目前電氣化仍是減少碳排放的關鍵驅動力，而對高效電源的需求正在加速增長。與傳統硅器件相比，寬禁帶技術，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（ GaN）等仍是促進功率轉換效率的關鍵。工程師必須重新評估他們的驗證和測試方法，以應對當今電氣化的挑戰。

數字化和電氣化仍然是提高生產力和保護環境的兩個關鍵驅動力，當前對高效能源轉換的需求正在加速增長。同時地方法規和政策正在號召減少碳排放，那么相較于化石燃料，尋求替代能源日益成為獲取能源數據的關鍵。這促使國營和私營企業大規模投資于新型半導體技術和供應鏈，以提高半導體功率晶體管、電源模塊、電源管理集成電路 (PMIC) 和電源轉換 / 逆變系統的效率。

隨著低功耗、低電平電壓和電流控制半導體器件和設計成熟，投資正轉向更優功率表現的方向，一方面是數字化，提高為數據中心供電的效率，另一方面是電氣化，提高自動駕駛電動汽車、電池管理系統和電機驅動器的功率轉換效率。除數據中心和汽車應用外，投資還集中在其他可提供可觀投資回報的電氣化領域，包括電網儲能、重型車輛等大型交通工具、鐵路系統以及即將推出的城市空中交通系統等飛機電氣化領域。

政策和經濟的雙重壓力不斷推動先進工業和其他高壓電力電子產品向更小、更快和更高效的設計方向發展。更小、更輕設計的功率密度優勢在電動汽車等空間受限以及移動應用中尤為明顯，但緊湊型電力電子設備也是更廣泛的理想選擇，尤其是從降低系統成本的角度來看。與此同時，隨著各國政府推出經濟激勵措施和更加嚴格的能效法規，能效的重要性也日益凸顯。

從發電到用電，電力電子產品都需要提高能效。在整個發電、輸電和用電鏈條中，功率轉換器在多個階段運行，由于這些運行都不是 100% 高效的，因此每個階段都會出現一些功率損耗。主要由于能量以熱量形式損失，整體效率的降低會在整個循環過程中成倍增加。

同樣，除了提高效率外，減小功率轉換設備的尺寸和重量也至關重要。體積更小、重量更輕的組件通常意味著資本支出（CAPEX）更低，從而運行成本（OPEX） 也會進一步降低。動力設備的效率、尺寸和重量是許多應用的關鍵設計因素。比方說，就電動汽車而言，所有這三個因素都有助于增加車輛在兩次充電之間的續航里程，而較低的設備成本則有助于使車輛的總體成本與傳統車輛持平。

電力電子行業既要減小物理尺寸，又要提高能效，面臨的一個關鍵挑戰是，這些設計目標通常會相互矛盾。比方說，提高轉換器電路的開關頻率可使元器件尺寸減小，如減少電感器、變壓器和電容器等元件的尺寸，這有助于以更低的生產成本生產出更緊湊的設備。另一方面，較高的開關頻率也會產生額外的熱量和電磁干擾（EMI）風險。因此， 因發熱而損失的電能會造成產品質量和運行成本方面的問題，反而降低了能效。

盡管傳統的硅技術仍將用于功率應用領域，但包括氮化鎵(GaN) 和碳化硅 (SiC) 在內的寬禁帶半導體正在超越傳統硅基器件的表現。采用寬禁帶半導體突破了硅基器件的局限性，因為硅是一種窄帶隙器件，會導致不良導電漏電， 隨著溫度、電壓或頻率的升高，漏電現象會變得更加明顯。與硅相比，氮化鎵和碳化硅通常具有更高的功率密度、更小的尺寸、更優的溫度表現、更快的頻率響應速度，更少的漏電以及更低的導通電阻，這些都可以帶來更高的運行效率。

寬禁帶 (WBG) 半導體可以降低傳輸損耗并加快開關速度，非常適合于設備的快速充電。氮化鎵在提高功率密度的同時縮小了尺寸，有助于改善電池充電時間等各方面的性能，尤其是手機、手持電動工具和便攜式個人醫療監測系統等工具中發揮作用，當然應用案例在不斷拓展，比方說寬禁帶半導體還可以用在電子電源供應和射頻功率放大器中。氮化鎵還適用于電動汽車 (EV) 的信息娛樂系統和其他座艙零部件中。

相比之下，圍繞碳化硅的技術更適合大功率應用，如電力傳輸、大型暖通空調設備和工業系統。與硅金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）相比，SiC MOSFET能夠在更高的電壓和溫度下工作。在這些條件下，SiC可提供更高的性能、效率、功率密度和可靠性。這一系列優點有助于設計人員減小功率轉換器的尺寸、重量和成本，使其更具競爭力，尤其是在航空航天、軍事和電動汽車等利潤潛力較大的細分市場。

從傳統硅過渡到寬禁帶半導體使得電源模塊尺寸設計得更小，同時還能提高MOSFET開關速度和能效。而競爭情況導致這些設計參數更加重要，設計工程師必須重新評估他們的驗證和測試方法。實際上，在功率轉換器的設計和生產中的測試項目以及測試采用的系統和前幾代是相似的，但是寬禁帶材料要求測試更加嚴格。

面對更高的功率密度和效率要求，工程師們需要更高的測量精度。根據要求，需要在設備或子系統層面進行功能和可靠性測試，以確?；谛虏牧系脑O計在消費領域以外的關鍵應用中性能足夠穩定，在這些應用中，系統的長期可靠性對于滿足必要的法規和安全要求至關重要。要提高能效，需要極大提高測試的準確性和嚴格性，此外，數據測量必須足夠可靠，來滿足法規和認證要求，還要滿足通用的JEDEC JC-70寬禁帶功率電子轉換半導體標準。

圖2：吉時利2400系列圖形觸摸屏源測量單元 (SMU) 儀器和4200A-SCS參數分析儀。

泰克產品直接面向器件特性表征和驗證測試要求，使工程師能夠更快地將產品推向市場，以應對電氣化的挑戰。公司正在測試和測量工具方面取得重大進展， 以幫助電源設計工程師快速獲得更可靠的結果。新的儀器功能可幫助工程師應對日常挑戰，例如

■簡化測試設置，減少測量誤差

■縮短測量時間，提取開關參數

■提高設計高效功率轉換的測量精度

泰克服務于WBG半導體發展的四個重點領域

寬禁帶半導體材料研究

寬禁帶器件的表征

雙脈沖測試

驗證寬禁帶器件

寬禁帶半導體材料研究

為了在降低功耗的同時提高器件密度和性能，人們開始研究具有高載流子遷移率和高導電性的獨特二維（2-D）材料。對更環保的發電解決方案的需求正在推動。更高溫的超導體和功率轉換所必需的功率半導體的研究。雖然目前的首選材料是氮化鎵和碳化硅，但有關新型WBG材料的研究還在進行中，比如氮化鋁（AlN）、氧化鎵（Ga2O3）和金剛石。這些新材料有可能具有更優異的功率性能。吉時利是泰克公司旗下的一家公司，致力于生產制造高靈敏度的測試測量儀器，專業水平長期處于世界領先地位。產品線包括圖形化系列源測量單元 (SMU) 儀器和半導體參數分析儀系列，可用于電阻率、霍爾效應和遷移率測量，幫助研究人員、科學家和工程師在寬禁帶半導體材料領域發揮潛力。

寬禁帶器件的表征

理解碳化硅和氮化鎵的電氣性能有助于將其應用到新型電源研究中。為此，我們對器件進行了電流與電壓（I-V）特性分析。

I-V特性分析是了解硅、碳化硅和氮化鎵基本特性的電流與電壓關系的基本方法。利用SMU或參數分析儀等儀器和相應軟件，可生成I-V圖形曲線，用于顯示流經電子設備或電路的電流與其端子上施加的電壓之間的關系。

吉時利的2400圖形化系列SMU、4200A-SCS參數分析儀和2600-PCT大功率I-V曲線測試系統最大程度地縮短了工程師的繪制曲線的時間，可以幫助工程師更快地將半導體器件推向市場。您可以通過圖形用戶界面或吉時利KickStart或ACS-Basic等應用軟件，隨時對WBG器件的關鍵特性進行測量，如I-V測試、擊穿電壓測試和漏電流測試。

圖3：配備ACS-Basic軟件的吉時利2600-PCT I-V曲線測試系統

雙脈沖測試

對功率半導體器件工程師來說，盡可能減小開關損耗仍然是面臨的一大挑戰。這些設計必須經過嚴格測量，以確保符合標準。測量開關參數和評估硅、碳化硅和氮化鎵MOSFET和IGBT動態特性的標準測試方法是雙脈沖測試 (DPT)。雙脈沖測試用于測量器件導通和關斷期間的能量損耗及其反向恢復參數。

雙脈沖測試需要用到兩個WGB器件，一個器件是待測器件，第二個器件是和待測件相同類型的器件。注意負載電感放在第二個器件一側。電感電流不能瞬間變化的特性，可以幫助工程師在逆變器設計復制需要用到的電路狀態。

圖4：雙脈沖測試電路

所使用的儀器包括：用于提供電壓的電源或SMU、用于輸出脈沖以觸發MOSFET柵極使其打開從而開始導通電流的任意函數發生器 (AFG)，以及用于測量由此產生的波形的示波器。

圖5：雙脈沖測試系統

一直以來，由于函數發生器通常沒有內置測試配置，也不能設置測試的方法，因此調試測試環境的過程非常耗時。最新的AFG（如泰克AFG31000系列）包括一個內置軟件應用程序，可直接從儀器的觸摸屏界面進行DPT操作，大大簡化了工程師的操作過程。

圖6：泰克AFG31000系列內置雙脈沖測試配置

寬禁帶器件的驗證

分析功率損耗和優化電源效率前所未有得重要。影響效率的關鍵因素之一是開關設備的損耗。例如，典型開關模式電源的效率約為87%，這意味著13%的輸入功率在電源內部耗散，其中大部分是廢熱。在這部分損耗中，很大一部分耗散在開關設備中，通常是MOSFET或IGBT。泰克公司的5B和6B系列MSO示波器和自動功率分析軟件可輕松進行開關損耗測量。

由于接通和關斷頻率高，以及存在高共模電壓（如Vds），浮動差分測量（如高壓側Vgs）通常難以進行，因為示波器探頭在高帶寬下沒有足夠的共模抑制能力。共模抑制能力差會導致測量結果受共模誤差影響，而非實際差分信號。使用泰克 IsoVu隔離探頭可以輕松解決這些問題，在氮化鎵和碳化硅器件的工作要求下，IsoVu探頭不會隨頻率衰減，能夠支持進行精確的差分測量。使用IsoVu探頭，可以精確計算和驗證傳導損耗、死區時間損耗和開關損耗。

｜結論｜

我們生活在一個不斷變化的世界，利用好有限的能源變得更加重要。碳化硅和氮化鎵等寬帶隙半導體技術的進步正在推動清潔、可再生和可靠能源生態系統的發展，同時也為工程師帶來了新的挑戰。舊有的測試工具和技術根本無法滿足需求，如果無法測量關鍵參數值，也無法確保關鍵設備的功能，我們的進步也只能止步不前。研究人員和工程師對泰克和吉時利的測試測量解決方案抱有極大期望，其解決方案能夠助力應對當今和未來的電氣化生態系統的挑戰。