De derde generatie halfgeleiders, vertegenwoordigd door galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC), heeft zich razendsnel ontwikkeld dankzij hun uitstekende eigenschappen. Om de parameters en kenmerken van deze componenten nauwkeurig te meten om hun potentieel te benutten en hun efficiëntie en betrouwbaarheid te optimaliseren, zijn echter zeer nauwkeurige meetapparatuur en professionele methoden vereist.
De nieuwe generatie materialen met een brede bandkloof (WBG), zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), wordt steeds breder gebruikt. Elektrisch gezien lijken deze materialen meer op isolatoren dan silicium en andere typische halfgeleidermaterialen. Deze materialen zijn ontworpen om de beperkingen van silicium te overwinnen, omdat het een materiaal met een smalle bandkloof is en daardoor een slechte elektrische geleidbaarheidslekkage veroorzaakt, die sterker wordt naarmate de temperatuur, spanning of frequentie toenemen. De logische grens voor deze lekkage is ongecontroleerde geleidbaarheid, wat neerkomt op een storing in de werking van de halfgeleider.
Van deze twee materialen met een brede bandgap is GaN voornamelijk geschikt voor implementaties met een laag en gemiddeld vermogen, rond de 1 kV en onder de 100 A. Een belangrijk groeigebied voor GaN is het gebruik ervan in ledverlichting, maar ook in andere toepassingen met een laag vermogen, zoals in de auto-industrie en RF-communicatie. De technologieën rondom SiC zijn daarentegen beter ontwikkeld dan die van GaN en zijn beter geschikt voor toepassingen met een hoger vermogen, zoals tractieomvormers voor elektrische voertuigen, energieoverdracht, grote HVAC-apparatuur en industriële systemen.
SiC-componenten kunnen werken bij hogere spanningen, hogere schakelfrequenties en hogere temperaturen dan Si-MOSFET's. Onder deze omstandigheden presteert SiC beter, is het efficiënter, heeft het een hogere vermogensdichtheid en is het betrouwbaarder. Deze voordelen helpen ontwerpers om de afmetingen, het gewicht en de kosten van vermogensomvormers te verminderen en zo concurrerender te worden, met name in lucratieve marktsegmenten zoals de luchtvaart, militaire toepassingen en elektrische voertuigen.
SiC-MOSFET's spelen een cruciale rol in de ontwikkeling van de volgende generatie vermogensomvormers vanwege hun vermogen om een hogere energie-efficiëntie te bereiken in ontwerpen die gebaseerd zijn op kleinere componenten. Deze verandering vereist ook dat ingenieurs een aantal ontwerp- en testtechnieken herzien die traditioneel werden gebruikt voor de ontwikkeling van vermogenselektronica.
De vraag naar strenge tests groeit
Om het potentieel van SiC- en GaN-componenten volledig te benutten, zijn nauwkeurige metingen tijdens het schakelen vereist om de efficiëntie en betrouwbaarheid te optimaliseren. Testprocedures voor SiC- en GaN-halfgeleidercomponenten moeten rekening houden met de hogere bedrijfsfrequenties en spanningen van deze componenten.
De ontwikkeling van test- en meetinstrumenten, zoals willekeurige functiegeneratoren (AFG's), oscilloscopen, bronmeeteenheden (SMU's) en parameteranalysatoren, helpt ingenieurs in de vermogensbouw sneller tot krachtigere resultaten te komen. Deze upgrade van apparatuur helpt hen om de dagelijkse uitdagingen het hoofd te bieden. "Het minimaliseren van schakelverliezen blijft een grote uitdaging voor ingenieurs in de vermogensbouw", aldus Jonathan Tucker, hoofd Power Supply Marketing bij Teck/Gishili. Deze ontwerpen moeten nauwkeurig worden gemeten om consistentie te garanderen. Een van de belangrijkste meettechnieken is de dubbele pulstest (DPT), de standaardmethode voor het meten van de schakelparameters van MOSFET's of IGBT-voedingen.
De configuratie voor het uitvoeren van een dubbele pulstest voor SiC-halfgeleiders omvat: een functiegenerator voor het aansturen van een MOSFET-rooster; een oscilloscoop en analysesoftware voor het meten van VDS en ID. Naast dubbele pulstesten, dat wil zeggen testen op circuitniveau, zijn er testen op materiaalniveau, componentniveau en systeemniveau. Innovaties in testtools hebben ontwerpingenieurs in alle fasen van de levenscyclus in staat gesteld om te werken aan vermogensomvormers die kosteneffectief aan strenge ontwerpeisen kunnen voldoen.
Bedrijven die zich bezighouden met vermogenselektronica kunnen zich nu voorbereiden op de certificering van apparatuur als reactie op wetswijzigingen en nieuwe technologische behoeften aan eindgebruikersapparatuur, van energieopwekking tot elektrische voertuigen. Hierdoor kunnen ze zich richten op innovatie met toegevoegde waarde en de basis leggen voor toekomstige groei.
Plaatsingstijd: 27-03-2023