Den tredje generationen halvledare, representerade av galliumnitrid (GaN) och kiselkarbid (SiC), har utvecklats snabbt tack vare sina utmärkta egenskaper. Att noggrant mäta parametrarna och egenskaperna hos dessa komponenter för att utnyttja deras potential och optimera deras effektivitet och tillförlitlighet kräver dock högprecisionsmätutrustning och professionella metoder.
Den nya generationen av material med brett bandgap (WBG), representerade av kiselkarbid (SiC) och galliumnitrid (GaN), används alltmer. Elektriskt sett är dessa ämnen närmare isolatorer än kisel och andra typiska halvledarmaterial. Dessa ämnen är utformade för att övervinna kisels begränsningar eftersom det är ett material med smalt bandgap och därför orsakar dålig läckage av elektrisk ledningsförmåga, vilket blir mer uttalat när temperatur, spänning eller frekvens ökar. Den logiska gränsen för detta läckage är okontrollerad ledningsförmåga, vilket motsvarar ett halvledarfel.
Av dessa två material med brett bandgap är GaN huvudsakligen lämpligt för implementeringar med låg och medelhög effekt, runt 1 kV och under 100 A. Ett betydande tillväxtområde för GaN är dess användning i LED-belysning, men även inom andra lågeffektsapplikationer som fordonsindustrin och RF-kommunikation. Däremot är teknikerna kring SiC bättre utvecklade än GaN och är bättre lämpade för tillämpningar med högre effekt, såsom växelriktare för elfordon, kraftöverföring, stor HVAC-utrustning och industriella system.
SiC-komponenter kan arbeta vid högre spänningar, högre switchfrekvenser och högre temperaturer än Si MOSFET-transistorer. Under dessa förhållanden har SiC högre prestanda, effektivitet, effekttäthet och tillförlitlighet. Dessa fördelar hjälper konstruktörer att minska storleken, vikten och kostnaden för effektomvandlare för att göra dem mer konkurrenskraftiga, särskilt inom lukrativa marknadssegment som flyg, militär och elfordon.
SiC MOSFET-transistorer spelar en avgörande roll i utvecklingen av nästa generations kraftomvandlingsenheter på grund av deras förmåga att uppnå högre energieffektivitet i konstruktioner baserade på mindre komponenter. Skiftet kräver också att ingenjörer omprövar några av de design- och testtekniker som traditionellt används för att skapa kraftelektronik.
Efterfrågan på rigorösa tester ökar
För att fullt ut utnyttja potentialen hos SiC- och GaN-komponenter krävs exakta mätningar under omkopplingsdriften för att optimera effektivitet och tillförlitlighet. Testprocedurer för SiC- och GaN-halvledarkomponenter måste ta hänsyn till de högre driftsfrekvenserna och spänningarna hos dessa komponenter.
Utvecklingen av test- och mätverktyg, såsom godtyckliga funktionsgeneratorer (AFG), oscilloskop, SMU-instrument (Source Measurement Unit) och parameteranalysatorer, hjälper kraftdesigningenjörer att uppnå kraftfullare resultat snabbare. Denna uppgradering av utrustning hjälper dem att hantera dagliga utmaningar. ”Att minimera switchförluster är fortfarande en stor utmaning för kraftutrustningsingenjörer”, säger Jonathan Tucker, chef för Power Supply Marketing på Teck/Gishili. Dessa konstruktioner måste mätas noggrant för att säkerställa konsekvens. En av de viktigaste mätteknikerna kallas dubbelpulstest (DPT), vilket är standardmetoden för att mäta switchparametrarna för MOSFET- eller IGBT-kraftkomponenter.
Installationen för att utföra dubbelpulstest av SiC-halvledare inkluderar: funktionsgenerator för att driva MOSFET-nätet; oscilloskop och analysprogramvara för mätning av VDS och ID. Förutom dubbelpulstestning, det vill säga utöver testning på kretsnivå, finns det testning på materialnivå, komponentnivå och systemnivå. Innovationer inom testverktyg har gjort det möjligt för konstruktörer i alla skeden av livscykeln att arbeta mot effektomvandlingsenheter som kan uppfylla stränga designkrav kostnadseffektivt.
Att vara förberedd att certifiera utrustning som svar på regeländringar och nya tekniska behov för slutanvändarutrustning, från kraftproduktion till elfordon, gör det möjligt för företag som arbetar med kraftelektronik att fokusera på mervärdesskapande innovation och lägga grunden för framtida tillväxt.
Publiceringstid: 27 mars 2023