能源發(fā)展趨勢(shì)和測(cè)試新要求，如何促進(jìn)功率轉(zhuǎn)換效率的提升

目前電氣化仍是減少碳排放的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，而對(duì)高效電源的需求正在加速增長(zhǎng)。與傳統(tǒng)硅器件相比，寬禁帶技術(shù)，如碳化硅（SiC）和氮化鎵（ GaN）等仍是促進(jìn)功率轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。工程師必須重新評(píng)估他們的驗(yàn)證和測(cè)試方法，以應(yīng)對(duì)當(dāng)今電氣化的挑戰(zhàn)。

數(shù)字化和電氣化仍然是提高生產(chǎn)力和保護(hù)環(huán)境的兩個(gè)關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)力，當(dāng)前對(duì)高效能源轉(zhuǎn)換的需求正在加速增長(zhǎng)。同時(shí)地方法規(guī)和政策正在號(hào)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(shù)據(jù)的關(guān)鍵。這促使國(guó)營(yíng)和私營(yíng)企業(yè)大規(guī)模投資于新型半導(dǎo)體技術(shù)和供應(yīng)鏈，以提高半導(dǎo)體功率晶體管、電源模塊、電源管理集成電路 (PMIC) 和電源轉(zhuǎn)換 / 逆變系統(tǒng)的效率。

隨著低功耗、低電平電壓和電流控制半導(dǎo)體器件和設(shè)計(jì)成熟，投資正轉(zhuǎn)向更優(yōu)功率表現(xiàn)的方向，一方面是數(shù)字化，提高為數(shù)據(jù)中心供電的效率，另一方面是電氣化，提高自動(dòng)駕駛電動(dòng)汽車、電池管理系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的功率轉(zhuǎn)換效率。除數(shù)據(jù)中心和汽車應(yīng)用外，投資還集中在其他可提供可觀投資回報(bào)的電氣化領(lǐng)域，包括電網(wǎng)儲(chǔ)能、重型車輛等大型交通工具、鐵路系統(tǒng)以及即將推出的城市空中交通系統(tǒng)等飛機(jī)電氣化領(lǐng)域。

政策和經(jīng)濟(jì)的雙重壓力不斷推動(dòng)先進(jìn)工業(yè)和其他高壓電力電子產(chǎn)品向更小、更快和更高效的設(shè)計(jì)方向發(fā)展。更小、更輕設(shè)計(jì)的功率密度優(yōu)勢(shì)在電動(dòng)汽車等空間受限以及移動(dòng)應(yīng)用中尤為明顯，但緊湊型電力電子設(shè)備也是更廣泛的理想選擇，尤其是從降低系統(tǒng)成本的角度來(lái)看。與此同時(shí)，隨著各國(guó)政府推出經(jīng)濟(jì)激勵(lì)措施和更加嚴(yán)格的能效法規(guī)，能效的重要性也日益凸顯。

從發(fā)電到用電，電力電子產(chǎn)品都需要提高能效。在整個(gè)發(fā)電、輸電和用電鏈條中，功率轉(zhuǎn)換器在多個(gè)階段運(yùn)行，由于這些運(yùn)行都不是 100% 高效的，因此每個(gè)階段都會(huì)出現(xiàn)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(huì)在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中成倍增加。

同樣，除了提高效率外，減小功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的尺寸和重量也至關(guān)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(yùn)行成本（OPEX） 也會(huì)進(jìn)一步降低。動(dòng)力設(shè)備的效率、尺寸和重量是許多應(yīng)用的關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素。比方說(shuō)，就電動(dòng)汽車而言，所有這三個(gè)因素都有助于增加車輛在兩次充電之間的續(xù)航里程，而較低的設(shè)備成本則有助于使車輛的總體成本與傳統(tǒng)車輛持平。

電力電子行業(yè)既要減小物理尺寸，又要提高能效，面臨的一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，這些設(shè)計(jì)目標(biāo)通常會(huì)相互矛盾。比方說(shuō)，提高轉(zhuǎn)換器電路的開關(guān)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(chǎn)成本生產(chǎn)出更緊湊的設(shè)備。另一方面，較高的開關(guān)頻率也會(huì)產(chǎn)生額外的熱量和電磁干擾（EMI）風(fēng)險(xiǎn)。因此， 因發(fā)熱而損失的電能會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行成本方面的問(wèn)題，反而降低了能效。

盡管傳統(tǒng)的硅技術(shù)仍將用于功率應(yīng)用領(lǐng)域，但包括氮化鎵(GaN) 和碳化硅 (SiC) 在內(nèi)的寬禁帶半導(dǎo)體正在超越傳統(tǒng)硅基器件的表現(xiàn)。采用寬禁帶半導(dǎo)體突破了硅基器件的局限性，因?yàn)楣枋且环N窄帶隙器件，會(huì)導(dǎo)致不良導(dǎo)電漏電， 隨著溫度、電壓或頻率的升高，漏電現(xiàn)象會(huì)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(yōu)的溫度表現(xiàn)、更快的頻率響應(yīng)速度，更少的漏電以及更低的導(dǎo)通電阻，這些都可以帶來(lái)更高的運(yùn)行效率。

寬禁帶 (WBG) 半導(dǎo)體可以降低傳輸損耗并加快開關(guān)速度，非常適合于設(shè)備的快速充電。氮化鎵在提高功率密度的同時(shí)縮小了尺寸，有助于改善電池充電時(shí)間等各方面的性能，尤其是手機(jī)、手持電動(dòng)工具和便攜式個(gè)人醫(yī)療監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等工具中發(fā)揮作用，當(dāng)然應(yīng)用案例在不斷拓展，比方說(shuō)寬禁帶半導(dǎo)體還可以用在電子電源供應(yīng)和射頻功率放大器中。氮化鎵還適用于電動(dòng)汽車 (EV) 的信息娛樂(lè)系統(tǒng)和其他座艙零部件中。

相比之下，圍繞碳化硅的技術(shù)更適合大功率應(yīng)用，如電力傳輸、大型暖通空調(diào)設(shè)備和工業(yè)系統(tǒng)。與硅金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)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(yōu)點(diǎn)有助于設(shè)計(jì)人員減小功率轉(zhuǎn)換器的尺寸、重量和成本，使其更具競(jìng)爭(zhēng)力，尤其是在航空航天、軍事和電動(dòng)汽車等利潤(rùn)潛力較大的細(xì)分市場(chǎng)。

從傳統(tǒng)硅過(guò)渡到寬禁帶半導(dǎo)體使得電源模塊尺寸設(shè)計(jì)得更小，同時(shí)還能提高M(jìn)OSFET開關(guān)速度和能效。而競(jìng)爭(zhēng)情況導(dǎo)致這些設(shè)計(jì)參數(shù)更加重要，設(shè)計(jì)工程師必須重新評(píng)估他們的驗(yàn)證和測(cè)試方法。實(shí)際上，在功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的測(cè)試項(xiàng)目以及測(cè)試采用的系統(tǒng)和前幾代是相似的，但是寬禁帶材料要求測(cè)試更加嚴(yán)格。

面對(duì)更高的功率密度和效率要求，工程師們需要更高的測(cè)量精度。根據(jù)要求，需要在設(shè)備或子系統(tǒng)層面進(jìn)行功能和可靠性測(cè)試，以確?；谛虏牧系脑O(shè)計(jì)在消費(fèi)領(lǐng)域以外的關(guān)鍵應(yīng)用中性能足夠穩(wěn)定，在這些應(yīng)用中，系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性對(duì)于滿足必要的法規(guī)和安全要求至關(guān)重要。要提高能效，需要極大提高測(cè)試的準(zhǔn)確性和嚴(yán)格性，此外，數(shù)據(jù)測(cè)量必須足夠可靠，來(lái)滿足法規(guī)和認(rèn)證要求，還要滿足通用的JEDEC JC-70寬禁帶功率電子轉(zhuǎn)換半導(dǎo)體標(biāo)準(zhǔn)。

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

泰克產(chǎn)品直接面向器件特性表征和驗(yàn)證測(cè)試要求，使工程師能夠更快地將產(chǎn)品推向市場(chǎng)，以應(yīng)對(duì)電氣化的挑戰(zhàn)。公司正在測(cè)試和測(cè)量工具方面取得重大進(jìn)展， 以幫助電源設(shè)計(jì)工程師快速獲得更可靠的結(jié)果。新的儀器功能可幫助工程師應(yīng)對(duì)日常挑戰(zhàn)，例如

■ 簡(jiǎn)化測(cè)試設(shè)置，減少測(cè)量誤差

■  縮短測(cè)量時(shí)間，提取開關(guān)參數(shù)

■  提高設(shè)計(jì)高效功率轉(zhuǎn)換的測(cè)量精度

泰克服務(wù)于WBG半導(dǎo)體發(fā)展的四個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域 

■ 寬禁帶半導(dǎo)體材料研究

■ 寬禁帶器件的表征

■ 雙脈沖測(cè)試

■ 驗(yàn)證寬禁帶器件

寬禁帶半導(dǎo)體材料研究

為了在降低功耗的同時(shí)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(dǎo)電性的獨(dú)特二維（2-D）材料。對(duì)更環(huán)保的發(fā)電解決方案的需求正在推動(dòng)更高溫的超導(dǎo)體和功率轉(zhuǎn)換所必需的功率半導(dǎo)體的研究。雖然目前的首選材料是氮化鎵和碳化硅，但有關(guān)新型WBG材料的研究還在進(jìn)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(yōu)異的功率性能。吉時(shí)利是泰克公司旗下的一家公司，致力于生產(chǎn)制造高靈敏度的測(cè)試測(cè)量?jī)x器，專業(yè)水平長(zhǎng)期處于世界領(lǐng)先地位。產(chǎn)品線包括圖形化系列源測(cè)量單元 (SMU) 儀器和半導(dǎo)體參數(shù)分析儀系列，可用于電阻率、霍爾效應(yīng)和遷移率測(cè)量，幫助研究人員、科學(xué)家和工程師在寬禁帶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域發(fā)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(yīng)用到新型電源研究中。為此，我們對(duì)器件進(jìn)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(guān)系的基本方法。利用SMU或參數(shù)分析儀等儀器和相應(yīng)軟件，可生成I-V圖形曲線，用于顯示流經(jīng)電子設(shè)備或電路的電流與其端子上施加的電壓之間的關(guān)系。

吉時(shí)利的2400圖形化系列SMU、4200A-SCS參數(shù)分析儀和2600-PCT大功率I-V曲線測(cè)試系統(tǒng)最大程度地縮短了工程師的繪制曲線的時(shí)間，可以幫助工程師更快地將半導(dǎo)體器件推向市場(chǎng)。您可以通過(guò)圖形用戶界面或吉時(shí)利KickStart或ACS-Basic等應(yīng)用軟件，隨時(shí)對(duì)WBG器件的關(guān)鍵特性進(jìn)行測(cè)量，如I-V測(cè)試、擊穿電壓測(cè)試和漏電流測(cè)試。

圖3：配備ACS-Basic軟件的吉時(shí)利2600-PCT I-V曲線測(cè)試系統(tǒng)

雙脈沖測(cè)試

對(duì)功率半導(dǎo)體器件工程師來(lái)說(shuō)，盡可能減小開關(guān)損耗仍然是面臨的一大挑戰(zhàn)。這些設(shè)計(jì)必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格測(cè)量，以確保符合標(biāo)準(zhǔn)。測(cè)量開關(guān)參數(shù)和評(píng)估硅、碳化硅和氮化鎵MOSFET和IGBT動(dòng)態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試方法是雙脈沖測(cè)試 (DPT)。雙脈沖測(cè)試用于測(cè)量器件導(dǎo)通和關(guān)斷期間的能量損耗及其反向恢復(fù)參數(shù)。

雙脈沖測(cè)試需要用到兩個(gè)WGB器件，一個(gè)器件是待測(cè)器件，第二個(gè)器件是和待測(cè)件相同類型的器件。注意負(fù)載電感放在第二個(gè)器件一側(cè)。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(shè)計(jì)復(fù)制需要用到的電路狀態(tài)。

圖4：雙脈沖測(cè)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(fā)MOSFET柵極使其打開從而開始導(dǎo)通電流的任意函數(shù)發(fā)生器 (AFG)，以及用于測(cè)量由此產(chǎn)生的波形的示波器。

圖5：雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)

一直以來(lái)，由于函數(shù)發(fā)生器通常沒(méi)有內(nèi)置測(cè)試配置，也不能設(shè)置測(cè)試的方法，因此調(diào)試測(cè)試環(huán)境的過(guò)程非常耗時(shí)。最新的AFG（如泰克AFG31000系列）包括一個(gè)內(nèi)置軟件應(yīng)用程序，可直接從儀器的觸摸屏界面進(jìn)行DPT操作，大大簡(jiǎn)化了工程師的操作過(guò)程。

圖6：泰克AFG31000系列內(nèi)置雙脈沖測(cè)試配置

寬禁帶器件的驗(yàn)證

分析功率損耗和優(yōu)化電源效率前所未有得重要。影響效率的關(guān)鍵因素之一是開關(guān)設(shè)備的損耗。例如，典型開關(guān)模式電源的效率約為87%，這意味著13%的輸入功率在電源內(nèi)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(guān)設(shè)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(dòng)功率分析軟件可輕松進(jìn)行開關(guān)損耗測(cè)量。

由于接通和關(guān)斷頻率高，以及存在高共模電壓（如Vds），浮動(dòng)差分測(cè)量（如高壓側(cè)Vgs）通常難以進(jìn)行，因?yàn)槭静ㄆ魈筋^在高帶寬下沒(méi)有足夠的共模抑制能力。共模抑制能力差會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果受共模誤差影響，而非實(shí)際差分信號(hào)。使用泰克 IsoVu?隔離探頭可以輕松解決這些問(wèn)題，在氮化鎵和碳化硅器件的工作要求下，IsoVu?探頭不會(huì)隨頻率衰減，能夠支持進(jìn)行精確的差分測(cè)量。使用IsoVu探頭，可以精確計(jì)算和驗(yàn)證傳導(dǎo)損耗、死區(qū)時(shí)間損耗和開關(guān)損耗。

圖7：泰克5B系列MSO示波器和IsoVu探頭。

｜結(jié)論｜

我們生活在一個(gè)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(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步正在推動(dòng)清潔、可再生和可靠能源生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)也為工程師帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)。舊有的測(cè)試工具和技術(shù)根本無(wú)法滿足需求，如果無(wú)法測(cè)量關(guān)鍵參數(shù)值，也無(wú)法確保關(guān)鍵設(shè)備的功能，我們的進(jìn)步也只能止步不前。研究人員和工程師對(duì)泰克和吉時(shí)利的測(cè)試測(cè)量解決方案抱有極大期望，其解決方案能夠助力應(yīng)對(duì)當(dāng)今和未來(lái)的電氣化生態(tài)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。