窒化ガリウム（GaN）やシリコンカーバイド（SiC）に代表される第3世代半導体は、その優れた特性により急速に発展してきました。しかし、これらのデバイスの潜在能力を最大限に引き出し、効率と信頼性を最適化するためには、高精度の測定装置と専門的な手法が不可欠です。
炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）に代表される新世代のワイドバンドギャップ（WBG）材料は、ますます広く利用されるようになっています。電気的には、これらの物質はシリコンなどの一般的な半導体材料よりも絶縁体に近い性質を持っています。これらの物質は、シリコンの狭バンドギャップ材料であるがゆえに電気伝導性のリークが著しく、温度、電圧、周波数の上昇に伴って顕著になるというシリコンの限界を克服するために設計されています。このリークの論理的な限界は、制御不能な導電性、つまり半導体の動作不良に相当します。
これら2つのワイドバンドギャップ材料のうち、GaNは主に1kV程度から100A未満の低電力および中電力の実装方式に適しています。GaNの大きな成長分野の一つはLED照明ですが、自動車やRF通信といった他の低電力用途でも成長が見込まれています。一方、SiC関連の技術はGaNよりも発展が進んでおり、電気自動車のトラクションインバータ、送電、大型HVAC機器、産業システムといった高電力用途に適しています。
SiCデバイスは、Si MOSFETよりも高い電圧、高いスイッチング周波数、そして高い温度で動作可能です。これらの条件下では、SiCはより高い性能、効率、電力密度、そして信頼性を備えています。これらの利点は、特に航空、軍事、電気自動車といった収益性の高い市場分野において、電力コンバータのサイズ、重量、コストを削減し、競争力を高める設計に役立っています。
SiC MOSFETは、より小型の部品をベースにした設計でより高いエネルギー効率を実現できるため、次世代電力変換デバイスの開発において重要な役割を果たします。この移行により、エンジニアはパワーエレクトロニクスの開発に従来使用されてきた設計およびテスト手法の一部を見直す必要に迫られています。
厳格なテストの需要が高まっている
SiCおよびGaNデバイスの潜在能力を最大限に引き出すには、スイッチング動作中に効率と信頼性を最適化するための正確な測定が必要です。SiCおよびGaN半導体デバイスのテスト手順では、これらのデバイスのより高い動作周波数と電圧を考慮する必要があります。
任意関数発生器（AFG）、オシロスコープ、ソース測定ユニット（SMU）、パラメータアナライザなどの試験・計測ツールの発達は、電力設計エンジニアがより強力な結果をより迅速に得るのに役立っています。こうした機器のアップグレードは、日々の課題への対応を助けています。「スイッチング損失の最小化は、電力機器エンジニアにとって依然として大きな課題です」と、Teck/Gishiliの電源マーケティング責任者であるジョナサン・タッカー氏は述べています。これらの設計は、一貫性を確保するために厳密に測定する必要があります。重要な測定手法の一つはダブルパルステスト（DPT）と呼ばれ、MOSFETまたはIGBTパワーデバイスのスイッチングパラメータを測定するための標準的な方法です。
SiC半導体のダブルパルステストを実行するためのセットアップには、MOSFETグリッドを駆動するためのファンクションジェネレータ、VDSおよびIDを測定するためのオシロスコープと解析ソフトウェアが含まれます。ダブルパルステスト、つまり回路レベルのテストに加えて、材料レベルのテスト、コンポーネントレベルのテスト、システムレベルのテストがあります。テストツールの革新により、設計エンジニアはライフサイクルのあらゆる段階で、厳しい設計要件をコスト効率よく満たす電力変換デバイスの開発に取り組むことができます。
発電から電気自動車まで、エンドユーザー機器の規制変更や新たな技術ニーズに応じて機器を認証する準備をしておくことで、パワーエレクトロニクスに取り組む企業は付加価値のあるイノベーションに注力し、将来の成長の基盤を築くことができます。
投稿日時: 2023年3月27日