電力電子測試與測量

通過測試和測量持久力來評估電子設備的質量和耐用性。評估氮化鎵 （GaN） 價值的測試勢在必行，因為它自誕生以來就具有巨大的潛力，可以實現(xiàn)更高效的功率轉換，作為電力電子應用中的關鍵顛覆者?；?GaN 的開關的特性，例如高電子遷移率、寬帶隙、高擊穿場和低得多的導通電阻，鼓勵電源設計工程師開始考慮改進的電源轉換可以提供的無限可能性。

WBG 電源模塊 提供的特性和功能比其硅同類產(chǎn)品高出幾個數(shù)量級，包括 10 倍的電壓阻斷能力、10 倍到 100 倍的開關速度能力以及十分之一的能量損失。它們還具有固有的抗輻射性（rad-hard），并提供高達 600°C 的理論結溫操作。這項技術可以為電力系統(tǒng)提供比當前基于硅的設備高 10 倍的功率密度以及更低的冷卻要求。

碳化硅有望為航空航天業(yè)提供重量更輕的組件，以降低燃料消耗和排放。對于給定的電壓和電流額定值，這種材料有助于在更小、更輕的設備中實現(xiàn)更高的開關和更高的功率密度。

GaN 與硅一樣，可用于制造半導體器件，例如二極管和晶體管。電源設計人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅晶體管，因為它具有小尺寸和高效率。與具有更高熱管理要求的硅器件相比，GaN 晶體管的功耗更低，熱導率更高。GaN 晶體管越來越多地用于各個領域：汽車領域、電力供應以及電流的轉換和使用。這些組件將很快取代它們各自的前身。

在接受《電力電子新聞》采訪時，是德科技精密和電源產(chǎn)品業(yè)務開發(fā)經(jīng)理 Alan Wadsworth 和是德科技電源解決方案顧問 Mike Hawes 分析了寬帶隙解決方案測試與測量 （T&M） 的不同方面。

電力電子新聞：功率半導體制造商認為，基于 GaN 的器件是解決可再生能源擴張的主要障礙的關鍵。在 T&M 方面保證良好的基于 GaN 的產(chǎn)品有哪些挑戰(zhàn)？

Alan Wadsworth：當用于開關模式電源轉換器時，GaN 比 Si 具有一些根本優(yōu)勢（例如更高的電壓、更低的損耗、更緊湊和更快的開關）。然而，它是一種較新的技術，比“久經(jīng)考驗的”硅基功率半導體具有更大的風險。因此，基于 GaN 的產(chǎn)品設計人員面臨著幾個挑戰(zhàn)。

GaN 器件的表征

GaN 器件表征提出了一些挑戰(zhàn)，這些挑戰(zhàn)是所有寬帶隙 （WBG） 器件所共有的，還有一些是 GaN 特有的。共同的挑戰(zhàn)是：

數(shù)據(jù)表通常不足以準確表示設備所需的操作性能。

需要在正常工作條件下（數(shù)百安培和數(shù)千伏特）準確表征非常小的導通電阻。

需要在數(shù)千伏的漏源偏壓下準確表征器件電容。

需要在一系列工作條件下（同樣是數(shù)百安培和數(shù)千伏特）測量柵極電荷特性。

需要動態(tài)表征，包括傳導、驅動和開關損耗。

GaN 器件還具有一些獨特的特性（例如，不與 SiC 器件共享）。GaN 器件的獨特之處在于它們可以經(jīng)歷一種稱為“電流崩塌”的現(xiàn)象。這種行為導致晶體管的導通電阻在導通后動態(tài)變化，導通電阻的初始值取決于漏極電壓的大小和關斷狀態(tài)所花費的時間。出于顯而易見的原因，除非這種現(xiàn)象得到抑制或理解，否則不可能使用 GaN 器件設計可靠的電路。

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GaN 器件的建模

由于 GaN 器件的快速開關能力（例如 t r和 t f 《 10 ns），精確的器件模型很少見。不能進行分布式電路分析的仿真器將無法準確反映設計中的振鈴和不穩(wěn)定性。許多傳統(tǒng)的功率器件模型和模擬器無法反映設計的真實運行情況，導致通過多次原型迭代進行設計的試錯法。

GaN 器件的可靠性

與幾十年來在電源/轉換器設計中使用 Si 相比，GaN 需要進行大量測試，以確定關鍵應用（例如與可再生能源相關的應用）中設備的可靠性。業(yè)界正在進行大量投資，以更好地評估 GaN 功率器件滿足多種功率應用需求的能力。在過去的幾年中，JEDEC 創(chuàng)建了一個新的工作組 （JC-70），為 WBG 功率半導體（尤其是 GaN 和 SiC）制定適當?shù)臉藴省C-70 的子組專注于：1） 可靠性，2） 數(shù)據(jù)表，以及 3） 測試方法和特性。

電力電子報：T&M與Silicon相比有何不同？請舉例說明。

Mike Hawes：Si 和 WBG 器件（尤其是 GaN）之間的一個主要區(qū)別是開關速度。GaN 器件的開關速度通常比類似的硅晶體管快 10 到 100 倍。在電源轉換電路中運行的 GaN 器件的開關頻率本身不足以產(chǎn)生問題，但開關波形中的高頻分量會產(chǎn)生電磁干擾 （EMI）。

EMI 對硅晶體管來說當然是一個問題，但在 GaN 器件中更難緩解。原因是更快的設備會產(chǎn)生更快的電壓變化，這可能會導致場效應晶體管 （FET） 的誤導通。如果發(fā)生這種情況，則由此產(chǎn)生的浪涌電流會產(chǎn)生巨大的熱量，從而可能導致災難性的電路故障。

如上所述，如果設備建模軟件能夠準確預測其行為，則它可以幫助防止開關電路中出現(xiàn)此類問題。然而，能夠準確測量 GaN 器件的開關行為并非易事。

電力電子新聞：您的客戶對 GaN 市場，尤其是能源領域有什么要求？

Mike Hawes：基于第 2 項中討論的問題，許多客戶想要一個現(xiàn)成的、標準化的、受支持的解決方案來準確表征 GaN 器件的開關行為。這通常使用所謂的雙脈沖測試方法來完成。2019 年，是德科技推出了適用于硅和 SiC 器件的商用雙脈沖測試 （DPT） 解決方案 （PD1500A），該解決方案已安裝在全球多個客戶地點。是德科技使 PD1500A 能夠接受定制的 GaN DUT 板，從而允許對 GaN HEMT 和 GaN GIT 設備進行 DPT。應該很快就會支持 GaN 共源共柵器件。盡管需要定制的 GaN DUT 板，但 PD1500A 現(xiàn)在能夠配置為測試分立的 Si MOSFET、IGBT、SiC MOSFET 和 GaN MOSFET，

電力電子新聞：GaN 旨在為未來數(shù)字化、能源效率和移動性領域的一些主要社會挑戰(zhàn)提供解決方案。哪些技術可以為 T&M 市場的領導地位提供創(chuàng)新？

Alan Wadsworth：如前所述，GaN 器件的特性對于您提到的市場中的設計人員來說至關重要。業(yè)界正在努力測量具有如此高電壓和電流要求以及高開關速度（即帶寬）要求的 GaN 器件的動態(tài)特性。表征設備和設置中的寄生參數(shù)通常會掩蓋被測 GaN 器件的真實動態(tài)性能，從而為 DPT 夾具設計開發(fā)新的低電感方法，以及電流測量，甚至器件與夾具的連接。

需要改進模型以考慮 GaN 器件的高頻特性，并結合模擬器，準確考慮分布式電路分析，能夠模擬高頻效應。由于替代能源和電動汽車中使用的電源轉換器的溫度，建模/仿真需要正確描繪設計的熱效應。

對于電源轉換設計人員來說，這是一個激動人心的時刻。然而，與新技術變化一樣，需要額外的建模、表征和可靠性測試才能使 GaN 功率半導體在這些市場上達到很高的期望?！　?/p>