本文編譯自EETimes

評估電子設備的質量和耐用性是測試和測量的重要作用。測試測量對氮化鎵（GaN）尤為重要，這既是因為寬帶隙材料具有巨大潛力，可以滿足新興應用的更高效率的功率轉換需求，又因為GaN缺乏硅那樣的悠久歷史，所以可靠性相對較低。

基于寬帶隙半導體的開關特性，例如高電子遷移率，高擊穿電壓和低導通電阻，已經促使電源設計工程師開始考慮改善電源的可能性。寬禁帶電源模塊的優勢比其同類芯片產品大幾個數量級，其中包括10倍的耐壓，10倍至100倍的開關速度以及十分之一的功率損耗。它們本身也經過輻射硬化處理（rad-hard），理論結溫可高達600°C。除了較低的散熱要求外，該技術還可以為電力系統提供比目前的硅基器件高10倍的功率密度。

SiC有望實現輕量化，以降低航空航天業的燃油消耗和排放。對于給定的電壓和電流額定值，這種材料有助于在更小，更輕的設備中實現更高的開關頻率和更高的功率密度。

GaN與硅一樣，可用于制造半導體器件，例如二極管和晶體管。電源設計人員可以選擇GaN晶體管而不是硅，因為它的外形小巧且效率高。與具有更高散熱要求的硅器件相比，GaN晶體管的耗散功率更低，導熱性更高。GaN晶體管越來越多地用于汽車領域的各種領域，如動力總成，電流的轉換和使用，并有望在這些應用中取代硅。

EE Times Europe采訪了Keysight Technologies（是德科技）精密儀器和電源產品業務開發經理Alan Wadsworth以及Keysight電源解決方案顧問Mike Hawes，就測試測量行業如何滿足寬帶隙半導體應用領域的關鍵問題提出了Keysight的見解。

EE Times：功率半導體制造商認為，GaN基器件是解決擴展可再生能源的主要障礙的關鍵。針對測試測量行業方面來說，面臨著哪些挑戰？

Alan Wadsworth：GaN在開關模式電源轉換器中使用時，具有比硅更高的基本優勢，例如：更高的電壓，更低的損耗，更緊湊的外形和更快的開關速度。但是，其比“可靠的”硅基功率產品更大的風險。因此，對于基于GaN的產品設計人員來說，存在一些挑戰。

GaN器件的表征

GaN器件的表征提出了所有寬帶隙器件共有的一些挑戰，以及某些GaN特有的挑戰。常見的挑戰之一是數據手冊通常不足以準確地表示器件的操作性能。還需要在正常工作條件（數百安培和數千伏特）下準確表征非常小的導通電阻。該器件必須在數千伏的偏壓下準確表征。柵極電荷特性必須在一定范圍的工作條件下進行測量（同樣要在幾百安培和幾千伏特的條件下）。并且需要動態特性，包括傳導，驅動和開關損耗。

GaN器件還具有一些獨特的特性，例如與SiC器件不共享。GaN器件的獨特之處在于它們會經歷一種稱為電流崩塌的現象。這種行為使晶體管的導通電阻在導通后會動態變化，導通電阻的初始值取決于漏極電壓的大小和在截止狀態下的時間。所以，除非充分理解并抑制這種現象，否則不可能使用GaN器件設計可靠的電路。

圖1：具有雙脈沖測試儀（PD1500A）的動態功率設備分析儀（圖片：是德科技）

GaN器件建模

由于GaN器件具有快速切換功能（例如，上升和下降時間不到10納秒），因此精確的器件模型很少見。無法進行分布式電路分析的仿真器將不能準確反映設計中的振鈴和不穩定性。許多傳統的功率器件模型和仿真器無法反映設計的真實操作，從而導致采用反復試驗的方法進行多次原型迭代的設計。

GaN器件的可靠性

由于缺乏數十年在電源中的積累應用，GaN需要進行大量測試才能確定設備在關鍵任務應用（如可再生能源）中的可靠性。業界正在進行大量投資，以更好地評估GaN功率器件滿足多種功率應用需求的能力。在過去的幾年中，JEDEC成立了JC-70工作組，以為寬禁帶功率半導體（尤其是GaN和SiC）開發適當的標準。 JC-70的重點領域是關注可靠性，Datasheet和測試方法/特性。

EETimes：寬帶隙半導體的測試測量產品與硅應用相比如何？你能舉個例子嗎？

Mike Hawes：硅和寬禁帶器件（尤其是GaN）之間的關鍵區別之一是開關速度。GaN器件的開關速度通常比同類硅晶體管快10到100倍。在功率轉換電路中工作的GaN器件的開關頻率本身不夠快，不會產生問題，但是開關的高頻分量會產生電磁干擾[EMI]。

EMI當然在硅晶體管上也存在，但在GaN器件中更難緩解。原因是速度更快的器件產生的電壓變化更快，這可能會導致場效應晶體管的錯誤導通。如果發生這種情況，那么產生的浪涌電流會產生大量熱量，可能會導致災難性的電路故障。

如果設備建模軟件可以準確預測其行為，則可以幫助防止開關電路中出現此類問題。但是，準確地測量GaN器件的開關性能并非易事。

EETE：您的客戶在GaN市場中有哪些要求，特別是在電源領域？

Hawes：基于上述討論的問題，許多客戶希望使用一種現成的，標準化且可支持的解決方案來準確表征GaN器件的開關性能。這通常使用所謂的雙脈沖測試方法來完成。是德科技在2019年推出了針對硅和SiC器件的商用雙脈沖測試（DPT）解決方案（PD1500A），該解決方案已被全球多個客戶使用。是德科技使PD1500A能夠接受定制的GaN DUT板，從而允許將DPT用于GaN HEMT和GaN GIT器件。GaN共源共柵器件應盡快得到支持。盡管需要定制的GaN DUT板，但PD1500A現在能夠配置為測試分立的Si MOSFET，IGBT，SiC MOSFET和GaN MOSFET。

EETimes：GaN旨在為數字化、能源效率和未來移動領域中的一些主要挑戰提供解決方案。哪些技術可以為測試測量市場提供創新能力？

Wadsworth：GaN器件的特性對于您提到的市場中的設計師至關重要。業界正在努力測量具有如此高的電壓和電流要求以及高開關速度（帶寬）要求的GaN器件的動態特性。表征設備和設置中的bug常常掩蓋了被測GaN器件的真實動態性能，所以需要DPT夾具重新設計為低電感的，并且電流測量以及器件與夾具都需要均勻連接。

需要改進模型以考慮GaN器件的高頻特性，再加上能夠準確考慮分布式電路分析的仿真器，該仿真器能夠模擬高頻效應。電動汽車中使用的功率轉換器的溫度，建模/仿真也需要正確表示設計的熱效應。

對于電源轉換設計師來說，這是一個令人興奮的時刻。但是，隨著新技術在不斷變化，需要進行額外的建模、表征和可靠性測試，才能使GaN功率半導體在這些市場中實現其較高的期望。