A terceira geração de semicondutores, representada pelo nitreto de gálio (GaN) e pelo carbeto de silício (SiC), tem se desenvolvido rapidamente devido às suas excelentes propriedades. No entanto, a medição precisa dos parâmetros e características desses dispositivos, necessária para explorar seu potencial e otimizar sua eficiência e confiabilidade, exige equipamentos de medição de alta precisão e métodos especializados.
A nova geração de materiais de banda proibida larga (WBG, do inglês Wide Band Gap), representada pelo carbeto de silício (SiC) e pelo nitreto de gálio (GaN), está se tornando cada vez mais utilizada. Eletricamente, essas substâncias se assemelham mais a isolantes do que o silício e outros materiais semicondutores típicos. Elas são projetadas para superar as limitações do silício, que possui uma banda proibida estreita e, portanto, apresenta baixa condutividade de fuga, que se torna mais pronunciada com o aumento da temperatura, da tensão ou da frequência. O limite lógico dessa fuga é a condutividade descontrolada, equivalente a uma falha operacional do semicondutor.
Desses dois materiais de banda proibida larga, o GaN é principalmente adequado para esquemas de implementação de baixa e média potência, em torno de 1 kV e abaixo de 100 A. Uma área de crescimento significativa para o GaN é seu uso em iluminação LED, mas também está crescendo em outros usos de baixa potência, como automotivo e comunicações de radiofrequência. Em contraste, as tecnologias em torno do SiC são mais desenvolvidas do que as do GaN e são mais adequadas para aplicações de maior potência, como inversores de tração para veículos elétricos, transmissão de energia, grandes equipamentos de HVAC e sistemas industriais.
Os dispositivos de SiC são capazes de operar em tensões mais altas, frequências de comutação mais altas e temperaturas mais altas do que os MOSFETs de Si. Nessas condições, o SiC apresenta maior desempenho, eficiência, densidade de potência e confiabilidade. Essas vantagens estão ajudando os projetistas a reduzir o tamanho, o peso e o custo dos conversores de potência, tornando-os mais competitivos, especialmente em segmentos de mercado lucrativos, como aviação, setor militar e veículos elétricos.
Os MOSFETs de SiC desempenham um papel crucial no desenvolvimento de dispositivos de conversão de energia de próxima geração, devido à sua capacidade de alcançar maior eficiência energética em projetos baseados em componentes menores. Essa mudança também exige que os engenheiros revisitem algumas das técnicas de projeto e teste tradicionalmente usadas para criar eletrônica de potência.
A demanda por testes rigorosos está crescendo.
Para explorar plenamente o potencial dos dispositivos de SiC e GaN, são necessárias medições precisas durante a operação de comutação para otimizar a eficiência e a confiabilidade. Os procedimentos de teste para dispositivos semicondutores de SiC e GaN devem levar em consideração as frequências e tensões de operação mais elevadas desses dispositivos.
O desenvolvimento de ferramentas de teste e medição, como geradores de funções arbitrárias (AFGs), osciloscópios, unidades de medição de fonte (SMUs) e analisadores de parâmetros, está ajudando os engenheiros de projeto de sistemas de potência a obter resultados mais robustos com maior rapidez. Essa modernização dos equipamentos os auxilia a lidar com os desafios diários. "Minimizar as perdas de comutação continua sendo um grande desafio para os engenheiros de equipamentos de potência", afirmou Jonathan Tucker, chefe de Marketing de Fontes de Alimentação da Teck/Gishili. Esses projetos devem ser rigorosamente medidos para garantir a consistência. Uma das principais técnicas de medição é o teste de pulso duplo (DPT), método padrão para medir os parâmetros de comutação de MOSFETs ou IGBTs.
A configuração para realizar o teste de pulso duplo em semicondutores de SiC inclui: um gerador de funções para acionar a grade do MOSFET; um osciloscópio e um software de análise para medir VDS e ID. Além do teste de pulso duplo, ou seja, além do teste em nível de circuito, existem testes em nível de material, em nível de componente e em nível de sistema. As inovações em ferramentas de teste têm permitido que engenheiros de projeto em todas as etapas do ciclo de vida trabalhem no desenvolvimento de dispositivos de conversão de energia que atendam a requisitos de projeto rigorosos de forma econômica.
Estar preparado para certificar equipamentos em resposta a mudanças regulatórias e novas necessidades tecnológicas para equipamentos de usuário final, desde geração de energia até veículos elétricos, permite que as empresas que trabalham com eletrônica de potência se concentrem em inovação de valor agregado e estabeleçam as bases para o crescimento futuro.
Data da publicação: 27/03/2023