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滿足寬能隙半導體量測 儀器/探棒雙雙升級

文‧侯冠州 發布日期:2019/09/24 關鍵字:太克SiCGaNKeithley 2657AKeithley 2651AIsoVu

寬能隙功率半導體(SiC,GaN)具備更高的操作溫度、高運行電壓、高運作頻率和低功率損耗。採用寬能隙功率元件,能夠使得導通時及切換時的耗損能量降低,讓整體運作功率大幅降低,同時大幅降低設備的體積、重量及價格。為此,寬能隙解決方案備受電源供應業者青睞,且已逐步進入量產階段,終端產品亦已開始銷售。

然而,寬能隙材料的功率元件,最引人矚目的優勢是建立在高頻與高電壓操作上,在終端產品相繼於市場亮相的同時,也意味著寬能隙元件的測試需求隨之增加,為此,量測儀器業者紛紛推出高效、便利的解決方案,不僅滿足高電壓、高電流測試需求,並進一步縮短產品開發時程。

太克科技(Tektronix)應用工程師陳思豪表示,在相關的技術瓶頸逐漸被克服後,寬能隙解決方案相繼出現,像是採用GaN的變壓器、充電器等;相關產品陸續問世,也代表著寬能隙方案的量測需求也跟著增加。

太克科技應用工程師陳思豪。

陳思豪指出,寬能隙元件的測量,首先碰到的挑戰便是高電壓和高電流。因為寬能隙材料耐崩潰程度高,而採用寬能隙材料打造而成的產品能承受高電壓、高電流,而為量測這項特性,測試儀器的耐受電壓/電流也須跟著提升,例如以往最高承受度是1,000V,現在可能要到2,000~3,000V。

為此,太克備有Keithley 2657A,專門針對高壓電子、功率半導體元件的特徵分析與測試而設計,例如二極體、FET/IGBT、直流-直流轉換器、電池、太陽能電池、高功率材料、元件、模組等,以及其它一些需要高電壓、快速響應和精確測量電壓和電流的元件和材料等。至於Keithley 2651A,則是專門因應高電流測試,該產品最高可達2,000W的脈衝功率(±40V、±50A),或最高可達200W的直流功率(±10V@±20A、±20V@±10A、±40V@±5A);可輕鬆地連接兩個單元(串列或並列方式)來建立最高可達±100A或±80V的解決方案。

另一方面,要量測寬能隙解決方案,除了儀器須符合高電壓、高電流的規格外,週邊設備如治具、探棒等性能也須跟著提升。以探棒為例,太克科技業務經理吳道屏說明,寬能隙方案於量測時有許多和以往功率元件不同的地方,例如寬能隙方案的Miller Charge Qg更低,可實現快速切換速度,且所需的寄生電容、電阻和電感大大減少;因此,在量測時需要能夠測量極快的dv/dt、di/dt和高頻,並減少負載、電感和電容。或是需要嚴格調節Vgs和Vth電壓,因此需要能夠準確測量高端和低端電路中所有柵極節點上的Vgs等。

太克科技業務經理吳道屏。

吳道屏指出,這些特性以及量測需求除了使量測儀器的規格、性能改變之外,連帶推動探棒性能也跟著增加,傳統探棒由於不是為了量測寬能隙方案而設計,因此會有共模抑制(CMRR)不高、電容、電感不符,或是以及頻寬不足等問題(過往探棒頻寬多為100~200M,而要滿足寬能隙方案測試探棒頻寬最好達800m~1G)。

基於此一原因,太克也研發因應寬能係元件量測的碳棒「IsoVu」。該產品的特點在於為使用包括GaN和SiC技術的電源裝置設計人員提供更強的共模抑制比,讓使用者首次可查看先前隱藏在共模雜訊中的訊號;可在高達100MHz的環境中提供100萬:1(120dB)的共模抑制,而在1GHz的環境中提供10000:1 (80dB)的CMRR。若使用IsoVu,工程師可以在存在大型共模電壓(範圍為直流至1 GHz)的情況下,準確地量測微小的差動訊號(5mV~50V)。

吳道屏表示,簡單來說,IsoVu和其他商用探棒不同,其採用電光感應器將輸入訊號轉換至光學調變,從而將待測裝置與示波器進行電器隔離;且整合了四個獨立的雷射、一個光學感應器、五條光纖和複雜的回饋和控制技術,具有電隔離的IsoVu架構在其頻率範圍可提供>2,000V峰值的共模耐壓。

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