宽禁带功率半导体器件特性测试

宽禁带（SiC、GaN）功率半导体器件是新一代电力电子技术革新的核心载体，凭借高效、小型化、轻量化、低成本的核心优势，彻底突破传统硅基器件的性能瓶颈，广泛赋能新能源、智能电网、轨道交通、高端装备等重点领域。但因其开关速度更快、工况敏感度更高、保护阈值更严苛的特性，器件精准测试与可靠性验证成为电力电子变换器设计落地的核心难点，也是行业亟待解决的技术痛点。
本书聚焦宽禁带功率半导体器件测试核心技术与工程实践，针对性破解行业技术难题，是国内为数不多专注宽禁带器件全维度特性测试的专业著作。全书以工程应用为导向，体系完整、层层递进，从基础测试原理到实操落地设计，系统讲解了脉冲静态特性、结电容特性、动态特性等核心测试原理，详细拆解栅极驱动单元设计、电路布局优化、寄生参数抑制、双脉冲测试保护设计等关键实操技术，同时深入剖析器件串扰问题、三相系统工况影响及拓扑设计核心注意事项，覆盖宽禁带器件测试、调试、优化全流程。
全书内容依托大量实操实例打磨而成，兼顾理论严谨性与工程实用性，既梳理了完整的测试技术体系，又解答了器件应用中的高频疑难问题，规避设计与测试误区。适合电力电子、半导体器件、电气自动化等领域的科研人员、工程技术人员参考使用，也可作为高等院校相关专业研究生、本科生的专项课程参考教材，是助力宽禁带功率半导体技术落地应用、提升工程设计能力的权威实操指南。

现代电力电子变换器的核心在于功率半导体开关器件。以碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）为代表的宽禁带功率半导体器件的出现，有望使采用这些新型器件的电力电子变换器比采用传统硅基器件实现更高的效率、更小的体积、更小的质量及更低的成本。然而，宽禁带功率半导体器件也为变换器设计带来了新的挑战，由于其更快的开关速度和对保护电路更严格的要求，需要进行更详细的特性测试。
本书通过实例，全面介绍了宽禁带功率半导体器件的特性测试方法。在引言之后，该书涵盖了以下内容：脉冲静态特性测试、结电容特性测试、动态特性测试的基本原理、动态特性测试栅极驱动单元设计、布局设计及寄生参数优化、双脉冲测试保护设计、动态特性的测量与数据处理、串扰分析与抑制、三相系统的影响，以及拓扑设计注意事项。
本书适合高校电气工程、电子科学与技术、微电子科学与工程等专业的师生作为专业参考书，同时也可供从事功率半导体器件测试的工程技术人员，以及新能源、电力电子等领域的应用工程师参考使用。

王飞（Fred Wang）教授是美国田纳西大学诺克斯维尔分校电气工程与计算机科学系教授、康德拉电力电子杰出讲席教授，以及美国国家科学基金会-能源部（NSF-DOE）超广域弹性电能传输网络研究中心（CURENT）的技术总监，兼任橡树岭国家实验室教授。现已发表期刊和会议论文400余篇，参与编著专著3部，拥有美国专利15项，曾获得IEEE工业应用协会杰拉尔德·克莱曼创新奖、杜什曼奖（通用电气公司对技术团队贡献的最高奖项）以及IEEE优秀论文奖7项、田纳西大学教师研究成就奖3次等，IEEE会士和美国国家发明家科学院院士。研究方向主要包括基于宽禁带功率半导体器件的电力电子技术，以及电力电子技术在交通运输、电机驱动、可再生能源系统和电网中的应用等。
张哲宇（Zheyu Zhang）是美国纽约州尼斯卡尤纳通用电气全球研究院的首席电力电子工程师，2008年、2011年分别在华中科技大学（中国武汉）获得电气工程学士和硕士学位，2015年在田纳西州诺克斯维尔市的田纳西大学获得电气工程博士学位。2011年于中国上海通用电气全球研究院担任研发实习生，2015年至2018年间在田纳西大学诺克斯维尔分校电气工程与计算机科学系担任研究助理教授。已发表顶级期刊和会议论文60余篇，申请发明专利4项（其中已授权1项），主持了IEEE培训讲座2次。曾获得IEEE工业应用协会和IEEE电力电子学会颁发的优秀论文奖2次。研究方向主要包括宽禁带功率半导体器件及其应用，栅极驱动技术，电机驱动设计、运行、集成与可靠性，以及低温电力电子技术。
爱德华·A.琼斯（Edward A.Jones）是宜普电源转换公司（EPC）的高级应用工程师。2007年在弗吉尼亚理工大学获得电气工程学士学位，在校期间曾获得著名的布拉德利奖学金并与他人共同创立了弗吉尼亚理工大学“无国界工程师”分会。2017年在田纳西大学获得博士学位，期间曾担任校长荣誉研究员、CURENT研究中心研究员和布雷德森能源科学与工程研究员。已发表IEEE期刊和会议论文20余篇，主持培训讲座1次，申请发明专利1项。研究方向主要包括宽禁带功率半导体器件特性测试与建模，以及基于氮化镓（GaN）的变换器设计（包括散热改进和集成过电流保护）。

译者序
作者简介
致谢
第1章引言1
1.1宽禁带功率半导体器件概览2
1.1.1宽禁带功率半导体器件与硅功率半导体器件对比2
1.1.2宽禁带功率半导体器件现状3
1.2宽禁带功率半导体器件特性测试目标9
1.3本书简介11
参考文献13
第2章脉冲静态特性测试16
2.1脉冲I-V特性测试的基本原理16
2.2测试设备描述17
2.3测试夹具的选择/设计18
2.4结温控制20
2.5低温设备测试23
2.6脉冲波形时序27
2.7输出特性（Id-Vds）28
2.8转移特性（Id-Vgs）33
2.9栅极电流特性(Ig,ss-Vgs)34
2.10漏极-源极漏电流特性(Id,off-Vds)37
2.11总结39
参考文献39
第3章结电容特性测试40
3.1C-V测试基本原理40
3.2测试设备介绍42
3.3测试夹具的选择/设计与校准44
3.4输出电容（Coss）特性46
3.5输入电容（Ciss）特性49
3.6反向传输电容(Crss)特性52
3.7栅极电荷（Qg）特性54
3.8输出电容Coss开关过程能量计算56
3.9总结59
参考文献59
第4章动态特性测试的基本原理61
4.1开关换流分析61
4.2双脉冲测试(DPT)基本原理65
4.3DPT设计67
4.3.1负载电感68
4.3.2直流电源68
4.3.3直流母线电容69
4.3.4泄放电阻70
4.4DPT控制70
4.5测试示例72
4.5.1负载电感72
4.5.2直流电源73
4.5.3直流电容器组73
4.5.4泄放电阻74
4.5.5DPT控制75
4.6总结79
参考文献79
第5章动态特性测试栅极驱动单元设计81
5.1栅极驱动基础82
5.2栅极驱动关键器件特性83
5.2.1考虑器件静态特性的栅极驱动设计84
5.2.2考虑器件动态特性的栅极驱动设计86
5.3栅极驱动设计86
5.3.1信号隔离器88
5.3.2隔离供电电源90
5.3.3栅极驱动芯片92
5.3.4栅极驱动电阻93
5.3.5去耦电容94
5.4设计示例96
5.4.1信号隔离器96
5.4.2隔离供电电源97
5.4.3栅极驱动芯片98
5.4.4栅极驱动电阻99
5.4.5去耦电容99
5.5总结99
参考文献100
第6章布局设计及寄生参数优化102
6.1寄生参数对开关性能的影响102
6.1.1栅极驱动回路寄生参数102
6.1.2功率回路寄生参数103
6.1.3共用回路寄生参数105
6.2双脉冲测试PCB布局设计105
6.3设计实例分析108
6.3.1宽禁带功率半导体器件封装概述109
6.3.2设计实例一：TO-247封装的SiC MOSFET110
6.3.3设计实例二：表面贴装宽禁带功率半导体器件118
6.3.4双脉冲测试中的电流测量方法122
6.3.5栅极驱动123
6.4总结125
参考文献126
第7章双脉冲测试保护设计128
7.1宽禁带功率半导体器件的最新保护方案概述129
7.2固态断路器131
7.2.1工作原理132
7.2.2电路实现和设计考虑134
7.2.3测试方案和程序138
7.2.4案例研究139
7.3高压宽禁带功率半导体器件双脉冲测试的注意事项144
7.3.1安全注意事项144
7.3.2保护措施144
7.4总结146
参考文献147
第8章动态特性的测量与数据处理150
8.1动态特性测试的关键因素和挑战150
8.2示波器的选型和设置151
8.3电压探头的选型和设置151
8.4电流传感器的选型和设置154
8.5测量的时间对齐（时延校正）157
8.6考虑共模（CM）振铃158
8.7动态特性测试数据处理的目标159
8.8开关瞬态子区间的识别161
8.9用于时延校正调整的电流-电压（I-V）错位计算168
8.10开关损耗的计算171
8.11考虑振铃和直流偏置175
8.12开关损耗计算的替代方法176
8.13过冲电压与变化率的计算178
8.14利用静态与动态特性测试结果估算内部波形183
8.15总结186
参考文献186
第9章串扰分析与抑制188
9.1串扰产生的机理190
9.2串扰抑制方法192
9.2.1无源抑制方法193
9.2.2有源抑制方法195
9.2.3串扰抑制方法小结201
9.3串扰相关开关特性测试方法201
9.3.1测试示例：GaN HEMT无源抑制方法204
9.3.2测试示例：SiC MOSFET有源栅极驱动抑制方法210
9.4总结215
参考文献216
第10章三相系统的影响*218
10.1实际三相系统中的影响
因素和限制219
10.1.1感性负载寄生
参数219
10.1.2不同相位桥臂开关管之间的相互影响223
10.1.3散热器耦合效应225
10.1.4实验验证226
10.2动态特性测试及实际应用考量235
10.2.1感性负载的高频建模236
10.2.2抑制感性负载负面效应的基本原理239
10.2.3辅助滤波器的设计标准239
10.2.4实验验证243
10.3测试示例：双脉冲测试结果与实际系统开关特性对比247
10.3.1DPT板与三相电压源变换器开关特性对比248
10.3.2桥臂互扰效应与散热器耦合对开关特性的影响252
10.3.3双脉冲测试与实际变流器开关特性的准确性验证256
10.4总结257
参考文献258
第11章拓扑设计注意事项260
11.1电流源变换器260
11.1.1开关换流分析261
11.1.2开关换流回路与传统DPT的对比分析264
11.1.3非工作开关管的影响265
11.2三电平有源中点箝位(ANPC)变换器266
11.2.1开关换流分析266
11.2.2开关回路与传统DPT的对比268
11.2.3非工作开关管的寄生效应影响269
11.3总结270
参考文献270
附录273
附录ADPT（双脉冲测试）推荐设备及组件清单273
附录B动态特性测试数据处理的MATLAB代码276