Thế hệ bán dẫn thứ ba, được đại diện bởi gali nitrua (GaN) và silic cacbua (SiC), đã phát triển nhanh chóng nhờ các đặc tính vượt trội của chúng. Tuy nhiên, việc đo lường chính xác các thông số và đặc tính của các thiết bị này để khai thác tối đa tiềm năng, tối ưu hóa hiệu quả và độ tin cậy đòi hỏi thiết bị đo lường độ chính xác cao và các phương pháp chuyên nghiệp.
Thế hệ vật liệu bán dẫn có khe năng lượng rộng (WBG) mới, tiêu biểu là silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), đang ngày càng được sử dụng rộng rãi. Về mặt điện, các chất này gần với chất cách điện hơn so với silicon và các vật liệu bán dẫn điển hình khác. Chúng được thiết kế để khắc phục những hạn chế của silicon vì silicon là vật liệu có khe năng lượng hẹp, do đó gây ra hiện tượng rò rỉ điện kém, càng rõ rệt hơn khi nhiệt độ, điện áp hoặc tần số tăng. Giới hạn hợp lý của sự rò rỉ này là độ dẫn điện không kiểm soát được, tương đương với sự hỏng hóc trong hoạt động của chất bán dẫn.
Trong hai vật liệu có dải năng lượng rộng này, GaN chủ yếu phù hợp cho các ứng dụng công suất thấp và trung bình, khoảng 1 kV và dưới 100 A. Một lĩnh vực phát triển đáng kể của GaN là sử dụng trong chiếu sáng LED, nhưng cũng đang phát triển trong các ứng dụng công suất thấp khác như ô tô và truyền thông tần số vô tuyến (RF). Ngược lại, các công nghệ liên quan đến SiC đã phát triển hơn GaN và phù hợp hơn cho các ứng dụng công suất cao hơn như bộ biến tần kéo xe điện, truyền tải điện, thiết bị HVAC cỡ lớn và hệ thống công nghiệp.
Các thiết bị SiC có khả năng hoạt động ở điện áp cao hơn, tần số chuyển mạch cao hơn và nhiệt độ cao hơn so với MOSFET Si. Trong những điều kiện này, SiC có hiệu suất, hiệu quả, mật độ công suất và độ tin cậy cao hơn. Những ưu điểm này đang giúp các nhà thiết kế giảm kích thước, trọng lượng và chi phí của bộ chuyển đổi điện năng để làm cho chúng cạnh tranh hơn, đặc biệt là trong các phân khúc thị trường béo bở như hàng không, quân sự và xe điện.
Các MOSFET SiC đóng vai trò quan trọng trong việc phát triển các thiết bị chuyển đổi năng lượng thế hệ tiếp theo nhờ khả năng đạt được hiệu suất năng lượng cao hơn trong các thiết kế dựa trên các linh kiện nhỏ hơn. Sự chuyển đổi này cũng đòi hỏi các kỹ sư phải xem xét lại một số kỹ thuật thiết kế và thử nghiệm truyền thống được sử dụng để tạo ra các thiết bị điện tử công suất.
Nhu cầu về kiểm tra nghiêm ngặt đang ngày càng tăng.
Để phát huy tối đa tiềm năng của các thiết bị SiC và GaN, cần thực hiện các phép đo chính xác trong quá trình vận hành chuyển mạch nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy. Các quy trình thử nghiệm đối với các thiết bị bán dẫn SiC và GaN phải tính đến tần số và điện áp hoạt động cao hơn của các thiết bị này.
Sự phát triển của các công cụ kiểm tra và đo lường, chẳng hạn như máy tạo hàm tùy ý (AFG), máy hiện sóng, thiết bị đo nguồn (SMU) và máy phân tích thông số, đang giúp các kỹ sư thiết kế điện đạt được kết quả mạnh mẽ hơn một cách nhanh chóng. Việc nâng cấp thiết bị này giúp họ đối phó với những thách thức hàng ngày. “Giảm thiểu tổn thất chuyển mạch vẫn là một thách thức lớn đối với các kỹ sư thiết bị điện,” Jonathan Tucker, người đứng đầu bộ phận Tiếp thị Nguồn cung cấp điện tại Teck/Gishili, cho biết. Các thiết kế này phải được đo lường nghiêm ngặt để đảm bảo tính nhất quán. Một trong những kỹ thuật đo lường quan trọng được gọi là thử nghiệm xung kép (DPT), là phương pháp tiêu chuẩn để đo các thông số chuyển mạch của các thiết bị điện MOSFET hoặc IGBT.
Thiết lập để thực hiện kiểm tra xung kép bán dẫn SiC bao gồm: máy tạo hàm để điều khiển lưới MOSFET; máy hiện sóng và phần mềm phân tích để đo VDS và ID. Ngoài kiểm tra xung kép, tức là ngoài kiểm tra ở cấp độ mạch, còn có kiểm tra ở cấp độ vật liệu, cấp độ linh kiện và cấp độ hệ thống. Những cải tiến trong các công cụ kiểm tra đã cho phép các kỹ sư thiết kế ở tất cả các giai đoạn của vòng đời sản phẩm hướng tới các thiết bị chuyển đổi năng lượng có thể đáp ứng các yêu cầu thiết kế nghiêm ngặt một cách hiệu quả về chi phí.
Việc sẵn sàng chứng nhận thiết bị để đáp ứng những thay đổi về quy định và nhu cầu công nghệ mới đối với thiết bị người dùng cuối, từ sản xuất điện năng đến xe điện, cho phép các công ty hoạt động trong lĩnh vực điện tử công suất tập trung vào đổi mới giá trị gia tăng và đặt nền tảng cho sự phát triển trong tương lai.
Thời gian đăng bài: 27/03/2023