從 1958 年通用電氣公司發(fā)布第一款工業(yè)用普通晶閘管開始，電能的轉(zhuǎn)換和控制就進(jìn)入了電力電子器件構(gòu)成的變流器時(shí)代，這也標(biāo)志著電力電子技術(shù)的誕生。電力電子技術(shù)也應(yīng)用非常廣泛，包括各種電子產(chǎn)品、家用電器、航空航天、新能源領(lǐng)域的光伏逆變器、電動(dòng)汽車電力系統(tǒng)、智能電網(wǎng)、軌道交通等。

電力電子是現(xiàn)代科學(xué)、工業(yè)和國(guó)家部委的重要支撐技術(shù)，而半導(dǎo)體功率器件則是電力電子技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，也是電力電子模塊中成本占比最高，同時(shí)也是最容易發(fā)生故障的元器件。

怎么選擇更適合產(chǎn)品設(shè)計(jì)的功率器件，如何分析功率器件的不良原因等都是電力電子行業(yè)從業(yè)者最為關(guān)系的問(wèn)題。

是德科技作為測(cè)量行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者，提供最全面的功率器件解決方案，小編在這里給大家匯總一下，值得收藏：

1. 功率器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試

2. 功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試

3. 功率器件 On-Wafer 參數(shù)測(cè)試

4. 電力電子器件建模

5. 電力電子電路仿真平臺(tái)

器件靜態(tài)參數(shù)測(cè)試

靜態(tài)參數(shù)主要是指本身固有的，與其工作條件無(wú)關(guān)的相關(guān)參數(shù)，主要包括：門極開啟電壓、門極擊穿電壓，集電極發(fā)射極間耐壓、集電極發(fā)射極間漏電流、寄生電容（輸入電容、轉(zhuǎn)移電容、輸出電容），以及以上參數(shù)的相關(guān)特性曲線的測(cè)試。

碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）等全新寬帶隙材料能夠支持大電壓和高切換速度，在新興大功率應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊前景。IGBT 可以作為眾多應(yīng)用的電子開關(guān)，并且其重要性持續(xù)增加。在高電壓直流偏置條件下（高達(dá) 3kV），高擊穿電壓（達(dá) 10kV）、大電流（數(shù)千安培）、柵極電荷以及連接電容表征和器件溫度特征和 GaN 器件電流崩潰效應(yīng)測(cè)量功能都十分必要，是推動(dòng)新器件盡快上市的重要保證。

面對(duì)功率器件高壓、高流的測(cè)試要求，Keysight 可以提供 B1505A 和 B1506A 兩套測(cè)試方案，可以支持晶圓和封裝器件全參數(shù)測(cè)試：

■測(cè)量所有 IV 參數(shù)（Ron、BV、泄漏、Vth、Vsat 等）；

■測(cè)量高電壓 3kV 偏置下的輸入、輸出和反向轉(zhuǎn)移電容；

■支持自動(dòng) CV 測(cè)試；

■測(cè)量柵極電荷（Qg）；

■電流崩塌測(cè)試；

■高低溫測(cè)試功能（-50°C 至 +250°C）。

典型測(cè)試案例

其中 B1506A 有著寬泛的電流和電壓工作范圍（1500A，3kV），易于使用并且支持全自動(dòng)測(cè)試，可以完成功率器件 IV、CV 和 Qg 全參數(shù)測(cè)試，最終輸出產(chǎn)品 Datasheet 報(bào)告。

使用 B1506A 的 Datasheet 測(cè)試功能對(duì)某 IGBT 功率模塊進(jìn)行實(shí)測(cè)，整個(gè)測(cè)試過(guò)程使用非常簡(jiǎn)單，在極短的時(shí)間內(nèi)完成 IV、CV 和 Qg 參數(shù)測(cè)試。

具體測(cè)試步驟如下：

1、選擇 IGBT 測(cè)試模板，按照測(cè)試要求設(shè)置測(cè)試條件；

2、設(shè)置測(cè)試曲線的顯示范圍；

3、選擇需要測(cè)試的參數(shù)；

4、點(diǎn)擊執(zhí)行測(cè)試。

測(cè)試完成后，可以生成 Datasheet 測(cè)試報(bào)告如下所示，包括 IV 參數(shù)（擊穿電壓、漏電、開啟特性），CV 參數(shù)（Rg、輸入、輸出和反向傳輸電容）和柵極電荷 Qg。

圖：實(shí)際測(cè)試結(jié)果

功

試

隨著開關(guān)頻率的不斷增加，器件的開關(guān)損耗超過(guò)靜態(tài)損耗成為主要功耗來(lái)源，器件的動(dòng)態(tài)參數(shù)也成為評(píng)估器件性能的重要參數(shù)。相對(duì)于器件的靜態(tài)參數(shù)，動(dòng)態(tài)參數(shù)主要表征的是器件在開啟或關(guān)斷瞬間的電學(xué)特性參數(shù)。

是德科技最新發(fā)布的功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試儀 PD1500A，涵蓋的測(cè)試包括：

■開啟特性：t_d(on)，t_r，t_on，e_(on)，dv/dt，di/dt

■關(guān)斷特性：t_{d(off)，}t_f，t_off，e_(off)，dv/dt，di/dt

■開關(guān)特性：I_d vs t，V_ds vs t，V_gs vs t，I_g vs t，e vs t，I_d vs V_ds

■反向恢復(fù)：t_rr，Q_rr，E_rr，I_rr，I_d vs t

■柵極電荷：V_g vs Q_g（Q_gs(th)，Q_gs(pl)，Q_gd）

■輸出特性曲線：I_d vs V_g，I_d vs V_d

■短路測(cè)試和雪崩能量，Dynamic Ron（可升級(jí)）

Keysight PD1500A 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試儀基于雙脈沖測(cè)試原理，結(jié)合 Keysight 專業(yè)的測(cè)量技術(shù)，例如使用鉗位線路解決示波器過(guò)驅(qū)動(dòng)恢復(fù)問(wèn)題，示波器 ADC 自動(dòng)補(bǔ)償和校準(zhǔn)，通道時(shí)間延時(shí)自動(dòng)校準(zhǔn)，去嵌技術(shù)實(shí)現(xiàn) GHz 帶寬大電流的測(cè)試，專用測(cè)試夾具消除寄生參數(shù)的影響，來(lái)實(shí)現(xiàn)高精度可重復(fù)的專業(yè)級(jí)測(cè)量，支持 IGBT, MOSFET, SiC MOSFET，GaN（可升級(jí)）等功率器件動(dòng)態(tài)參數(shù)的測(cè)量。

功率器件 On-Wafer 參數(shù)測(cè)試

在封裝之前，晶圓上測(cè)量可以采集重要的工藝信息，幫助節(jié)省大量的時(shí)間和資金，在晶圓上執(zhí)行大功率器件測(cè)試的效率高于封裝測(cè)量。然而，功率器件晶圓上測(cè)量必須解決電壓與電流問(wèn)題。

B1505A 支持低殘余電阻電纜以及能夠連接所有常用大功率分析晶圓探頭的連接器和適配器。您可以使用 B1505A 執(zhí)行此前無(wú)法實(shí)現(xiàn)的高達(dá) 200A 和 10kV 的大電流和高電壓晶圓上測(cè)量，以及高達(dá) 3kV 的晶圓上 IGBT/FET 電容與柵極電荷測(cè)量。并且，B1505A 支持眾多晶圓探頭互鎖機(jī)制，可以確保晶圓上器件測(cè)試的安全性。

大多數(shù)功率器件都以提升可承受電壓和降低器件導(dǎo)通電阻為目標(biāo)，意味著測(cè)試應(yīng)用的電流和電壓將隨之增大。B1505A 的體系結(jié)構(gòu)非常適合上述開發(fā)環(huán)境。例如，B1505A 配置 HCMSU 與 20 A 電流測(cè)量功能的解決方案可以方便地升級(jí)：添加 UHC 模塊即可支持 500A 或 1500A 的測(cè)量。

如下圖所示，在使用 B1505A 連接探針臺(tái)構(gòu)建一套高壓（3KV，甚至高達(dá) 10KV）和高流（500A）測(cè)試系統(tǒng)。

圖：高壓高流 On-Wafer 測(cè)試系統(tǒng)

電

力電子器件建模

線路仿真能夠有效地降低項(xiàng)目中的風(fēng)險(xiǎn)，縮減項(xiàng)目周期和成本，為了達(dá)到準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，首先要有準(zhǔn)確的器件模型，尤其在功率器件的部分。根據(jù)前面提到的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量，我們還需要測(cè)試器件 S 參數(shù)用來(lái)提取封裝特性及不同偏置電壓下的動(dòng)態(tài)電容變化。有了所有這些參數(shù)，就可以轉(zhuǎn)換成準(zhǔn)確的功率器件模型。

現(xiàn)在大多數(shù)功率器件都是基于 Level 3 MOS 管的模型，加上許多非線性方程式結(jié)合而成。這需要對(duì)功率器件及建模有充分的認(rèn)識(shí)才能實(shí)現(xiàn)。是德科技針對(duì)電力電子功率器件提供了專用的模型，可以基于 PD-1000A 測(cè)量到的靜動(dòng)態(tài)參數(shù)，S 參數(shù)直接進(jìn)行建模，自動(dòng)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的模型。此軟件就是 PEMG（Power Electronics Model Generator）.PEMG內(nèi)針對(duì)三種器件提供模型，分別是 GaN HEMT，IGBT 以及 PowerMOS，可以涵蓋所有主流的功率器件。

在這三種模型中，GaN HEMT 使用的是 ASM-HEMT 模型，此模型在 2017 年通過(guò) CMC 協(xié)會(huì)的認(rèn)證，為標(biāo)準(zhǔn)化的器件模型。而 IGBT 和 POWERMOS 模型是參考 Angelov 模型中的方程，簡(jiǎn)歷穩(wěn)定、方便使用的模型。PEMG 提供整合的模型界面及參考建模流程，使用者可以在同一界面下，完成儀器測(cè)量（動(dòng)靜態(tài)參數(shù)，S 參數(shù)），自動(dòng)讀取參數(shù)，參數(shù)調(diào)整優(yōu)化及模型驗(yàn)證等工作。

電力電子電路仿真平臺(tái)

在現(xiàn)今電力電子設(shè)計(jì)的挑戰(zhàn)上，如何在更小的體積內(nèi)，提供更高的功率。例如 USB-PD 及 QC 等應(yīng)用，需要為移動(dòng)設(shè)備，提供快速充電的能力。在變壓器的設(shè)計(jì)，大部份的體積由電感/線圈及散熱片所佔(zhàn)據(jù)。要縮小線圈及散熱片的體積，必須提高轉(zhuǎn)換的頻率及轉(zhuǎn)換的效率。如此一來(lái)，使用 SiC 或 GaN 之類的晶體管是一個(gè)必然的趨勢(shì)。然而，除了需要晶體管準(zhǔn)確的模型之外，電路板的模型也是不可獲缺的。

在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程中，使用的是較為簡(jiǎn)單的電路仿真器，搭配簡(jiǎn)化的被動(dòng)元件模型。這需要使用者大量的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，才能獲的準(zhǔn)確的仿真結(jié)果。而更多情況是，因?yàn)榉抡娴慕Y(jié)果不準(zhǔn)確，使用者傾向于直接將電路板製作出來(lái)，直接上件后在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量。這需要花費(fèi)較多的時(shí)間，及多次的設(shè)計(jì)改板才能得到一最終的設(shè)計(jì)。另一方面，如果第一版的電路失效，需要花費(fèi)更多的時(shí)間進(jìn)行除錯(cuò)、修正，在時(shí)間及人力的投資是相當(dāng)可觀的。這也是為什麼我們需要仿真軟件的原因。

是德科技提供 ADS 仿真平臺(tái)，可以在這平臺(tái)上直接進(jìn)行前仿（pre-layout simulation）及后仿（post-layout simulation）。在前仿的部份可直接使用 PEMG 抽取的模型參數(shù)，搭配內(nèi)建的行為級(jí)模型，例如 PWM 產(chǎn)生器、運(yùn)算放大器（OPAMP）、非線性磁性元件，建立關(guān)鍵電路原理圖。接著在同一平臺(tái)上，可以直接進(jìn)行版圖的設(shè)計(jì)，并抽取版圖的寄生電路，直接導(dǎo)回原理圖仿真，完成后仿。在這整合的設(shè)計(jì)環(huán)境下，使用者可以實(shí)現(xiàn)精細(xì)化仿真，使用仿真精確的預(yù)估電路的特性，一次完成最終設(shè)計(jì)，就能達(dá)設(shè)設(shè)計(jì)指標(biāo)。另外，ADS 仿真平臺(tái)還提供一鍵生成 EMI 測(cè)試電路，使用者可以在 ADS 上完成 EMI 的仿真，優(yōu)化 EMI 的設(shè)計(jì)，以符合EMC 的指標(biāo)。