绿色未来，效率为先

当前，节能减排和提高能效正在成为践行“绿色低碳”生产的重要手段，而以碳化硅、氮化镓等为代表的宽禁带半导体材料也正在迎来快速发展期。如何确保功率器件的可靠性？如何抢占5G通信、新能源汽车、光伏储能、工业自动化等新兴产业制高点？在IIC Shanghai 2024同期举办的“第27届高效电源管理及功率器件论坛”上，来自头部企业的专家为我们做出了解答。 

功率半导体器件的测试方法及行业应用

目前，以IGBT和第三代宽禁带半导体为代表的功率器件，在新能源汽车、智能电网、轨道交通、光伏储能等领域得到了广泛使用。

从测试角度来看，功率半导体测试主要包括动态参数、静态参数、耐久性/可靠性、以及双脉冲测试等项目，但能否在一台仪器上覆盖从低压模拟芯片到高压大功率SiC/GaN等器件的晶圆测试，以及新型纳米材料、光电芯片和传感器等对电流量测精度要求较高场合的需求，却是不小的挑战。

在这方面，业界首款“6合1”源表SMU IT2800系列做出了有益的尝试。根据ITECH技术经理陈文兵的介绍，该系列分辨率最高可达100nV/10fA，“源”“表”合一，大尺寸触摸屏和丰富的图形显示设计UI界面能够直接获取半导体器件的伏安特性曲线，以及实时记录产品的过程数据，十分便捷。

在陈文兵列举的“功率模块功率循环试验”案例中，我们则看到了IT6000系列的身影。以IT6000C为例，这是一款基于第三代SiC技术而研发的双向可编程直流电源，可在输出和吸收电流之间进行快速连续的无缝切换，有效避免电压或电流过冲，广泛适用于电池、电池封装以及电池保护板等储能设备测试。

ITECH技术经理陈文兵

在“智能电源开关IPS老化测试”案例中，IT-M3300小功率回馈式电子负载发挥了关键作用。“目前市面上的回馈式负载最小功率约为3.5kW，对于几百瓦的Power IC老化来讲，测试成本太高。但IT-M3300回馈式负载功率密度高，1U体积最大功率800W，适用于IPS的独立老化测试，而且回馈效率最高达到92%，为企业节约电费成本。”陈文兵说。

可重构数字电源芯片

作为国内率先专注于可重构数字电源领域的芯片公司，水芯电子致力于可重构数字电源芯片的研发和产业化，解决高端电源芯片卡脖子的问题，在电源和SOC领域有深厚的技术积累和颠覆性的技术创新能力。

可重构数字电源芯片的核心优势是利用软件定义电源芯片，用少量型号实现客户千千万万种定制化需求，而不用反复芯片研发、流片。与传统的软件型数字电源芯片不同的是,该芯片成本低，甚至将比传统模拟电源芯片更便宜。同时可重构数字电源芯片是为电源设计专门定制的控制器，而不是通用DSP，因此使用更加简单、功能强大、功耗低、体积小。

水芯电子高级应用工程师杜振宇指出，通过利用可重构数字电源芯片技术全面替代高端大功率电源芯片，快速裂变出全球领先的新型拓扑控制方法，极大推动了电源行业发展。而水芯电子方案的亮点在于，能够上百倍缩减电源芯片料号，实现电源芯片平台化、数字化革命。

水芯电子高级应用工程师杜振宇

为了确保产品高可靠性，水芯电子从两个维度，三个层面入手：

生产-检验。措施包括：选择通过16949车规认证的生产线对IC做生产加工；在晶圆测试、成品测试环节，选择低温(-50°)、常温、高温(150°)做100%测试；ORT的执行，在日常的生产过程中，定期(每季度)、定量(2KK)做封装可靠性测试。

产品一致性：主要指产品从最早期的验证完成、测试程序的转量产、所有工艺流程全部固化；围绕量产后的晶圆良率、以及不良项的差异化，定期(每周、每月)和工厂召开质量会议；严格执行变更管理条例，细化、明确需要得到客户同意才可以变更的项目条款。

M2025是水芯电子DSP方案的典型代表，集成80MHz ARM Cortex内核，具备高性能3P3Z环路补偿硬件加速器、ADC PPB辅助处理功能、CLB可编程功能逻辑块等关键外设，适用于微逆、PCS、服务器、电动车等行业。

智能系统电源管理及完整性的分析

电源完整性常见的重要测试项包括：上电/下电时序、纹波噪声、PSRR(电源抑制比)、环路响应测试、PDN阻抗等等。是德科技华东区示波器产品经理宋国超指出，从测量的角度来看，电源完整性测量挑战主要源于“测量直流电源上的更小、更快的交流信号”，因此需要克服测量系统底噪、偏置和负载效应三大问题。

是德科技华东区示波器产品经理宋国超

“在许多的现代化系统中，需要更高的带宽去发现直流电源上的高频噪声，因为电源噪声是时钟/数据抖动的主要原因。”宋国超表示，这说明一方面拥有足够的带宽至关重要，而另一方面也要从实际需求出发，对带宽限制进行权衡。

影响电源完整性的另一个要素来自探头，比如不同的探头类型、探头地线长度都会对噪声产生影响，此外还要考虑由探头偏置和直流阻断器差异所导致的大直流信号偏置。

宋国超为此还分享了电源完整性测量的一些技巧和诀窍：

1. 视情况选择噪声低的示波器测量路径
2. 电压允许的情况下尽量使用衰减比小的探头
3. 使用必要大小的带宽
4. 足够的带宽便于捕获高频的瞬态和噪声
5. 探头地线长度尽可能短
6. 利用好偏置功能
7. 尽量降低负载效应
8. 使用 FFT 获得另一个分析视野
9. 通过触发和平均来追踪噪声源

功率半导体器件助力高效高密功率转换

作为新材料的SiC和GaN，与传统硅材料相比，有哪些特性？以SiC为例，如图所示，从物理特性来看，SiC与硅材料的电子迁移率相差不大，但其禁带宽度、临界场强、热导率和电子迁移速度分别是硅材料的3倍、10倍、4倍和2倍。这意味着基于碳化硅和氮化镓材料的功率半导体具有高耐压、低导通电阻、寄生参数小等优异特性，当应用于开关电源领域中时，具有损耗小、工作频率高、散热性等优点，可以大大提升开关电源的效率、功率密度和可靠性，也更容易满足器件轻薄短小的要求。

作为同时拥有硅、碳化硅和氮化镓全系列功率器件开发和制造能力的厂商，英飞凌有着更全面的应用经验和客户需求了解，能够根据不同的应用场景提出相应的解决方案，从微安到兆瓦应有尽有，包括高度可靠的IGBT、功率MOSFET、氮化镓增强型HEMT、分立器件，以及所有形式的交直流电源和数字电源转换。

以600V/650V CoolSiC、CoolMOS与CoolGaN的应用定位为例，硅在电压范围为25V-6.5kV仍是主流技术，适用于从低到高功率的应用；碳化硅适用的电压范围是650V-3.3kV，适用于开关频率从中到高的大功率应用；而氮化镓适用的电压范围是40V-900V，适用于开关频率最高的中等功率应用。因此，在600V和650V电压等级，CoolMOS、CoolSiC和CoolGaN可以实现共存，以满足电动车充电、电机驱动加OBC(车载充电器)、电池化成、数据中心和电信开关电源、工业开关电源、太阳能光伏逆变器、储能、UPS等各种应用的需求。

650V CoolSiC MOSFET器件是英飞凌最具代表性的产品之一。其额定值在27mΩ-107mΩ之间，既可采用典型的TO-247 3引脚封装，也支持开关损耗更低的TO-247 4引脚封装。与过去发布的所有CoolSiC MOSFET产品相比，650V系列基于英飞凌先进的沟槽半导体技术。通过最大限度地发挥碳化硅强大的物理特性，确保了器件具有出色的可靠性、出类拔萃的开关损耗和导通损耗。此外，它们还具备最高的跨导水平(增益)、4V的阈值电压(Vth)和短路稳健性。

英飞凌消费、计算与通讯业务大中华区高级首席工程师宋清亮特别强调称，日前，英飞凌还推出新一代碳化硅MOSFET沟槽栅技术。与上一代产品相比，全新的CoolSiC™ MOSFET 650V和1200 V Generation 2技术在确保质量和可靠性的前提下，将MOSFET的主要性能指标(如能量和电荷储量)提高了20%，不仅提升了整体能效，更进一步推动了低碳化进程。

英飞凌消费、计算与通讯业务大中华区高级首席工程师宋清亮

氮化镓方面，随着去年10月正式宣布完成收购氮化镓系统公司(GaN Systems)，英飞凌向成为领先的GaN龙头企业又迈出了重要一步，双方将形成丰富的GaN产品组合，尤其是在中高压GaN单管和集成产品组合，包括驱动器和控制器等系统元件方面。此外，两个自有生产基地结合强大的晶圆代工合作伙伴，制造能力也将得到进一步增强。

解析双脉冲测试中的测试仪器选择难题

特励达力科市场经理李发存表示，宽禁带半导体面临的测试挑战主要来自如何真实再现VGS,VDS,ID的真实信号特性？包括：更大的di/dt和dv/dt、对寄生参数更敏感、以及更大的共模干扰。实际测试时，带宽、输入电压范围、衰减、输入阻抗和共模抑制比(CMRR)，是最影响测试的探头指标。

特励达力科市场经理李发存

以“衰减”为例，探头衰减有两个主要目的：一是将测量电压降低到可安全输入到示波器的电压，二是降低电路负载。然而，衰减多少，必须放大多少，更低灵敏度的示波器增益设置具有更低的SNR，因此，更高的衰减意味着更大的噪声(所有其他条件都相同)。这并不意味着高衰减是“坏的”,在某些情况下还是必要的。

李发存为此建议称，测量宽禁带半导体时，对探头的需求应遵循以下几个原则：

• 带宽—带宽有足够高，才能采集到足够快的边沿
• 输入电压范围—选择探头量程时，选择靠近待测信号的，降低衰减带来的噪声
• 输入阻抗—地线和延长线尽量短，不要引入过大的寄生电感
• 共模抑制比-选择高共模抑制比的探头，特别是存在大共模电压和高dv/dt和di/dt的跳变时

例如DL-ISO高压光隔离探头就是氮化镓和碳化硅半导体器件验证分析的理想探头，因为它拥有1.5%的系统增益精度、精确的增益校准和160dB CMRR。而光纤隔离探头DL-ISO的CMRR远远优于传统的HV差分探头/放大器。