宽带隙WBG功率晶体管的性能测试与挑战

功率电子技术的快速发展，得益于宽带隙(WBG)半导体材料的进步，尤其是氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)。与传统硅材料相比，这些材料具有更高的击穿电压、更好的热导率和更快的开关速度。这些特性使得功率晶体管的性能得到了显著提升，开启了更高效率和更快动态响应的可能性。

 

宽带隙晶体管在现代电力系统中扮演着关键角色，包括开关电源(SMPS)、逆变器和电动机驱动器，因为它们能够实现近乎理想的开关行为。功率晶体管对开关电源的性能有着重要影响，包括效率、功率密度、动态行为、可靠性和电磁干扰(EMI)性能。宽带隙器件在动态行为方面的研究仍在深入进行，例如动态通道电阻(Rds(on))、各种损耗机制、开关及其在任务特征下的退化。

 

宽带隙器件的卓越性能也带来了准确测量和表征其行为的挑战。这些器件的极快开关速度和其他独特特性需要新颖的测试方法，以全面理解其能力和局限，确保其在各种应用中的最佳和安全运行。

 

宽带隙晶体管表征中的挑战

 

宽带隙晶体管，特别是基于GaN和SiC的晶体管，其开关速度比硅晶体管快几个数量级。这种快速开关行为虽然有利于提高效率和功率密度，但对测量系统提出了重大挑战。由于测量带宽的限制、测试环境中寄生元件的影响以及与快速开关相关的固有高频噪声，传统测试设备可能难以在如此高的速度下捕捉准确的数据。

图1

 

此外，WBG晶体管的动态行为，包括动态通道电阻(Rds(on))、栅极电荷特性和各种损耗机制，可能受到温度、电压和其他工作条件的影响。准确表征这些动态行为需要能够模拟现实工作条件并在一系列温度、开关频率和负载条件下捕捉器件响应的测试方法。这对于确保器件在安全限度内运行以及预测其在各种现实场景下的性能至关重要。

 

克服这些挑战需要专用的测试设备。名为MADTHOR的测试台结合了经典的静态测试和双脉冲测试能力以及新颖的连续动态测试方法。

 

经典方法：静态晶体管测试

 

静态功率晶体管测量用于表征关键的直流电气参数，如导通电阻(Rds(on))、阈值电压(Vth)、栅电荷(Ciss/Coss/Crss)、漏电流(如Ids和栅漏电流)等。在MADTHOR系统中，有一个专用的静态测试插座，具备高达1200V的电压偏置能力和强大的100A直流电流能力，覆盖当前市场上GaN HEMT的选择以及许多SiC和IGBT的需求。

 

在图2中，展示了一种650V GaN HEMT(DFN封装类型)的脉冲Rds(on)测量，其数据表列出的Rds(on)最大值为600mΩ，Vgs为5V，在室温下进行测量。当Ids电流从1A增加到3.5A时，观察到Rds(on)从约430 mΩ非线性增加到570 mΩ。采用脉冲测量方法以减少器件的自热，从而提高测量精度。

图2

 

经典方法：双脉冲测试

 

双脉冲测试(DPT)在功率晶体管测试领域广泛应用，它关注晶体管开关过程中的几个阶段：DPT涉及对器件施加两个短脉冲电压，并测量产生的电流和电压波形。这允许对开关损耗和其他动态参数进行表征。在分析DPT的Vgs随时间变化时，可以分解为以下事件：

 

打开，起始于零电流

关闭，特定电流下

再次打开，特定电流下

关闭，特定电流下，高于先前值

 

图3描述了该过程。使用感性负载在打开后以受控方式增加电流。在给定的工作电压Vbus下，最大电流值可以通过选择开通时间来调节。

 

这种方法的基本局限性是固有的，因为脉冲仅短时间施加，无法允许晶体管在其实际工作区间内进行测试。尤其是宽带隙器件中，Rds(on)和动态Rds(on)的温度依赖性在行为和应用中起着重要作用。此外，第三象限操作的电压降远高于硅MOSFET，无法通过这种方式测量。此外，宽带隙技术涉及更快的开关，这使得在保持电源和栅极路径中的寄生效应较低的同时捕捉准确数据变得非常具有挑战性。为此，系统中开发了特殊技术，如“strømhenge”，以最小化由于分流电阻引起的寄生电感。

 

新颖测量方法：连续开关

 

为了最真实地建模宽带隙晶体管，必须在实际工作条件下对其进行测量，如同在应用中看到的那样。为扩展传统测试方法，开发了一种名为连续动态测试的新方法。

图3

 

该方法在MADTHOR系统中实施，是一种革命性的技术，旨在模拟典型SMPS晶体管波形并同时测量关键参数。连续开关原理是通过将双脉冲连接重新路由到经典的Buck转换器来实现的。通过创建一个由两个相同晶体管组成的半桥开关单元，形成一个现实的场景，如图4所示。

图4

 

连续开关方法可以提供与经典双脉冲测试互补的学习：

 

损耗分析及由此产生的自热行为

更准确的损耗分解：Rds(on)、开关损耗

更准确地确定动态Rds(on)及其在多个开关周期中随时间和自热效应的演变

测量第三象限操作及负栅极偏置的影响

在较长测试期间，Rds(on)和其他关键参数的潜在退化，可能伴随升高的环境温度

 

通过提供更全面和准确的器件行为图景，连续动态测试可以帮助工程师和研究人员优化器件设计，提高可靠性，并确保在广泛条件下的安全操作。

 

总结

 

宽带隙功率晶体管的发展彻底改变了功率电子技术领域，实现了效率、功率密度和整体系统性能的显著提高。然而，这些器件的独特特性要求新颖的测试方法，以全面理解、建模和优化其使用。