Den tredje generasjonen halvledere, representert av galliumnitrid (GaN) og silisiumkarbid (SiC), har blitt raskt utviklet på grunn av deres utmerkede egenskaper. Det krever imidlertid høypresisjonsmåleutstyr og profesjonelle metoder å måle parametrene og egenskapene til disse enhetene nøyaktig for å utnytte potensialet deres og optimalisere effektiviteten og påliteligheten.
Den nye generasjonen av materialer med bredt båndgap (WBG), representert av silisiumkarbid (SiC) og galliumnitrid (GaN), blir stadig mer utbredt. Elektrisk sett er disse stoffene nærmere isolatorer enn silisium og andre typiske halvledermaterialer. Disse stoffene er utviklet for å overvinne begrensningene til silisium fordi det er et materiale med smalt båndgap og derfor forårsaker dårlig lekkasje av elektrisk ledningsevne, som blir mer uttalt når temperatur, spenning eller frekvens øker. Den logiske grensen for denne lekkasjen er ukontrollert ledningsevne, tilsvarende en driftsfeil i en halvleder.
Av disse to materialene med bredt båndgap er GaN hovedsakelig egnet for implementeringssystemer med lav og middels effekt, rundt 1 kV og under 100 A. Et betydelig vekstområde for GaN er bruken i LED-belysning, men også vekst i andre laveffektsapplikasjoner som bilindustri og RF-kommunikasjon. I motsetning til dette er teknologiene rundt SiC bedre utviklet enn GaN og er bedre egnet for applikasjoner med høyere effekt, som omformere for elektriske kjøretøy, kraftoverføring, stort HVAC-utstyr og industrielle systemer.
SiC-enheter kan operere ved høyere spenninger, høyere koblingsfrekvenser og høyere temperaturer enn Si MOSFET-er. Under disse forholdene har SiC høyere ytelse, effektivitet, effekttetthet og pålitelighet. Disse fordelene hjelper designere med å redusere størrelsen, vekten og kostnadene til effektomformere for å gjøre dem mer konkurransedyktige, spesielt i lukrative markedssegmenter som luftfart, militær og elektriske kjøretøy.
SiC MOSFET-er spiller en avgjørende rolle i utviklingen av neste generasjons kraftomformingsenheter på grunn av deres evne til å oppnå større energieffektivitet i design basert på mindre komponenter. Endringen krever også at ingeniører revurderer noen av design- og testteknikkene som tradisjonelt brukes til å lage kraftelektronikk.
Etterspørselen etter grundig testing øker
For å fullt ut realisere potensialet til SiC- og GaN-enheter, kreves det nøyaktige målinger under svitsjeoperasjonen for å optimalisere effektivitet og pålitelighet. Testprosedyrer for SiC- og GaN-halvlederenheter må ta hensyn til de høyere driftsfrekvensene og spenningene til disse enhetene.
Utviklingen av test- og måleverktøy, som vilkårlige funksjonsgeneratorer (AFG-er), oscilloskop, SMU-instrumenter (Source Measurement Unit) og parameteranalysatorer, hjelper kraftdesigningeniører med å oppnå kraftigere resultater raskere. Denne oppgraderingen av utstyr hjelper dem med å takle daglige utfordringer. «Å minimere svitsjetap er fortsatt en stor utfordring for kraftutstyrsingeniører», sa Jonathan Tucker, leder for Power Supply Marketing hos Teck/Gishili. Disse designene må måles grundig for å sikre konsistens. En av de viktigste måleteknikkene kalles dobbelpulstest (DPT), som er standardmetoden for å måle svitsjeparametrene til MOSFET-er eller IGBT-kraftenheter.
Oppsettet for å utføre dobbeltpulstesting av SiC-halvledere inkluderer: funksjonsgenerator for å drive MOSFET-nett; oscilloskop og analyseprogramvare for måling av VDS og ID. I tillegg til dobbeltpulstesting, det vil si at i tillegg til testing på kretsnivå, finnes det testing på materialnivå, komponentnivå og systemnivå. Innovasjoner innen testverktøy har gjort det mulig for designingeniører i alle stadier av livssyklusen å jobbe mot effektomformingsenheter som kan oppfylle strenge designkrav kostnadseffektivt.
Å være forberedt på å sertifisere utstyr som svar på endringer i regelverket og nye teknologiske behov for sluttbrukerutstyr, fra kraftproduksjon til elektriske kjøretøy, lar selskaper som jobber med kraftelektronikk fokusere på verdiskapende innovasjon og legge grunnlaget for fremtidig vekst.
Publisert: 27. mars 2023