電力電子的快速發(fā)展得益于寬禁帶（WBG）半導體材料的發(fā)展，尤其是氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）。這些材料與傳統(tǒng)硅相比具有優(yōu)越的性能，包括更高的擊穿電壓、更高的熱導率和更快的開關速度。這些特性使得功率晶體管具有顯著提高的性能特征，從而實現(xiàn)更高的效率和更快的動態(tài)響應。WBG 晶體管在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中至關重要，包括開關電源（SMPS）、逆變器、電機驅(qū)動器等，因為它們能夠?qū)崿F(xiàn)近乎理想的開關行為。功率晶體管對 SMPS 的性能有重大影響，包括效率、功率密度、動態(tài)行為、可靠性和 EMI 性能。這些 WBG 器件在任務過程中的動態(tài)行為，如動態(tài) R ds(on) ，各種損耗機制，開關和退化，仍然處于深入研究階段。

　　WBG 器件的優(yōu)異性能也帶來了準確測量和表征其行為的挑戰(zhàn)。這些器件的極快開關速度和其他獨特特性需要新的測試方法，以充分了解其功能和限制，確保其在各種應用中的和安全性運行。
　　寬禁帶晶體管表征的挑戰(zhàn)
　　WBG 晶體管，尤其是基于氮化鎵和碳化硅的晶體管，其開關速度比硅晶體管快幾個數(shù)量級。這種快速開關行為雖然有利于效率和功率密度，但對于測量系統(tǒng)來說卻帶來了重大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的測試設置可能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相關的高頻噪聲，難以在如此高的速度下捕捉準確數(shù)據(jù)。
　　此外，WBG 晶體管的動態(tài)特性，包括動態(tài)導通電阻（ Rds(on) ）、柵極電荷特性以及各種損耗機制，會受到溫度、電壓和其他工作條件的影響。準確表征這些動態(tài)特性需要能夠復制真實工作條件并捕捉器件在溫度、開關頻率和負載條件范圍內(nèi)的響應的測試方法。這對于確保器件在安全范圍內(nèi)運行以及預測其在各種實際場景下的性能至關重要。
　　克服這些挑戰(zhàn)需要專用測試設備。MADTHOR 測試平臺結(jié)合了經(jīng)典的靜態(tài)和雙脈沖測試能力，以及新穎的連續(xù)動態(tài)測試方法。
　　經(jīng)典方法：靜態(tài)晶體管測試
　　靜態(tài)功率晶體管測量可以表征關鍵的直流電氣參數(shù)，如導通電阻（R ds(on) ）、閾值電壓（V th ）、柵極電荷（C iss /C oss /C rss ）、漏電流（如 I ds 和柵極漏電流）等。在 MADTHOR 系統(tǒng)中，有一個專用的靜態(tài)測試插座，具有高達 1200V 的電壓偏置能力和強大的 100A 直流電流能力，覆蓋了當前 GaN HEMT 市場選擇以及許多 SiC 和 IGBT 的需求。

　　在圖 2 中，對 650V GaN HEMT（DFN 封裝類型）進行脈沖 R ds(on) 測量的示例，在室溫下，數(shù)據(jù)表列出的 R ds(on) 值為 600m，在 V gs 為 5V 時。隨著 I ds 電流從 1A 增加到 3.5A，觀察到 R ds(on) 從約 430 m?非線性增加到 570 m。脈沖測量方法被用來減少器件的自熱，從而提高測量的準確性。

　　圖 2. 650V GaN HEMT（ 600m（數(shù)據(jù)表值））的脈沖 R ds(on) 測量。圖片由 Bodo 的電力系統(tǒng)提供
　　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域得到廣泛應用，它考察晶體管開關過程中的幾個階段：DPT 包括向器件施加兩個短電壓脈沖并測量產(chǎn)生的電流和電壓波形。這有助于表征開關損耗和其他動態(tài)參數(shù)。當分析 DPT 的 V gs 隨時間變化時，它分解為以下事件：
　　導通，從零電流開始
　　在給定電流下關閉
　　在給定電流下開啟

　　關斷，在某個電流下，高于前值

　　圖 3 展示了此過程。使用電感負載以可控的方式在開啟后提升電流。給定工作電壓 V bus ，可以通過選擇開啟時間來調(diào)整電流值。
　　這種方法的根本局限性是固有的，因為脈沖只是短暫應用，不允許晶體管在實際工作狀態(tài)下進行測試。特別是在 WBG 中，R ds(on) 和動態(tài) R ds(on) 的溫度依賴性在行為和應用中起著重要作用。此外，與硅 MOSFET 相比，第三象限操作需要承受更高的電壓降，這種方式無法進行測量。此外，WBG 技術涉及更快的開關，這使得在保持功率和柵極路徑的寄生元件低的情況下捕獲準確數(shù)據(jù)變得更加具有挑戰(zhàn)性。為此，系統(tǒng)開發(fā)了特殊技術，如“strmhenge”，以化由分流電阻引起的寄生電感。
　　新穎測量方法：連續(xù)切換
　　為了以真實的方式模擬 WBG 晶體管，有必要在實際工作條件下對其進行測量，就像在應用中看到的那樣。為了擴展傳統(tǒng)的測試方法，已經(jīng)開發(fā)了一種名為連續(xù)動態(tài)測試的新方法。這種方法在 MADTHOR 系統(tǒng)中得到實施，是一種革命性的技術，可以模擬典型的 SMPS 晶體管波形，并同時測量關鍵參數(shù)。連續(xù)切換原理基于將雙脈沖連接性重新路由到經(jīng)典的 Buck 轉(zhuǎn)換器。通過創(chuàng)建由兩個相同晶體管組成的半橋切換單元，可以創(chuàng)建一個如圖 4 所示的逼真場景。
　　連續(xù)切換方法可以帶來與經(jīng)典雙脈沖測試互補的見解：
　　損耗分析和由此產(chǎn)生的自熱行為
　　更的損耗分解：Rds(on)，開關損耗
　　更地確定動態(tài) Rds(on)及其在多個開關周期中的演變，考慮時間和自熱效應
　　第三象限操作測量及其對負柵極偏置的影響
　　在較長的測試周期內(nèi)，Rds(on)和其他關鍵參數(shù)的潛在退化，可能結(jié)合較高的環(huán)境溫度

　　通過提供對設備行為的更全面和準確的描述，連續(xù)動態(tài)測試可以幫助工程師和研究人員優(yōu)化設備設計，提高可靠性，并確保在各種條件下安全運行。

　　圖 3. DPT 程序及其波形分解?？紤]了實際生活中的寄生元件，導致 V ds 和 I ds 波形中出現(xiàn)的非理想過沖和欠沖。圖片由 Bodo 的電力系統(tǒng)提供。

　　圖 4. (a) GaN e 模式 HEMT 的反向 IV 曲線，展示了 3 rd 象限的行為 (b) GaN HEMT 在 3 rd 象限操作期間的電流流動狀態(tài) (c) 連續(xù)切換原理下的連續(xù)切換波形。圖片由 Bodo 的電力系統(tǒng)提供。