功率電子技術(shù)的快速發(fā)展，得益于寬帶隙(WBG)半導(dǎo)體材料的進(jìn)步，尤其是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)。與傳統(tǒng)硅材料相比，這些材料具有更高的擊穿電壓、更好的熱導(dǎo)率和更快的開關(guān)速度。這些特性使得功率晶體管的性能得到了顯著提升，開啟了更高效率和更快動(dòng)態(tài)響應(yīng)的可能性。

寬帶隙晶體管在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中扮演著關(guān)鍵角色，包括開關(guān)電源(SMPS)、逆變器和電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器，因?yàn)樗鼈兡軌驅(qū)崿F(xiàn)近乎理想的開關(guān)行為。功率晶體管對開關(guān)電源的性能有著重要影響，包括效率、功率密度、動(dòng)態(tài)行為、可靠性和電磁干擾(EMI)性能。寬帶隙器件在動(dòng)態(tài)行為方面的研究仍在深入進(jìn)行，例如動(dòng)態(tài)通道電阻(Rds(on))、各種損耗機(jī)制、開關(guān)及其在任務(wù)特征下的退化。

寬帶隙器件的卓越性能也帶來了準(zhǔn)確測量和表征其行為的挑戰(zhàn)。這些器件的極快開關(guān)速度和其他獨(dú)特特性需要新穎的測試方法，以全面理解其能力和局限，確保其在各種應(yīng)用中的最佳和安全運(yùn)行。

寬帶隙晶體管表征中的挑戰(zhàn)

寬帶隙晶體管，特別是基于GaN和SiC的晶體管，其開關(guān)速度比硅晶體管快幾個(gè)數(shù)量級。這種快速開關(guān)行為雖然有利于提高效率和功率密度，但對測量系統(tǒng)提出了重大挑戰(zhàn)。由于測量帶寬的限制、測試環(huán)境中寄生元件的影響以及與快速開關(guān)相關(guān)的固有高頻噪聲，傳統(tǒng)測試設(shè)備可能難以在如此高的速度下捕捉準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

此外，WBG晶體管的動(dòng)態(tài)行為，包括動(dòng)態(tài)通道電阻(Rds(on))、柵極電荷特性和各種損耗機(jī)制，可能受到溫度、電壓和其他工作條件的影響。準(zhǔn)確表征這些動(dòng)態(tài)行為需要能夠模擬現(xiàn)實(shí)工作條件并在一系列溫度、開關(guān)頻率和負(fù)載條件下捕捉器件響應(yīng)的測試方法。這對于確保器件在安全限度內(nèi)運(yùn)行以及預(yù)測其在各種現(xiàn)實(shí)場景下的性能至關(guān)重要。

克服這些挑戰(zhàn)需要專用的測試設(shè)備。名為MADTHOR的測試臺結(jié)合了經(jīng)典的靜態(tài)測試和雙脈沖測試能力以及新穎的連續(xù)動(dòng)態(tài)測試方法。

經(jīng)典方法：靜態(tài)晶體管測試

靜態(tài)功率晶體管測量用于表征關(guān)鍵的直流電氣參數(shù)，如導(dǎo)通電阻(Rds(on))、閾值電壓(Vth)、柵電荷(Ciss/Coss/Crss)、漏電流(如Ids和柵漏電流)等。在MADTHOR系統(tǒng)中，有一個(gè)專用的靜態(tài)測試插座，具備高達(dá)1200V的電壓偏置能力和強(qiáng)大的100A直流電流能力，覆蓋當(dāng)前市場上GaN HEMT的選擇以及許多SiC和IGBT的需求。

在圖2中，展示了一種650V GaN HEMT(DFN封裝類型)的脈沖Rds(on)測量，其數(shù)據(jù)表列出的Rds(on)最大值為600m?，Vgs為5V，在室溫下進(jìn)行測量。當(dāng)Ids電流從1A增加到3.5A時(shí)，觀察到Rds(on)從約430 m?非線性增加到570 m?。采用脈沖測量方法以減少器件的自熱，從而提高測量精度。

經(jīng)典方法：雙脈沖測試

雙脈沖測試(DPT)在功率晶體管測試領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它關(guān)注晶體管開關(guān)過程中的幾個(gè)階段：DPT涉及對器件施加兩個(gè)短脈沖電壓，并測量產(chǎn)生的電流和電壓波形。這允許對開關(guān)損耗和其他動(dòng)態(tài)參數(shù)進(jìn)行表征。在分析DPT的Vgs隨時(shí)間變化時(shí)，可以分解為以下事件：

打開，起始于零電流

關(guān)閉，特定電流下

再次打開，特定電流下

關(guān)閉，特定電流下，高于先前值

圖3描述了該過程。使用感性負(fù)載在打開后以受控方式增加電流。在給定的工作電壓Vbus下，最大電流值可以通過選擇開通時(shí)間來調(diào)節(jié)。

這種方法的基本局限性是固有的，因?yàn)槊}沖僅短時(shí)間施加，無法允許晶體管在其實(shí)際工作區(qū)間內(nèi)進(jìn)行測試。尤其是寬帶隙器件中，Rds(on)和動(dòng)態(tài)Rds(on)的溫度依賴性在行為和應(yīng)用中起著重要作用。此外，第三象限操作的電壓降遠(yuǎn)高于硅MOSFET，無法通過這種方式測量。此外，寬帶隙技術(shù)涉及更快的開關(guān)，這使得在保持電源和柵極路徑中的寄生效應(yīng)較低的同時(shí)捕捉準(zhǔn)確數(shù)據(jù)變得非常具有挑戰(zhàn)性。為此，系統(tǒng)中開發(fā)了特殊技術(shù)，如“str?mhenge”，以最小化由于分流電阻引起的寄生電感。

新穎測量方法：連續(xù)開關(guān)

為了最真實(shí)地建模寬帶隙晶體管，必須在實(shí)際工作條件下對其進(jìn)行測量，如同在應(yīng)用中看到的那樣。為擴(kuò)展傳統(tǒng)測試方法，開發(fā)了一種名為連續(xù)動(dòng)態(tài)測試的新方法。

該方法在MADTHOR系統(tǒng)中實(shí)施，是一種革命性的技術(shù)，旨在模擬典型SMPS晶體管波形并同時(shí)測量關(guān)鍵參數(shù)。連續(xù)開關(guān)原理是通過將雙脈沖連接重新路由到經(jīng)典的Buck轉(zhuǎn)換器來實(shí)現(xiàn)的。通過創(chuàng)建一個(gè)由兩個(gè)相同晶體管組成的半橋開關(guān)單元，形成一個(gè)現(xiàn)實(shí)的場景，如圖4所示。

連續(xù)開關(guān)方法可以提供與經(jīng)典雙脈沖測試互補(bǔ)的學(xué)習(xí)：

損耗分析及由此產(chǎn)生的自熱行為

更準(zhǔn)確的損耗分解：Rds(on)、開關(guān)損耗

更準(zhǔn)確地確定動(dòng)態(tài)Rds(on)及其在多個(gè)開關(guān)周期中隨時(shí)間和自熱效應(yīng)的演變

測量第三象限操作及負(fù)柵極偏置的影響

在較長測試期間，Rds(on)和其他關(guān)鍵參數(shù)的潛在退化，可能伴隨升高的環(huán)境溫度

通過提供更全面和準(zhǔn)確的器件行為圖景，連續(xù)動(dòng)態(tài)測試可以幫助工程師和研究人員優(yōu)化器件設(shè)計(jì)，提高可靠性，并確保在廣泛條件下的安全操作。

總結(jié)

寬帶隙功率晶體管的發(fā)展徹底改變了功率電子技術(shù)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了效率、功率密度和整體系統(tǒng)性能的顯著提高。然而，這些器件的獨(dú)特特性要求新穎的測試方法，以全面理解、建模和優(yōu)化其使用。