窒化ガリウム（GaN）や炭化ケイ素（SiC）に代表される第三世代半導体は、その優れた特性により急速に発展してきた。しかし、これらのデバイスの潜在能力を引き出し、効率と信頼性を最適化するためには、そのパラメータや特性を正確に測定する高精度な測定機器と専門的な手法が必要となる。
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る。電気的には、これらの物質はシリコンやその他の一般的な半導体材料よりも絶縁体に近い性質を持つ。これらの物質は、シリコンが狭バンドギャップ材料であるため、電気伝導率が低く、温度、電圧、周波数の上昇に伴ってその影響が顕著になるというシリコンの限界を克服するために開発された。この漏洩電流の論理的な限界は、制御不能な伝導率、すなわち半導体の動作不良に相当する。
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前後、100A以下の低～中電力用途に適しています。GaNの大きな成長分野の一つはLED照明への利用ですが、自動車やRF通信などの他の低電力用途でも成長が見込まれています。一方、SiC関連技術はGaNよりも発展しており、電気自動車のトラクションインバータ、送電、大型HVAC機器、産業システムなどの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、および高い温度での動作が可能です。これらの条件下では、SiCはより高い性能、効率、電力密度、および信頼性を発揮します。これらの利点により、設計者は電力変換器のサイズ、重量、およびコストを削減し、特に航空、軍事、電気自動車などの収益性の高い市場セグメントにおいて、より競争力のある製品を開発することができます。
SiC MOSFETは、より小型の部品を用いた設計において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極めて重要な役割を果たします。この変化に伴い、エンジニアは従来パワーエレクトロニクスの開発に用いられてきた設計および試験手法の一部を見直す必要に迫られています。
厳格な検査に対する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精密な測定を行い、効率と信頼性を最適化する必要があります。SiCおよびGaN半導体デバイスの試験手順では、これらのデバイスの高い動作周波数と電圧を考慮しなければなりません。
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) 機器、パラメータアナライザなどのテストおよび測定ツールの開発により、電力設計エンジニアはより強力な結果をより迅速に達成できるようになっています。この機器のアップグレードにより、日々の課題に対処できるようになっています。「スイッチング損失を最小限に抑えることは、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 の電力供給マーケティング責任者である Jonathan Tucker 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。主要な測定技術の 1 つは、ダブルパルス テスト (DPT) と呼ばれ、これは 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標準的な方法です。
SiC半導体ダブルパルス試験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ファンクションジェネレータ、VDSと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。ダブルパルス試験、つまり回路レベルの試験に加えて、材料レベルの試験、コンポーネントレベルの試験、システムレベルの試験があります。試験ツールの革新により、ライフサイクルのすべての段階の設計エンジニアは、厳しい設計要件をコスト効率よく満たすことができる電力変換デバイスの開発に取り組むことができるようになりました。
発電から電気自動車に至るまで、エンドユーザー機器の規制変更や新たな技術的ニーズに対応して機器の認証を行う準備を整えておくことで、パワーエレクトロニクスに取り組む企業は付加価値の高いイノベーションに集中し、将来の成長の基盤を築くことができる。
投稿日時：2023年3月27日