De derde generatie halfgeleiders, vertegenwoordigd door galliumnitride (GaN) en siliciumcarbide (SiC), heeft zich snel ontwikkeld dankzij hun uitstekende eigenschappen. Om de parameters en kenmerken van deze materialen echter nauwkeurig te meten, zodat hun potentieel volledig benut kan worden en hun efficiëntie en betrouwbaarheid geoptimaliseerd kunnen worden, zijn zeer precieze meetapparatuur en professionele methoden nodig.
De nieuwe generatie materialen met een brede bandkloof (WBG), zoals siliciumcarbide (SiC) en galliumnitride (GaN), wordt steeds vaker gebruikt. Elektrisch gezien zijn deze materialen meer isolatoren dan silicium en andere gangbare halfgeleidermaterialen. Deze materialen zijn ontworpen om de beperkingen van silicium te overwinnen, omdat silicium een smalle bandkloof heeft en daardoor een slechte lekstroom vertoont. Deze lekstroom wordt sterker naarmate de temperatuur, spanning of frequentie toeneemt. De logische grens van deze lekstroom is ongecontroleerde geleidbaarheid, wat neerkomt op een storing in de werking van de halfgeleider.
Van deze twee materialen met een brede bandgap is GaN vooral geschikt voor toepassingen 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 het wint ook aan populariteit in andere toepassingen met een laag vermogen, zoals in de automobielindustrie en RF-communicatie. De technologieën rondom SiC zijn daarentegen beter ontwikkeld dan die rondom 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 biedt SiC betere prestaties, efficiëntie, vermogensdichtheid en betrouwbaarheid. Deze voordelen helpen ontwerpers om de omvang, het gewicht en de kosten van vermogensomvormers te verlagen, waardoor ze concurrerender worden, met name in lucratieve marktsegmenten zoals de luchtvaart, defensie en elektrische voertuigen.
SiC MOSFETs spelen een cruciale rol in de ontwikkeling van de volgende generatie vermogensomzettingsapparaten vanwege hun vermogen om een hogere energie-efficiëntie te bereiken in ontwerpen met kleinere componenten. Deze verschuiving vereist ook dat ingenieurs enkele van de ontwerp- en testtechnieken die traditioneel worden gebruikt bij de ontwikkeling van vermogenselektronica, herzien.
De vraag naar strenge tests neemt toe.
Om het volledige potentieel van SiC- en GaN-componenten 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 werkfrequenties en -spanningen van deze componenten.
De ontwikkeling van test- en meetinstrumenten, zoals willekeurige functiegeneratoren (AFG's), oscilloscopen, source measurement unit (SMU)-instrumenten en parameteranalysatoren, helpt elektrotechnici sneller krachtigere resultaten te behalen. Deze verbetering van de apparatuur helpt hen om de dagelijkse uitdagingen het hoofd te bieden. "Het minimaliseren van schakelverliezen blijft een grote uitdaging voor elektrotechnici", 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-vermogenscomponenten.
De opstelling voor het uitvoeren van een dubbele-pulstest op SiC-halfgeleiders omvat: een functiegenerator om de MOSFET-grid aan te sturen; een oscilloscoop en analysesoftware voor het meten van VDS en ID. Naast de dubbele-pulstest, oftewel naast testen op circuitniveau, zijn er ook testen op materiaalniveau, componentniveau en systeemniveau. Innovaties in testtools hebben het voor ontwerpers in alle fasen van de levenscyclus mogelijk gemaakt om te werken aan vermogensomzettingscomponenten die kosteneffectief voldoen aan strenge ontwerpeisen.
Door voorbereid te zijn op het certificeren van apparatuur als reactie op wetswijzigingen en nieuwe technologische behoeften voor eindgebruikers, van energieopwekking tot elektrische voertuigen, kunnen bedrijven die zich bezighouden met vermogenselektronica zich richten op waardetoevoegende innovatie en de basis leggen voor toekomstige groei.
Geplaatst op: 27 maart 2023