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(shè)備的質(zhì)量和耐用性。評估氮化鎵 （GaN） 價(jià)值的測試勢在必行，因?yàn)樗哉Q生以來就具有巨大的潛力，可以實(shí)現(xiàn)更高效的功率轉(zhuǎn)換，作為電力電子應(yīng)用中的關(guān)鍵顛覆者?；?GaN 的開關(guān)的特性，例如高電子遷移率、寬帶隙、高擊穿場和低得多的導(dǎo)通電阻，鼓勵(lì)電源設(shè)計(jì)工程師開始考慮改進(jìn)的電源轉(zhuǎn)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(gè)數(shù)量級(jí)，包括 10 倍的電壓阻斷能力、10 倍到 100 倍的開關(guān)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(dá) 600°C 的理論結(jié)溫操作。這項(xiàng)技術(shù)可以為電力系統(tǒng)提供比當(dāng)前基于硅的設(shè)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(shè)備中實(shí)現(xiàn)更高的開關(guān)和更高的功率密度。

GaN 與硅一樣，可用于制造半導(dǎo)體器件，例如二極管和晶體管。電源設(shè)計(jì)人員可以選擇 GaN 晶體管而不是硅晶體管，因?yàn)樗哂行〕叽绾透咝?。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(dǎo)率更高。GaN 晶體管越來越多地用于各個(gè)領(lǐng)域：汽車領(lǐng)域、電力供應(yīng)以及電流的轉(zhuǎn)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(shí)，是德科技精密和電源產(chǎn)品業(yè)務(wù)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(dǎo)體制造商認(rèn)為，基于 GaN 的器件是解決可再生能源擴(kuò)張的主要障礙的關(guān)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(dāng)用于開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器時(shí)，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(guān)）。然而，它是一種較新的技術(shù)，比“久經(jīng)考驗(yàn)的”硅基功率半導(dǎo)體具有更大的風(fēng)險(xiǎn)。因此，基于 GaN 的產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員面臨著幾個(gè)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(zhǔn)確表示設(shè)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(zhǔn)確表征非常小的導(dǎo)通電阻。

需要在數(shù)千伏的漏源偏壓下準(zhǔn)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?jiǎng)討B(tài)表征，包括傳導(dǎo)、驅(qū)動(dòng)和開關(guān)損耗。

GaN 器件還具有一些獨(dú)特的特性（例如，不與 SiC 器件共享）。GaN 器件的獨(dú)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(dǎo)致晶體管的導(dǎo)通電阻在導(dǎo)通后動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)通電阻的初始值取決于漏極電壓的大小和關(guān)斷狀態(tài)所花費(fèi)的時(shí)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(shè)計(jì)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(guān)能力（例如 t r和 t f 《 10 ns），精確的器件模型很少見。不能進(jìn)行分布式電路分析的仿真器將無法準(zhǔn)確反映設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)的真實(shí)運(yùn)行情況，導(dǎo)致通過多次原型迭代進(jìn)行設(shè)計(jì)的試錯(cuò)法。

GaN 器件的可靠性

與幾十年來在電源/轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)中使用 Si 相比，GaN 需要進(jìn)行大量測試，以確定關(guān)鍵應(yīng)用（例如與可再生能源相關(guān)的應(yīng)用）中設(shè)備的可靠性。業(yè)界正在進(jìn)行大量投資，以更好地評估 GaN 功率器件滿足多種功率應(yīng)用需求的能力。在過去的幾年中，JEDEC 創(chuàng)建了一個(gè)新的工作組 （JC-70），為 WBG 功率半導(dǎo)體（尤其是 GaN 和 SiC）制定適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)。JC-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(bào)：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(gè)主要區(qū)別是開關(guān)速度。GaN 器件的開關(guān)速度通常比類似的硅晶體管快 10 到 100 倍。在電源轉(zhuǎn)換電路中運(yùn)行的 GaN 器件的開關(guān)頻率本身不足以產(chǎn)生問題，但開關(guān)波形中的高頻分量會(huì)產(chǎn)生電磁干擾 （EMI）。

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

如上所述，如果設(shè)備建模軟件能夠準(zhǔn)確預(yù)測其行為，則它可以幫助防止開關(guān)電路中出現(xiàn)此類問題。然而，能夠準(zhǔn)確測量 GaN 器件的開關(guān)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(lǐng)域有什么要求？

Mike Hawes：基于第 2 項(xiàng)中討論的問題，許多客戶想要一個(gè)現(xiàn)成的、標(biāo)準(zhǔn)化的、受支持的解決方案來準(zhǔn)確表征 GaN 器件的開關(guān)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(gè)客戶地點(diǎn)。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(shè)備進(jìn)行 DPT。應(yīng)該很快就會(huì)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(dòng)性領(lǐng)域的一些主要社會(huì)挑戰(zhàn)提供解決方案。哪些技術(shù)可以為 T&M 市場的領(lǐng)導(dǎo)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(shè)計(jì)人員來說至關(guān)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(guān)速度（即帶寬）要求的 GaN 器件的動(dòng)態(tài)特性。表征設(shè)備和設(shè)置中的寄生參數(shù)通常會(huì)掩蓋被測 GaN 器件的真實(shí)動(dòng)態(tài)性能，從而為 DPT 夾具設(shè)計(jì)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(jìn)模型以考慮 GaN 器件的高頻特性，并結(jié)合模擬器，準(zhǔn)確考慮分布式電路分析，能夠模擬高頻效應(yīng)。由于替代能源和電動(dòng)汽車中使用的電源轉(zhuǎn)換器的溫度，建模/仿真需要正確描繪設(shè)計(jì)的熱效應(yīng)。

對于電源轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)人員來說，這是一個(gè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。然而，與新技術(shù)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(dǎo)體在這些市場上達(dá)到很高的期望。