用於 SiC 和 GaN 的雙脈衝測試：高壓直流匯流排電源

本文介紹如何選擇用於 SiC 和 GaN 寬能隙半導體的雙脈衝測試 (double pulse testing, DPT) 的直流電源供應器，包括工作範例以及電壓、電流、可程式化性和安全要求等。

從曲線追蹤儀到奈秒級轉換

在功率半導體特性分析的歷史中，最主要的儀器一直靜靜地放置在實驗室的角落：曲線追蹤儀。 Tektronix 在 1955 年推出了第一台商用曲線追蹤儀，而 1969 年推出的傳奇型號 576，定義了一代功率電子工程師如何理解電晶體、二極體、閘流體和 IGBT。 576 及其後繼產品 370A/B 系列能夠掃描通過待測裝置 1500 伏特和 20 安培的電流，並持續生產到 1980 年代中期，至今仍活躍於故障分析和教學中。

曲線追蹤儀本質上是靜態的儀器。它們掃描電壓，測量產生的電流，並在螢幕上繪製 I-V 特性曲線。 對於傳統的功率電子產品中以數十kHz切換的矽 MOSFET 和 IGBT 而言，這已經十分足夠。

 

Tektronix Type 576 Curve Tracer, introduced in 1969, was an iconic instrument power electronics engineers relied on for decades to characterize semiconductors.

Tektronix Type 576 Curve Tracer, introduced in 1969, was an iconic instrument power electronics engineers relied on for decades to characterize semiconductors.

那個時代隨著碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 功率元件的商業化問世而宣告結束。寬能隙 (WBG) 半導體的切換速率使切換損耗成為主要的損耗機制。決定系統效率的參數包括：導通能量 (Eon)、關斷能量 (Eoff)、逆向恢復能量 (Err)、電壓過衝、dv/dt 以及 di/dt。這些參數完全存在於元件在奈秒級轉換期間的動態行為中，是曲線追蹤儀所無法觀測到的。

業界的解決方案是雙脈衝測試 (DPT)，其量測方法已編入 IEC 60747-8 與 IEC 60747-9 規範中，而針對寬能隙的特定測試要求則在 JEDEC 標準 JEP173 與 JEP182 中有所探討。現在，對於功率半導體製造商而言，DPT 已成為規格書產出、轉換器設計驗證以及產線特性分析的必備步驟。

本應用筆記將簡要涵蓋 DPT 的基本原理，接著將重點放在 DPT 討論中最常被草率帶過的元素：作為每個測試設定基礎的直流匯流排電源，以及為了正確選擇該電源所需做出的具體工程決策。

DPT 的量測項目

雙脈衝測試 (DPT) 可擷取規格書所依賴且轉換器設計所仰賴的動態切換參數：

  • 導通：導通延遲(td,on)、上升時間 (tr)、導通能量 (Eon)、dv/dt, di/dt
  • 關斷：關斷延遲 (td,off), 下降時間 (tf), 關斷能量 (Eoff), dv/dt, di/dt
  • 反向恢復（續流元件）： 反向恢復時間 (trr), 峰值反向恢復電流 (Irr), 反向恢復電荷 (Qrr), 反向恢復能量 (Err)

這些參數會直接用於轉換器效率計算、熱模型建立、EMI 預測以及閘極驅動最佳化；這正是每份寬能隙 (WBG) 元件規格書都會公布這些數據的原因，也是每位轉換器設計人員都希望能對其所購買的特定零件進行驗證的原因。

雙脈衝測試的運作原理

典型的 DPT 電路是帶有電感負載的半橋電路。待測元件通常是低側開關。高側元件（通常是另一個帶有體二極體的 MOSFET 或專用的續流二極體）會在續流期間提供電流路徑。大型直流鏈電容組負責供應脈衝能量，而直流電源則負責將電容組充電至測試電壓。

Canonical double pulse test circuit. The DC power supply charges the bus capacitor C_B to V_DC and recharges it between shots. Q_DUT is the device under test; Q_HS is held off and its body diode provides the freewheeling current path during the pulse interval. Switching parameters (E_on, E_off, E_rr, V_DS, V_GS, I_D) are extracted from the oscilloscope captures during the second pulse.

Canonical double pulse test circuit. The DC power supply charges the bus capacitor C_B to V_DC and recharges it between shots. Q_DUT is the device under test; Q_HS is held off and its body diode provides the freewheeling current path during the pulse interval. Switching parameters (E_on, E_off, E_rr, V_DS, V_GS, I_D) are extracted from the oscilloscope captures during the second pulse.

三個階段

雙脈衝測試雖然名稱如此，但實際上包含三個不同的區間。

階段 1：充電脈衝 (τc)

待測物 (DUT) 導通。負載電感中的電流呈線性上升，公式如下：

   (Eq 1)

選擇第一個脈衝寬度 τc 是為了達到目標測試電流 Itest:

 (Eq 2)

在此區間結束時，DUT 關斷。這就是在直流匯流排完全充電的情況下，於目標測試電流捕捉第一個關斷事件的時間點。這就是 Eoff 的測量。

階段 2：脈衝間隔  (τoff)

DUT 處於關斷狀態。電感電流會流經高側續流元件。這個區間必須夠長，讓開關暫態完全衰減，但也必須夠短，以免電感電流發生大幅下降。

階段 3：第二脈衝 (τon)

DUT 再次導通。現在會在目標電流及真實的 di/dt 條件下捕捉導通事件。同時，續流元件會經歷反向恢復，這會被捕捉為峰值 Irr 尖峰。  這就是測量 Eon 與 Err。

 

Gate drive, inductor current, and DUT voltage during the three phases. Shaded regions indicate Eoff (first turn-off) and Eon (second turn-on) per IEC 60747-8/-9.

Gate drive, inductor current, and DUT voltage during the three phases. Shaded regions indicate Eoff (first turn-off) and Eon (second turn-on) per IEC 60747-8/-9.

開關損耗與電容器組選擇

開關損耗是透過對轉換期間瞬時電壓與電流的乘積進行積分來計算的。對於導通過程：

 (Eq 3)

Eoff 和 Err 在各自的區間內遵循相同的形式。積分界限在 IEC 60747-8 與 IEC 60747-9 中有明確定義，通常設為 10% 的電壓與電流交叉閾值。配備 DPT 應用軟體的現代示波器可自動完成此計算。

直流鏈電容器組的容量必須足夠大，以確保匯流排電壓在脈衝期間基本保持不變。根據能量平衡，在允許微小壓降 ΔVDC 的情況下：

  (Eq 4)

實際的 DPT 設置會使用數十到數千微法拉的並聯薄膜電容，其排列方式旨在最小化等效串聯電感。此電容器組選型方程式也會成為電源選擇計算的輸入參數。

業界概況：建構 DPT 測試平台的三種方法

業界已將 DPT（雙脈衝測試）設置大致分為三大類。

統包系統 (Turnkey systems)

完全整合、由供應商提供的套件，包括閘極驅動器、治具、測量設備、分析軟體，有時還包含直流匯流排電源。例如：是德科技 (Keysight) 的 PD1500A，以及羅德史瓦茲 (Rohde & Schwarz) + PE-Systems 搭配 R&S MXO 示波器的解決方案。優點是能快速獲得結果，且開箱即符合 JEDEC 標準，但其電壓和電流範圍固定，且資本成本較高。

儀器套件 (Instrument packages)

高頻寬示波器加上任意函數產生器、專用探棒以及 DPT 軟體選項。太克科技 (Tektronix) 的 4/5/6 系列 B MSO 搭配 WBG-DPT 應用程式和 AFG31000 是一個典型的例子；Teledyne LeCroy 搭配光隔離探棒則是另一個例子。成本低於統包系統，且儀器仍可用於其他工作，但治具、閘極驅動器、電容組、負載電感和直流電源都必須由使用者自行準備。

客製化 / DIY 測試平台 (Custom / DIY test benches)

主要用於半導體製造商、研究實驗室，以及致力於突破元件電壓與電流極限的 OEM 廠商。每個元件都是個別挑選的，以符合目標測試範圍。對於 1700 V 以上的元件、大電流模組（數百安培至數千安培），以及測試條件尚未標準化的新型元件結構而言，這是唯一的途徑。

Representative Teledyne LeCroy double pulse testing solution for detailed switching characterization of power semiconductor devices, integrating a high-resolution oscilloscope, advanced measurement software, and dedicated voltage and current probes for power electronics. (Image provided courtesy of Teledyne LeCroy)

Representative Teledyne LeCroy double pulse testing solution for detailed switching characterization of power semiconductor devices, integrating a high-resolution oscilloscope, advanced measurement software, and dedicated voltage and current probes for power electronics. (Image provided courtesy of Teledyne LeCroy)

這三種架構不變的共同點是直流匯流排電源。每個系統都將其視為既定條件。本應用手冊的其餘部分將探討正確指定此電源實際需要考慮的事項。

如何選擇DPT 的電源供應器

在 DPT 測試平台中，直流電源供應器扮演著一個特定且經常被誤解的角色。它不會直接向待測物（DUT）輸出脈衝電流，這部分能量是來自於直流鏈電容組。電源供應器的任務是將電容組充電至測試電壓，並在每次測試之間為其重新充電，同時確保此過程準確、具可重複性、安全，並且處於自動化控制之下。

額定電壓

電源必須能夠提供進行特性分析時所需的直流匯流排電壓。良好的實務做法是在寬能隙（WBG）元件額定 VDS 的 50–80% 條件下進行測試。實務考量如下：

Device rating Typical DPT bus voltage Supply rating
650 V GaN e-HEMT 400 V 500 V minimum
1200 V SiC MOSFET 800–1000 V 1000–1500 V
1700 V SiC MOSFET 1200–1400 V 1500–2000 V
3300 V SiC module 2500–2800 V 3000 V+
6500 V SiC / high-V devices 5000+ V 6000–10000 V

趨勢線非常明確：元件的使用電壓正在攀升。在 2020 年以 1500 V 電源供應器為基礎建立的雙脈衝測試 (DPT) 測試台，已無法用來對目前進入量產的 3300 V 元件進行特性分析。

電流能力與如何決定其容量

這是直流電源選擇中最常被誤解的地方。在測試過程中流入待測物 (DUT) 的峰值脈衝電流是由電容器組提供的，而不是電源。電源的作用是在兩次脈衝觸發之間，補充從電容器組中消耗的能量，因此電源的電流需求比峰值脈衝電流要小得多。

有兩個限制條件需要評估。較大的值將成為決定性的要求。

能量平衡（通常佔主導地位）。每一次 DPT 測試都會將能量從電容器組轉移到負載電感中：

 (Eq 5)

如果測試以 fshot 的頻率重複進行，電源必須提供的平均功率為：
 (Eq 6)

最小電源電流為平均功率除以匯流排電壓：

 

 (Eq 7)

充電時間限制（在高測試頻率下具決定性）。電容器組在每次測試中會流失電荷 ΔQ = CB · ΔVDC . 電源必須在可用的充電時間窗口 Trecharge 內補充這些電荷，該時間通常是測試間隔減去脈衝持續時間與測量穩定時間：

 (Eq 8)

對於大多數實驗室的特性分析工作而言，由能量平衡方程式主導。而對於高產能的生產線參數測試，由於測試間隔僅為毫秒級，且為了應付高測試電流而配置了大型電容器組，因此充電限制將佔主導地位。請計算兩者的數值，並以較大者來決定電源的規格。

 

範例 1：1200 V SiC MOSFET 實驗室特性分析

  • Test voltage: VDC = 800 V
  • Load inductance: L = 250 µH
  • Test current: Itest = 100 A
  • Capacitor bank: CB = 470 µF
  • Allowable bus droop: ΔVDC = 40 V (5%)
  • Shot rate: fshot = 1 Hz (one full DPT every second, including data capture and DUT cooldown)
  • Recharge window: Trecharge = 100 ms

每次測試能量： 

平均功率:

能量平衡電流:  

 

充電限制:  

在這種情況下，由充電限制主導。一個額定值為 1000 V、約 250 mA 的電源就能提供充裕的餘裕。通過 DUT 的峰值脈衝電流雖然是 100 A，但電源平均只需提供 0.25 A 的電流。1 kW 的電源對於這個完整的特性分析範圍來說已綽綽有餘。

 

範例 2：生產線參數測試

  • Test voltage: VDC = 1000 V
  • Load inductance: L = 50 µH (smaller, for faster shots)
  • Test current: Itest = 200 A
  • Capacitor bank: CB = 2200 µF
  • Allowable bus droop: ΔVDC = 50 V
  • Shot rate: fshot = 10 Hz (one DPT every 100 ms, with automated DUT handling)
  • Recharge window: Trecharge = 50 ms

每次測試能量:

平均功率:

能量平衡電流:

充電限制:

在這裡，充電限制超過了能量平衡兩個數量級以上，因此需要一個額定值至少為 1000 V、3 A (3 kW) 的電源。

 

實務重點

對於絕大多數的雙脈衝測試 (DPT) 應用而言，電源的平均額定電流比待測物 (DUT) 的峰值脈衝電流低一到三個數量級。按照 DUT 的峰值電流來決定電源大小是一種昂貴的規格過度配置，不僅白白浪費機架空間和預算，而且毫無益處。使用上述兩個公式正確評估電源需求，通常會發現體積更小、更緊湊的電源就已完全足夠。

 

DPT 電源的關鍵功能

除了基本的電壓與電流額定值外，DPT 測試平台對於電源的控制、保護機制及實體尺寸都有特定的要求。以下章節將探討 DPT 設置對其直流匯流排電源的具體要求，以及 Magna-Power 的 SLx 系列和 XR 系列的對應功能。從大學研究實驗室到半導體生產線，這些系列長期以來一直是雙脈衝測試的核心支柱。

程控、量測與自動化

切換損耗會隨著直流電壓 VDC, 測試電流 Itest, 接面溫度Tj, 及閘極驅動條件而變化，因此在寬能隙 (WBG) 元件特性分析中，跨多個匯流排電壓的參數掃描是例行程序。此時，電源不再只是靜態的供電源，而是測量鏈中的一台儀器；它必須具備俐落的程式控制能力、準確的測量、能在程序控制器的控制下迅速響應，並能與實驗室所運行的任何自動化基礎設施無縫整合。

匯流排電壓的設定值最終決定了 DPT 測量落在元件 V-I 特性曲線上的哪個位置，而電源的電壓回讀值則直接饋入切換損耗的計算中。透過 SLx 系列，程控精度可低至全量程的 ± 0.06%，且測量精度極高，確保電源所引起的不確定性不會在典型 WBG 元件的測量誤差預算中佔據主導地位。

Multiple Magna-Power XR Series power supplies integrated as part of a production semiconductor test system.

Multiple Magna-Power XR Series power supplies integrated as part of a production semiconductor test system.

參數化 DPT 特性分析通常會對每個元件掃描多個匯流排電壓（例如針對 1200 V SiC MOSFET 掃描 400 V、600 V、800 V、1000 V），並在每個設定點重複進行 DPT 測試。電源必須乾淨俐落地在設定點之間快速切換。SLx 系列上的 MagnaLINK 分散式 DSP 數位控制可實現可程式化轉換速率和快速可程式化斜坡，並在廣泛的負載條件下提供現場可調增益，讓自動化掃描序列器能夠逐步完成完整的電壓-電流-溫度矩陣。

透過網路介面發送的數位指令具有固有的延遲（通常為毫秒級），這可能會在緊密協調的 DPT 序列中引入抖動。對於需要將電源狀態與閘極驅動器、AFG 和示波器同步而無需經過指令層的應用，SLx 系列和 XR 系列提供了具備類比和數位邏輯的標準 D-Sub 使用者 I/O。此 I/O 提供了一個獨立於軟體指令介面、用於即時回饋和控制的硬體路徑，允許將電源直接連接到測試平台的互鎖系統、觸發邏輯和類比測量路徑中。

DPT 客戶群的自動化基礎架構差異很大，包括 LabVIEW、透過乙太網路的 Python、TestStand 中的 IVI 驅動程式，以及運行 PLC 控制序列器的生產線。電源需要與現有任何基礎架構整合，而不是強迫改變它。

SLx 系列標配雙 USB（前置和後置）和 RS-485，並完全支援 SCPI 和 Modbus 指令集。選配的 LXI TCP/IP 乙太網路 (+LXI) 提供標準的實驗室網路控制，而對於運行工業自動化的環境，SLx 還額外提供 CANopen、EtherCAT、EtherNet/IP、ModbusTCP 和 PROFINET 作為完全整合的通訊選項，每個選項皆具備完整的指令集支援，從而能夠由工業 PLC 進行直接控制（Siemens PROFINET 在半導體晶圓廠和汽車測試單元中尤為常見）。XR 系列標配序列 RS-232，並支援 LXI TCP/IP 乙太網路 (+LXI) 和 IEEE-488 GPIB (+GPIB) 作為選配介面，以實現更廣泛的實驗室儀器整合。每台電源均包含 National Instruments LabVIEW 和 IVI 驅動程式。

使用 Python 入門相當簡單：電源在 socket 上監聽，SCPI 指令為 ASCII 文字，而包含日誌記錄的完整 DPT 掃描框架只需十幾行程式碼即可完成。例如：

import socket, time

# Connect to supply at lab network address, default SCPI socket port
s = socket.socket(socket.AF_INET, socket.SOCK_STREAM)
s.connect(('192.168.0.86', 50505))

# Identify and configure for remote control
s.sendall(b'*IDN?
')
print(s.recv(4096).decode())
s.sendall(b'CONF:SOUR 0
')

# Sweep across bus voltages for parametric DPT characterization
for v_bus in [400, 600, 800, 1000]:
    s.sendall(f'VOLT {v_bus}
'.encode())
    s.sendall(b'OUTP:START
')
    time.sleep(0.1)   # settle time before DPT shot
    # [trigger AFG, capture scope waveforms, calculate E_on/E_off]
    s.sendall(b'MEAS:ALL?
')
    curr, volt, pwr = s.recv(4096).decode().split(',')
    print(f'V_bus={v_bus}: measured {float(volt):.2f} V, {float(curr):.3f} A')

s.sendall(b'OUTP:STOP
')
s.close()

 

負載故障下的自我保護設計

DPT本質上是破壞性測試。元件經常會發生故障，當故障發生時，通常會短路。電源必須對負載故障做出反應，而不能導致連鎖反應損壞電源，不能將大量反向電流注入電容排，也不能以將損壞蔓延至整個測試台的方式釋放儲存的能量。

每一款MagnaDC電源均採用Magna-Power標誌性的電流饋電功率處理拓撲，這比傳統的電壓饋電設計增加了一個控制級。在故障條件下，這種拓撲結構從本質上限制了故障能量：沒有快速上升的電流尖峰，沒有磁芯飽和，並且在短路負載下具有自保護行為。對於DPT應用來說，這是當待測物（DUT）故障時的第一道防線：電源架構本身就能抵抗故障，而不是依賴韌體控制的跳脫響應。結合下一節中的安全保護，SLx系列和XR系列能夠承受重複的DUT故障事件，而不會導致測試台停機。

安全保護

DPT的設計就是要將元件推向故障。精心設計的電源提供多層保護，共同保護電源、測試台和操作員免受可能發生的各種問題影響：DUT短路、失控電流、來自電容排的過壓瞬變、熱偏移、外殼破裂和操作員錯誤。保護策略是分層的，而非單點的：每種機制獨立運作，因此任何單一故障都不會使整個系統失效。

可程式設計過壓跳脫（OVT）和過流跳脫（OCT）是第一道可程式設計保護層。SLx系列和XR系列電源均提供可從前面板、使用者I/O或透過命令介面配置的OVT和OCT設定，其跳脫閾值獨立於輸出調節設定點。對於DPT，OCT通常設定在預期充電電流之上的一個適度裕量處，以便任何異常的負載行為都能在損壞蔓延之前觸發電源跳脫。

針對熱保護，分散式熱開關監測電源內部的多個點，而控制完整性診斷則監視程式設計線路、遠端感測引線和內部參考。任何這些條件下的故障都會觸發電源跳脫，且獨立於可程式設計的OVT/OCT設定。

專用的互鎖（Interlock）硬體輸入能在接點迴路斷開並出現鎖存故障時抑制輸出。互鎖通常與測試外殼整合：一個以5V為基準的乾接點迴路貫穿外殼門、治具蓋以及任何其他對安全至關重要的互鎖裝置。當5V訊號斷開時，電源將停止處理功率並鎖定在故障狀態。SLx系列和XR系列均將互鎖輸入作為標準功能提供；這是每個DPT測試台都應與其外殼和存取控制相連接的基本硬體安全層。

SLx系列提供專用的硬體緊急停止（E-stop）作為額外的保護層。當透過斷開24V訊號觸發E-stop輸入時，會建立一個繞過所有邏輯、處理器和控制韌體的交流中斷路徑。此E-Stop功能提供了一個獨立於電源控制電子裝置的純硬體關機機制，這在需要互鎖之外的額外硬體隔離層的安裝環境中非常實用。

機架密度

DPT測試需要使用大量儀器：示波器、函數產生器、閘極驅動電源、熱溫箱控制器、自動化硬體以及直流匯流排電源。

Magna-Power的SLx系列在單一個1U機箱中可提供高達10 kW的功率和高達3,000 Vdc的電壓，而傳統的高壓可程式設計電源通常佔用3U或更大的空間。部分原因在於架構：許多競爭品牌的電源包含自動切換量程的輸出級，以在寬廣的範圍內提供恆定功率，這增加了零件數量、成本、控制複雜性和物理體積。對於DPT，測試電壓由DUT決定，而平均電流需求則可透過尺寸分析得知；自動切換量程解決了一個此應用並不存在的問題。針對目標元件等級定製的固定量程電源能夠以更小的空間和更低的成本提供同樣有用的功能。

DPT的未來發展趨勢

寬能隙（WBG）元件開發的幾個趨勢直接對DPT測試台的直流電源側提出了要求。隨著3.3 kV SiC進入量產，以及6.5 kV和10 kV元件邁向商業化，匯流排電壓正在不斷攀升。測試電流也在攀升，數百安培的特性分析已很常見，而模組級測試更是達到千安培級別，這意味著每次測試的能量更大，且測試之間電容排的充電速度需要更快。對於這些設定，主導電源尺寸的是充電時間限制，而非能量平衡限制。

DPT越來越多地與HTRB（高溫反偏）、HTGB（高溫閘極偏壓）和功率循環在同一個測試台上進行，而不是在獨立的測試單元中進行，這使得在數小時和數天的測試活動中，電源的穩定性變得格外重要。有些半導體製造商現在對生產線下線的每一個元件都進行DPT測試，這要求測量速度快，並要求在測試零件之間對電容排進行更快的充電。

在所有這些發展方向上，直流匯流排電源的需求都在不斷攀升。3 kV的SLx系列和10 kV的XR系列已準備好跟隨元件升級的步伐，其1U和2U的外型尺寸能使DPT設定的其餘部分保持緊湊。

 

References

Wang, F., Zhang, Z., and Jones, E. A. (2018). Characterization of Wide Bandgap Power Semiconductor Devices. IET Energy Engineering Series, Vol. 128. Stevenage, UK: Institution of Engineering and Technology. ISBN: 978-1-78561-491-0.

IEC 60747-9:2019, Semiconductor devices – Discrete devices – Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs), Edition 3.0. Geneva: International Electrotechnical Commission, November 2019.

JEDEC Solid State Technology Association (2021). JEP182: Test Method for Continuous-Switching Evaluation of Gallium Nitride Power Conversion Devices, Version 1.0. Arlington, VA: JEDEC.

Originally published by Magna-Power April 16, 2026