功率電子技術的快速發展，得益于寬帶隙(WBG)半導體材料的進步，尤其是氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)。與傳統硅材料相比，這些材料具有更高的擊穿電壓、更好的熱導率和更快的開關速度。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態響應的可能性。

寬帶隙晶體管在現代電力系統中扮演著關鍵角色，包括開關電源(SMPS)、逆變器和電動機驅動器，因為它們能夠實現近乎理想的開關行為。功率晶體管對開關電源的性能有著重要影響，包括效率、功率密度、動態行為、可靠性和電磁干擾(EMI)性能。寬帶隙器件在動態行為方面的研究仍在深入進行，例如動態通道電阻(Rds(on))、各種損耗機制、開關及其在任務特征下的退化。

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

寬帶隙晶體管表征中的挑戰

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

此外，WBG晶體管的動態行為，包括動態通道電阻(Rds(on))、柵極電荷特性和各種損耗機制，可能受到溫度、電壓和其他工作條件的影響。準確表征這些動態行為需要能夠模擬現實工作條件并在一系列溫度、開關頻率和負載條件下捕捉器件響應的測試方法。這對于確保器件在安全限度內運行以及預測其在各種現實場景下的性能至關重要。

克服這些挑戰需要專用的測試設備。名為MADTHOR的測試臺結合了經典的靜態測試和雙脈沖測試能力以及新穎的連續動態測試方法。

經典方法：靜態晶體管測試

靜態功率晶體管測量用于表征關鍵的直流電氣參數，如導通電阻(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系統中，有一個專用的靜態測試插座，具備高達1200V的電壓偏置能力和強大的100A直流電流能力，覆蓋當前市場上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，其數據表列出的Rds(on)最大值為600m?，Vgs為5V，在室溫下進行測量。當Ids電流從1A增加到3.5A時，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。

經典方法：雙脈沖測試

雙脈沖測試(DPT)在功率晶體管測試領域廣泛應用，它關注晶體管開關過程中的幾個階段：DPT涉及對器件施加兩個短脈沖電壓，并測量產生的電流和電壓波形。這允許對開關損耗和其他動態參數進行表征。在分析DPT的Vgs隨時間變化時，可以分解為以下事件：

打開，起始于零電流

關閉，特定電流下

再次打開，特定電流下

關閉，特定電流下，高于先前值

圖3描述了該過程。使用感性負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間來調節。

這種方法的基本局限性是固有的，因為脈沖僅短時間施加，無法允許晶體管在其實際工作區間內進行測試。尤其是寬帶隙器件中，Rds(on)和動態Rds(on)的溫度依賴性在行為和應用中起著重要作用。此外，第三象限操作的電壓降遠高于硅MOSFET，無法通過這種方式測量。此外，寬帶隙技術涉及更快的開關，這使得在保持電源和柵極路徑中的寄生效應較低的同時捕捉準確數據變得非常具有挑戰性。為此，系統中開發了特殊技術，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：連續開關

為了最真實地建模寬帶隙晶體管，必須在實際工作條件下對其進行測量，如同在應用中看到的那樣。為擴展傳統測試方法，開發了一種名為連續動態測試的新方法。

該方法在MADTHOR系統中實施，是一種革命性的技術，旨在模擬典型SMPS晶體管波形并同時測量關鍵參數。連續開關原理是通過將雙脈沖連接重新路由到經典的Buck轉換器來實現的。通過創建一個由兩個相同晶體管組成的半橋開關單元，形成一個現實的場景，如圖4所示。

連續開關方法可以提供與經典雙脈沖測試互補的學習：

損耗分析及由此產生的自熱行為

更準確的損耗分解：Rds(on)、開關損耗

更準確地確定動態Rds(on)及其在多個開關周期中隨時間和自熱效應的演變

測量第三象限操作及負柵極偏置的影響

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

通過提供更全面和準確的器件行為圖景，連續動態測試可以幫助工程師和研究人員優化器件設計，提高可靠性，并確保在廣泛條件下的安全操作。

總結

寬帶隙功率晶體管的發展徹底改變了功率電子技術領域，實現了效率、功率密度和整體系統性能的顯著提高。然而，這些器件的獨特特性要求新穎的測試方法，以全面理解、建模和優化其使用。