello di materiale, a livello di componente e a livello di sistema. Le innovazioni negli strumenti di test hanno permesso ai progettisti, in tutte le fasi del ciclo di vita, di lavorare a 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 per le apparecchiature destinate agli utenti finali, dalla generazione di energia ai veicoli elettrici, consente alle aziende che operano nel settore dell'elettronica di potenza di concentrarsi sull'innovazione a valore aggiunto e di gettare le basi per la crescita futura.
Data di pubblicazione: 27 marzo 2023