能源發(fā)展趨勢和測試新要求，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)動力，而對高效電源的需求正在加速增長。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。工程師必須重新評估他們的驗(yàn)證和測試方法，以應(yīng)對當(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)境的兩個關(guān)鍵驅(qū)動力，當(dāng)前對高效能源轉(zhuǎn)換的需求正在加速增長。同時地方法規(guī)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(shù)據(jù)的關(guān)鍵。這促使國營和私營企業(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，提高自動駕駛電動汽車、電池管理系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動器的功率轉(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的電氣化領(lǐng)域，包括電網(wǎng)儲能、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)計方向發(fā)展。更小、更輕設(shè)計的功率密度優(yōu)勢在電動汽車等空間受限以及移動應(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)成本的角度來看。與此同時，隨著各國政府推出經(jīng)濟(jì)激勵措施和更加嚴(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。在整個發(fā)電、輸電和用電鏈條中，功率轉(zhuǎn)換器在多個階段運(yùn)行，由于這些運(yùn)行都不是 100% 高效的，因此每個階段都會出現(xiàn)一些功率損耗。主要由于能量以熱量形式損失，整體效率的降低會在整個循環(huán)過程中成倍增加。

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） 也會進(jìn)一步降低。動力設(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(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，面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是，這些設(shè)計目標(biāo)通常會相互矛盾。比方說，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)頻率也會產(chǎn)生額外的熱量和電磁干擾（EMI）風(fēng)險。因此， 因發(fā)熱而損失的電能會造成產(chǎn)品質(zhì)量和運(yùn)行成本方面的問題，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(jī)、手持電動工具和便攜式個人醫(yī)療監(jiān)測系統(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汽車 (EV) 的信息娛樂系統(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)計人員減小功率轉(zhuǎn)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(xì)分市場。

從傳統(tǒng)硅過渡到寬禁帶半導(dǎo)體使得電源模塊尺寸設(shè)計得更小，同時還能提高M(jìn)OSFET開關(guān)速度和能效。而競爭情況導(dǎo)致這些設(shè)計參數(shù)更加重要，設(shè)計工程師必須重新評估他們的驗(yàn)證和測試方法。實(shí)際上，在功率轉(zhuǎn)換器的設(shè)計和生產(chǎn)中的測試項(xiàng)目以及測試采用的系統(tǒng)和前幾代是相似的，但是寬禁帶材料要求測試更加嚴(yán)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(jù)要求，需要在設(shè)備或子系統(tǒng)層面進(jìn)行功能和可靠性測試，以確?；谛虏牧系脑O(shè)計在消費(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)的長期可靠性對于滿足必要的法規(guī)和安全要求至關(guān)重要。要提高能效，需要極大提高測試的準(zhǔn)確性和嚴(yán)格性，此外，數(shù)據(jù)測量必須足夠可靠，來滿足法規(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：吉時利2400系列圖形觸摸屏源測量單元 (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)證測試要求，使工程師能夠更快地將產(chǎn)品推向市場，以應(yīng)對電氣化的挑戰(zhàn)。公司正在測試和測量工具方面取得重大進(jìn)展， 以幫助電源設(shè)計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)對日常挑戰(zhàn)，例如

■ 簡化測試設(shè)置，減少測量誤差

■  縮短測量時間，提取開關(guān)參數(shù)

■  提高設(shè)計高效功率轉(zhuǎn)換的測量精度

泰克服務(wù)于WBG半導(dǎo)體發(fā)展的四個重點(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。對更環(huán)保的發(fā)電解決方案的需求正在推動更高溫的超導(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)制造高靈敏度的測試測量儀器，專業(yè)水平長期處于世界領(lǐng)先地位。產(chǎn)品線包括圖形化系列源測量單元 (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曲線測試系統(tǒng)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(dǎo)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(yīng)用軟件，隨時對WBG器件的關(guān)鍵特性進(jìn)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(tǒng)

雙脈沖測試

對功率半導(dǎo)體器件工程師來說，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)計必須經(jīng)過嚴(yán)格測量，以確保符合標(biāo)準(zhǔn)。測量開關(guān)參數(shù)和評估硅、碳化硅和氮化鎵MOSFET和IGBT動態(tài)特性的標(biāo)準(zhǔn)測試方法是雙脈沖測試 (DPT)。雙脈沖測試用于測量器件導(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(fù)載電感放在第二個器件一側(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)計復(fù)制需要用到的電路狀態(tài)。

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(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)，以及用于測量由此產(chǎn)生的波形的示波器。

圖5：雙脈沖測試系統(tǒng)

一直以來，由于函數(shù)發(fā)生器通常沒有內(nèi)置測試配置，也不能設(shè)置測試的方法，因此調(diào)試測試環(huán)境的過程非常耗時。最新的AFG（如泰克AFG31000系列）包括一個內(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，大大簡化了工程師的操作過程。

圖6：泰克AFG31000系列內(nèi)置雙脈沖測試配置

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示波器和自動功率分析軟件可輕松進(jìn)行開關(guān)損耗測量。

由于接通和關(guān)斷頻率高，以及存在高共模電壓（如Vds），浮動差分測量（如高壓側(cè)Vgs）通常難以進(jìn)行，因?yàn)槭静ㄆ魈筋^在高帶寬下沒有足夠的共模抑制能力。共模抑制能力差會導(dǎo)致測量結(jié)果受共模誤差影響，而非實(shí)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(jìn)行精確的差分測量。使用IsoVu探頭，可以精確計算和驗(yàn)證傳導(dǎo)損耗、死區(qū)時間損耗和開關(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)步正在推動清潔、可再生和可靠能源生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展，同時也為工程師帶來了新的挑戰(zhàn)。舊有的測試工具和技術(shù)根本無法滿足需求，如果無法測量關(guān)鍵參數(shù)值，也無法確保關(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(yīng)對當(dāng)今和未來的電氣化生態(tài)系統(tǒng)的挑戰(zhàn)。