碳化硅功率器件：特性、测试和应用技术

一本介绍碳化硅器件与测试应用技术的专著。首先，注重搭建知识框架，不一味追求*新学术研究成果，而是选择能够实际应用的技术，切实解决SiC器件的应用问题。其次，书中使用大量篇幅对测试设备、测试方法进行了详细的讲解，帮助功率器件和电力电子研究者和工程师弥补测试技术这一短板。

本书介绍了碳化硅功率器件的基本原理、特性、测试方法及应用技术，概括了近年学术界和工业界的*新研究成果。本书共分为9章：功率半导体器件基础，SiC MOSFET参数的解读、测试及应用，双脉冲测试技术，SiC器件与Si器件特性对比，高di/dt的影响与应对——关断电压过冲，高dv/dt的影响与应对——crosstalk，高dv/dt的影响与应对——共模电流，共源极电感的影响与应对，以及驱动电路设计。

现任泰科天润半导体技术有限公司应用测试中心主任。主要从事功率半导体器件特性测试、评估及其在功率变换器上应用的关键技术的研究工作，致力于碳化硅功率器件市场应用的推广，被领先的测试解决方案提供商泰克科技聘为电源功率器件领域外部专家。
2012年和2015年分别于西安交通大学获学士和硕士学位，发表学术论文5篇，出版专著《碳化硅功率器件：特性、测试和应用技术》。

电力电子新技术系列图书序言
序
前言
第1章功率半导体器件基础1
1.1Si功率器件1
1.1.1Si功率二极管1
1.1.2Si功率MOSFET5
1.1.3Si IGBT9
1.2SiC功率器件12
1.2.1SiC半导体材料特性12
1.2.2SiC功率器件发展现状15
参考文献25
延伸阅读26
第2章SiC MOSFET参数的解读、测试及应用29
2.1值29
2.1.1击穿电压29
2.1.2热阻抗31
2.1.3耗散功率和漏极电流32
2.1.4安全工作域33
2.2静态特性35
2.2.1传递特性和阈值电压35
2.2.2输出特性和导通电阻35
2.2.3体二极管和第三象限导通特性38
2.3动态特性39
2.3.1结电容39
2.3.2开关特性40
2.3.3栅电荷47
2.4参数测试48
2.4.1I-V特性测试48
2.4.2结电容测试50
2.4.3栅电荷测试53
2.4.4测试设备53
2.5FOM值55
2.6器件建模与仿真58
2.7器件损耗计算63
2.7.1损耗计算方法63
2.7.2仿真软件66
参考文献68
延伸阅读70
第3章双脉冲测试技术75
3.1功率变换器换流模式75
3.2双脉冲测试基础79
3.2.1双脉冲测试原理79
3.2.2双脉冲测试参数设定82
3.2.3双脉冲测试平台85
3.3测量挑战90
3.3.1示波器90
3.3.2电压探头104
3.3.3电流传感器115
3.3.4时间偏移118
3.3.5寄生参数121
3.4双脉冲测试设备126
参考文献130
延伸阅读132
第4章SiC器件与Si器件特性对比135
4.1SiC MOSFET和Si SJ-MOSFET135
4.1.1静态特性135
4.1.2动态特性137
4.2SiC MOSFET和Si IGBT145
4.2.1传递特性145
4.2.2输出特性145
4.2.3动态特性146
4.2.4短路特性152
4.3SiC二极管和Si二极管154
4.3.1导通特性154
4.3.2反向恢复特性155
延伸阅读162
第5章高di/dt的影响与应对——关断电压过冲163
5.1关断电压过冲的影响因素163
5.2应对措施1——回路电感控制165
5.2.1回路电感与局部电感165
5.2.2PCB线路电感167
5.2.3器件封装电感168
5.3应对措施2——去耦电容170
5.3.1电容器基本原理170
5.3.2去耦电容基础172
5.3.3小信号模型分析176
5.4应对措施3——降低关断速度184
参考文献186
延伸阅读187
第6章高dv/dt的影响与应对——crosstalk188
6.1crosstalk基本原理188
6.1.1开通crosstalk189
6.1.2关断crosstalk191
6.2关键影响因素194
6.2.1等效电路分析194
6.2.2实验测试方案与结果195
6.3应对措施1——米勒钳位200
6.3.1晶体管型米勒钳位200
6.3.2IC集成有源米勒钳位202
6.4应对措施2——驱动回路电感控制206
6.4.1驱动回路电感对米勒钳位的影响206
6.4.2封装集成206
参考文献212
延伸阅读213
第7章高dv/dt的影响与应对——共模电流214
7.1信号通路共模电流214
7.1.1功率变换器中的共模电流214
7.1.2信号通路共模电流特性217
7.2应对措施1——高CMTI驱动芯片219
7.3应对措施2——高共模阻抗223
7.3.1减小隔离电容223
7.3.2共模电感224
7.4应对措施3——共模电流疏导225
7.4.1Y电容225
7.4.2并行供电226
7.4.3串联式驱动电路227
7.5差模干扰测量227
7.5.1常规电压探头227
7.5.2电源轨探头229
参考文献235
延伸阅读236
第8章共源极电感的影响与应对238
8.1共源极电感238
8.1.1共源极电感及其影响238
8.1.2开尔文源极封装241
8.2对比测试方案242
8.2.1传统对比测试方案242
8.2.24-in-4和4-in-3对比测试方案244
8.3对开关过程的影响245
8.3.1开通过程245
8.3.2关断过程249
8.3.3开关能量与dVDS/dt253
8.4对crosstalk的影响257
8.4.1开通crosstalk257
8.4.2关断crosstalk261
参考文献265
延伸阅读266
第9章驱动电路设计267
9.1驱动电路基础267
9.1.1驱动电路架构与发展267
9.1.2驱动电路各功能模块269
9.2驱动电阻取值275
9.3驱动电压280
9.3.1SiC MOSFET对驱动电压的要求280
9.3.2关断负电压的提供281
9.4驱动级特性的影响283
9.4.1 输出峰值电流283
9.4.2BJT和MOSFET电流Boost284
9.4.3米勒斜坡下的驱动能力287
9.5信号隔离传输292
9.5.1隔离方式292
9.5.2安规与绝缘295
9.6短路保护300
9.6.1短路保护的检测方式301
9.6.2DESAT短路保护303
参考文献306
延伸阅读309

功率变换器是电能利用的重要装置，在生产和生活中发挥着重要的作用。功率变换器的核心是功率半导体器件，很大程度上决定了功率变换器的性能。经过近几十年的发展，功率半导体器件已经形成了覆盖几伏到几千伏、几安到几千安的庞大家族，常用的功率半导体器件类型包括MOSFET、IGBT、二极管、晶闸管、GTO晶闸管等。
大部分功率器件是基于Si半导体材料的，其特性已接近理论极限，成为功率变换器发展的瓶颈。为了获得具有更加优异特性的器件，第三代半导体材料SiC、GaN受到了越来越多的关注。与Si功率器件相比，SiC功率器件具有更高的开关速度、能够工作在更高的结温下、可以同时实现高电压和大电流。这些特性能够显著提升功率变换器的性能，获得更高的电能转换效率、实现更高的功率密度、降低系统成本。SiC功率器件适合应用于汽车牵引逆变器、电动汽车车载充电机、电动汽车充电桩、光伏、不间断电源系统、能源储存以及工业电源等领域。目前，国内外SiC产业链逐渐成熟，主流功率半导体器件厂商都已经推出了SiC功率器件产品，成本也不断下降，SiC功率器件的应用正处于爆发式增长中。
作者致力于功率半导体器件测试、评估与应用技术的研究和推广工作，特别对SiC功率器件有深入研究和深刻认知，精通器件测试设备和测量方法。在多年的研究工作中，作者深深地体会到掌握功率器件原理、测量原理与设备、相关应用技术对更好地开展相关研究和提升变换器特性具有重要意义，同时还了解到广大科研人员和工程师对了解和掌握SiC器件相关知识和技术的迫切需求，本书正是在这种背景下编写的，旨在帮助读者深入了解SiC器件的特性和测试方法，明确可能存在的应用技术挑战并掌握应对措施。这样既可以帮助科研工作者快速掌握本领域的重要成果，为科研工作提供坚实的基础，还能够帮助广大工程师更好地应用SiC器件，推进行业的发展。
全书共分为9章：
 第1章为功率半导体器件基础，首先介绍了Si功率器件的发展过程、特性及不足，再以半导体材料特性为基础介绍SiC功率器件相比Si功率器件的优势，还介绍了商用SiC功率器件和封装的发展现状。
 第2章为SiC MOSFET参数的解读、测试及应用，首先详细介绍了SiC MOSFET的值、静态参数、动态参数三大类参数的定义，并深入器件原理解释相关特性，给出了各项参数的测量方法。另外，还详细介绍了器件参数的实际应用，包括FOM值、建模与仿真、器件损耗计算。
 第3章为双脉冲测试技术，首先以典型功率变换拓扑的换流过程为例说明采用双脉冲测试评估器件开关特性的合理性，接着详细介绍了双脉冲测试的基本原理、参数设定、测试平台、测量仪器和测量挑战。
 第4章为SiC器件与Si器件特性对比，包含SiC MOSFET与Si SJ-MOSFET的对比，SiC MOSFET与Si IGBT的对比，SiC SBD、SiC MOSFET体二极管、Si FRD、Si SJ-MOSFET体二极管的对比。
 第5章为关断电压尖峰的影响与应对，详细介绍了关断电压尖峰的影响因素及三种应对措施，包括回路电感控制、去耦电容和降低关断速度。
 第6章为crosstalk的影响与应对，详细介绍了crosstalk基本原理和关键影响因素及两种应对措施，包括米勒钳位和回路电感控制。
碳化硅功率器件：特性、测试和应用技术前言  第7章为共模电流的影响与应对，详细介绍了信号通路共模电流的基本原理和特性以及三种应对措施，包括高CMTI驱动芯片、高共模阻抗和共模电流疏导，此外还介绍了差模干扰测量技术。
 第8章为共源极电感的影响与应对，详细介绍了共源极电感对器件开关特性和crosstalk的影响及开尔文源极封装的优势，并提出了创新的测试评估方法。
 第9章为驱动电路设计，为读者搭建了驱动电路架构，详细介绍了驱动电阻取值、驱动电压、驱动级特性的影响、信号隔离传输和短路保护关键技术。
作者在章节设置、内容选择、表述方式、波形展示等方面做了大量的工作，力求内容条理清晰、通俗易懂，能够切实帮助读者的学习和工作。首先，在进行知识讲解时，注重为读者搭建系统的知识框架，避免“只见树木不见森林”。其次，在SiC器件应用挑战的应对措施的讲解中，不一味追求学术研究成果，而是选择能够实际应用的技术，切实解决SiC器件的应用问题。另外，书中使用了大量篇幅对测试设备、测试方法进行了详细的讲解，帮助功率器件和电力电子研究者和工程师弥补测试技术这一短板。同时，书中绝大多数波形采用实验实测结果，对应的分析和结论更加贴近实际应用，可直接指导应用设计，避免理论理想波形与实际测试波形之间的偏差所带给读者的困惑。后，在每一章结尾给出了丰富的参考文献和有价值的延伸阅读资料，多为工业界应用手册和具备工程应用前景的学术论文，兼顾前沿性与实用价值。
业内多位专家参与了本书的素材提供，他们是西安电子科技大学袁昊助理研究员（1.2.2.1节），西安交通大学赵成博士（1.2.2.3节），西安交通大学李阳博士（2.1节、2.2节和2.3节），Keysight Technologies,Inc査海辉（2.4节），Keysight Technologies, Inc马龙博士（2.6节），Teledyne LeCroy Inc李惠民（3.3.1节），Keysight Technologies,Inc朱华朋（3.4节）。
在本书编写过程中，王郁恒、谢毅聪、王华、丛武龙、王涛、刘杰、张珅华、童自翔、罗岷、Dominic Li提出了很多宝贵的意见和建议，在此对以上各领域的专家表示衷心的感谢。在本书出版过程中，得到了西安交通大学杨旭教授、浙江大学盛况教授的关心和帮助，在此深表感谢。同时，还得到了王增胜，王舶男，郝世强，董洁，张金水，童安平，李国文，Teledyne LeCroy Inc郭子豪，西安交通大学张岩，Kegsight Technologies,Inc薛原、李军、陈杰，Tektronix Inc陈鑫磊、董琦、孙阳的支持和帮助，在此也一并表示感谢。
此外，还要感谢西安交通大学王兆安教授，是他带领我进入了电力电子领域；感谢李明博士，是他让我与功率半导体器件结缘；感谢西安交通大学杨建国教授，是他让我认识到测量测试的重要性和乐趣。
后，要特别感谢父母对我的养育，他们在本书编写过程中给予我巨大的理解和支持。
由于作者水平有限，书中难免有错误和不当之处，恳请广大读者批评指正。

高远
2020年12月