电力电子的快速发展得益于宽禁带（WBG）半导体材料的发展，尤其是氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）。这些材料与传统硅相比具有优越的性能，包括更高的击穿电压、更高的热导率和更快的开关速度。这些特性使得功率晶体管具有显著提高的性能特征，从而实现更高的效率和更快的动态响应。WBG 晶体管在现代电力系统中至关重要，包括开关电源（SMPS）、逆变器、电机驱动器等，因为它们能够实现近乎理想的开关行为。功率晶体管对 SMPS 的性能有重大影响，包括效率、功率密度、动态行为、可靠性和 EMI 性能。这些 WBG 器件在任务过程中的动态行为，如动态 R ds(on) ，各种损耗机制，开关和退化，仍然处于深入研究阶段。
WBG 器件的优异性能也带来了准确测量和表征其行为的挑战。这些器件的极快开关速度和其他独特特性需要新的测试方法，以充分了解其功能和限制，确保其在各种应用中的和安全性运行。
宽禁带晶体管表征的挑战
WBG 晶体管，尤其是基于氮化镓和碳化硅的晶体管，其开关速度比硅晶体管快几个数量级。这种快速开关行为虽然有利于效率和功率密度，但对于测量系统来说却带来了重大挑战。传统的测试设置可能由于测量带宽的限制、测试环境中寄生元件的影响以及与快速开关相关的高频噪声，难以在如此高的速度下捕捉准确数据。
此外，WBG 晶体管的动态特性，包括动态导通电阻（ Rds(on) ）、栅极电荷特性以及各种损耗机制，会受到温度、电压和其他工作条件的影响。准确表征这些动态特性需要能够复制真实工作条件并捕捉器件在温度、开关频率和负载条件范围内的响应的测试方法。这对于确保器件在安全范围内运行以及预测其在各种实际场景下的性能至关重要。
克服这些挑战需要专用测试设备。MADTHOR 测试平台结合了经典的静态和双脉冲测试能力，以及新颖的连续动态测试方法。
经典方法：静态晶体管测试
静态功率晶体管测量可以表征关键的直流电气参数，如导通电阻（R ds(on) ）、阈值电压（V th ）、栅极电荷（C iss /C oss /C rss ）、漏电流（如 I ds 和栅极漏电流）等。在 MADTHOR 系统中，有一个专用的静态测试插座，具有高达 1200V 的电压偏置能力和强大的 100A 直流电流能力，覆盖了当前 GaN HEMT 市场选择以及许多 SiC 和 IGBT 的需求。
在图 2 中，对 650V GaN HEMT（DFN 封装类型）进行脉冲 R ds(on) 测量的示例，在室温下，数据表列出的 R ds(on) 值为 600m，在 V gs 为 5V 时。随着 I ds 电流从 1A 增加到 3.5A，观察到 R ds(on) 从约 430 m?非线性增加到 570 m。脉冲测量方法被用来减少器件的自热，从而提高测量的准确性。
图 2. 650V GaN HEMT（ 600m（数据表值））的脉冲 R ds(on) 测量。图片由 Bodo 的电力系统提供
经典方法：双脉冲测试
双脉冲测试（DPT）在功率晶体管测试领域得到广泛应用，它考察晶体管开关过程中的几个阶段：DPT 包括向器件施加两个短电压脉冲并测量产生的电流和电压波形。这有助于表征开关损耗和其他动态参数。当分析 DPT 的 V gs 随时间变化时，它分解为以下事件：
导通，从零电流开始
在给定电流下关闭
在给定电流下开启
关断，在某个电流下，高于前值
图 3 展示了此过程。使用电感负载以可控的方式在开启后提升电流。给定工作电压 V bus ，可以通过选择开启时间来调整电流值。
这种方法的根本局限性是固有的，因为脉冲只是短暂应用，不允许晶体管在实际工作状态下进行测试。特别是在 WBG 中，R ds(on) 和动态 R ds(on) 的温度依赖性在行为和应用中起着重要作用。此外，与硅 MOSFET 相比，第三象限操作需要承受更高的电压降，这种方式无法进行测量。此外，WBG 技术涉及更快的开关，这使得在保持功率和栅极路径的寄生元件低的情况下捕获准确数据变得更加具有挑战性。为此，系统开发了特殊技术，如“strmhenge”，以化由分流电阻引起的寄生电感。
新颖测量方法：连续切换
为了以真实的方式模拟 WBG 晶体管，有必要在实际工作条件下对其进行测量，就像在应用中看到的那样。为了扩展传统的测试方法，已经开发了一种名为连续动态测试的新方法。这种方法在 MADTHOR 系统中得到实施，是一种革命性的技术，可以模拟典型的 SMPS 晶体管波形，并同时测量关键参数。连续切换原理基于将双脉冲连接性重新路由到经典的 Buck 转换器。通过创建由两个相同晶体管组成的半桥切换单元，可以创建一个如图 4 所示的逼真场景。
连续切换方法可以带来与经典双脉冲测试互补的见解：
损耗分析和由此产生的自热行为
更的损耗分解：Rds(on)，开关损耗
更地确定动态 Rds(on)及其在多个开关周期中的演变，考虑时间和自热效应
第三象限操作测量及其对负栅极偏置的影响
在较长的测试周期内，Rds(on)和其他关键参数的潜在退化，可能结合较高的环境温度
通过提供对设备行为的更全面和准确的描述，连续动态测试可以帮助工程师和研究人员优化设备设计，提高可靠性，并确保在各种条件下安全运行。
图 3. DPT 程序及其波形分解。考虑了实际生活中的寄生元件，导致 V ds 和 I ds 波形中出现的非理想过冲和欠冲。图片由 Bodo 的电力系统提供。
图 4. (a) GaN e 模式 HEMT 的反向 IV 曲线，展示了 3 rd 象限的行为 (b) GaN HEMT 在 3 rd 象限操作期间的电流流动状态 (c) 连续切换原理下的连续切换波形。图片由 Bodo 的电力系统提供。
