以碳化硅和氮化镓为代表的宽禁带半导体功率器件，是高效高质电能变换的核心基础器件，在电气化交通、新能源发电、输变电装备、航空航天、国防军工等领域，具有不可替代的作用。然而，宽禁带功率器件仍然沿用40年前硅功率器件的测试方法，无法满足其超高的电压应力、开关速度、共模干扰等测试需求。如何精准、原位地表征宽禁带功率器件的开关动态行为，是“芯片设计—先进封装—高端装备”全产业链的共性基础问题，已成为宽禁带半导体行业的痛点问题。围绕宽禁带功率器件的基础研究和前沿应用，《宽禁带功率器件的开关动态测试技术》系统介绍了宽禁带功率器件的应用场景和发展趋势，梳理了宽禁带功率器件开关动态测试的技术需求与难题挑战，阐述了宽禁带功率器件的开关动态测试的电路、系统和方法，分析了宽禁带功率器件用测试仪器的理论模型和标定方法，探讨了高带宽、低杂感的分流器电流探头创新概念，给出了高带宽、高精度的罗氏线圈电流探头设计方法，提出了高带宽、高阻抗的差分电压探头新结构，发明了高共模抑制比、低成本的光学隔离拓展器，构建了适用于宽禁带功率器件的高带宽、宽量程、低侵入、高抗扰测试仪器体系。

    《宽禁带功率器件的开关动态测试技术》是一本理论基础和工程实践相结合的专著，可作为高校电力电子技术、仪器科学与技术、集成电路及相关专业高年级本科生、研究生和教师的参考书，也可供从事宽禁带半导体功率器件研究与应用的工程技术人员参考使用。

前言

第1章　宽禁带功率器件开关动态测试的技术需求与挑战1

1.1　宽禁带功率器件的技术现状与发展趋势1

1.1.1　宽禁带功率器件的应用场景1

1.1.2　宽禁带功率器件的技术优势4

1.1.3　宽禁带功率器件的应用案例7

1.1.4　宽禁带功率器件的发展趋势12

1.2　宽禁带功率器件的开关动态测试需求16

1.2.1　开关动态的测试系统16

1.2.2　开关动态的典型结果17

1.3　宽禁带功率器件的开关动态测试挑战18

1.3.1　功率器件的挑战18

1.3.2　测试仪器的挑战20

1.4　本章小结22

参考文献22

第2章　宽禁带功率器件开关动态测试的行业调研与分析24

2.1　行业调研的背景意义24

2.2　行业调研的主要内容26

2.3　行业调研的统计结果27

2.3.1　开关动态测试的目的27

2.3.2　开关动态测试的范畴29

2.3.3　开关动态测试的仪器32

2.3.4　开关动态测试的难题33

2.4　行业调研的分析讨论35

2.4.1　应用场景的需求与偏好35

2.4.2　测试探头的影响与限制38

2.4.3　动态测试的问题与挑战40

2.5　行业调研的技术发现41

2.6　本章小结43

参考文献43

第3章　宽禁带功率器件的开关动态测试电路46

3.1　单脉冲测试电路46

3.1.1　测试电路的演化规律46

3.1.2　测试电路的典型波形47

3.2　双脉冲测试电路48

3.2.1　测试电路的演化规律48

3.2.2　测试电路的典型波形50

3.3　同步整流双脉冲测试电路50

3.3.1　测试电路的演化规律50

3.3.2　测试电路的工作原理51

3.3.3　测试电路的典型波形53

3.4　其他开关动态测试电路55

3.4.1　多脉冲测试电路55

3.4.2　多电平测试电路56

3.4.3　电流源测试电路59

3.4.4　脉冲放电测试电路59

3.4.5　软开关测试电路59

3.5　商业化功率器件的开关动态测试电路60

3.5.1　国际标准中的测试电路60

3.5.2　Si MOSFET功率器件的开关动态测试电路62

3.5.3　Si SJ-MOSFET功率器件的开关动态测试电路63

3.5.4　Si IGBT功率器件的开关动态测试电路64

3.5.5　SiC MOSFET功率器件的开关动态测试电路65

3.5.6　GaN HEMT功率器件的开关动态测试电路65

3.5.7　功率器件开关动态测试电路的对比分析66

3.6　开关动态测试的典型应用68

3.6.1　功率变换器的死区时间设计68

3.6.2　功率变换器的运行效率评估68

3.6.3　功率器件的封装寄生电感测试71

3.7　本章小结72

参考文献73

第4章　宽禁带功率器件的开关动态测试条件75

4.1　测试系统构成75

4.2　直流母线76

4.2.1　直流供电电源76

4.2.2　直流母线电容76

4.2.3　缓冲吸收电路78

4.3　负荷电感79

4.4　驱动电路80

4.5　温控平台87

4.6　脉冲发生器88

4.7　测试仪器89

4.7.1　电压探头89

4.7.2　电流探头97

4.7.3　示波器101

4.7.4　同轴电缆103

4.8　其他注意事项104

4.9　本章小结104

参考文献104

第5章　宽禁带功率器件的开关动态测试方法107

5.1　最大测试脉冲宽度的设计107

5.1.1　功率器件的测试脉冲宽度影响107

5.1.2　功率器件的温度敏感性影响109

5.2　电压和电流探头的同步校正111

5.2.1　电压和电流不同步的影响111

5.2.2　电压和电流同步校正方法111

5.3　功率器件的开尔文连接113

5.3.1　开尔文源极连接113

5.3.2　开尔文漏极连接115

5.4　开关动态测试结果的计量方法116

5.4.1　现有标准的计量方法116

5.4.2　开关时间的计量方法119

5.4.3　开关损耗的计量方法119

5.4.4　开关速度的计量方法120

5.5　其他注意事项121

5.6　本章小结121

参考文献122

第6章　宽禁带功率器件测试用探头的数学模型与标定方法123

6.1　探头带宽拓展的基本思路123

6.1.1　传输线效应123

6.1.2　传输线的数学模型124

6.2　探头带宽的标定原理与方法128

6.2.1　探头的典型端口网络128

6.2.2　探头带宽的标定方法129

6.3　探头输入阻抗的标定原理与方法130

6.3.1　反射系数法131

6.3.2　散射参量法131

6.3.3　自动平衡电桥法133

6.3.4　阻抗测量方法的对比133

6.3.5　功率器件的典型输入阻抗135

6.4　探头延迟时间的标定原理与方法137

6.4.1　各个测量环节的典型频率特征137

6.4.2　探头延迟时间的标定方法138

6.5　探头共模抑制比的标定原理与方法141

6.5.1　共模抑制比的定量模型141

6.5.2　共模抑制比的标定方法142

6.6　实验结果与分析145

6.6.1　典型电流探头的标定结果146

6.6.2　典型电压探头的标定结果147

6.7　本章小结149

参考文献150

第7章　宽禁带功率器件测试用高带宽分流器电流探头151

7.1　宽禁带功率器件对电流分流器的技术挑战151

7.2　高性能电流分流器的技术定义153

7.2.1　电流分流器的性能需求153

7.2.2　电流分流器的性能实测154

7.3　电流分流器的拓扑分析及性能制约因素155

7.3.1　电流分流器的典型拓扑155

7.3.2　电流分流器的性能退化机理156

7.4　高带宽低寄生电流分流器的设计方法157

7.4.1　阻抗匹配分流器的基本概念157

7.4.2　阻抗匹配分流器的设计方法157

7.5　实验结果与分析159

7.5.1　输入阻抗标定实验结果与分析160

7.5.2　带宽性能标定实验结果与分析160

7.5.3　相位特性标定实验结果与分析161

7.5.4　寄生参数标定实验结果与分析161

7.5.5　标定结果的综合性能对比与分析162

7.5.6　基于双脉冲测试的综合性能验证162

7.6　大电流小型化电流分流器的设计方法163

7.6.1　IM-Shunt的小型化方法164

7.6.2　Mini-Shunt的基本概念与设计方法166

7.6.3　Mini-Shunt的热网络模型169

7.6.4　Mini-Shunt的热稳定性能170

7.6.5　Mini-Shunt的热仿真分析172

7.7　实验结果与分析175

7.7.1　Mini-Shunt样机研制175

7.7.2　Mini-Shunt特性校准176

7.7.3　基于双脉冲测试的综合性能验证179

7.7.4　基于稳态和脉冲测试的热性能验证181

7.8　本章小结186

参考文献187

第8章　宽禁带功率器件测试用高带宽罗氏线圈电流探头189

8.1　宽禁带功率器件对罗氏线圈的技术挑战189

8.2　高带宽罗氏线圈的数学模型190

8.2.1　传统罗氏线圈的典型结构190

8.2.2　传统罗氏线圈的带宽限制191

8.2.3　传输线罗氏线圈的基本概念192

8.2.4　传输线罗氏线圈的带宽提升机理193

8.2.5　传输线罗氏线圈的阻抗计算194

8.2.6　传输线罗氏线圈的积分器设计195

8.3　高带宽罗氏线圈的低频误差降低方法196

8.3.1　偏置效应的实测结果196

8.3.2　偏置效应的产生机理197

8.3.3　偏置效应的降低方法198

8.4　高带宽罗氏线圈的中高频误差降低方法200

8.4.1　涡流效应的实测结果200

8.4.2　涡流效应的产生机理201

8.4.3　涡流效应的定量分析204

8.4.4　涡流效应的物理本质207

8.4.5　涡流效应的抑制方法210

8.5　实验结果与分析212

8.5.1　传输线罗氏线圈的参数设计212

8.5.2　传输线罗氏线圈的带宽标定213

8.5.3　传输线罗氏线圈的屏蔽特性215

8.5.4　基于双脉冲测试的性能验证219

8.6　本章小结220

参考文献220

第9章　宽禁带功率器件测试用高带宽差分电压探头222

9.1　宽禁带功率器件对浮动电压测试的技术挑战222

9.2　差分电压探头的拓扑分析及性能制约因素224

9.2.1　差分电压探头的典型测量环节224

9.2.2　功率器件开关过程的能量模型225

9.2.3　分压网络的噪声模型226

9.2.4　功率器件开关过程与探头的能量交互机理227

9.2.5　差分电压探头的带宽制约分析230

9.3　高带宽差分电压探头的设计方法233

9.3.1　传输线分压器的基本概念233

9.3.2　传输线分压器的仿真分析238

9.3.3　补偿滤波器的设计方法241

9.3.4　差分电压探头的带宽极限246

9.4　实验结果与分析250

9.4.1　带宽标定实验结果与分析251

9.4.2　精度标定实验结果与分析253

9.4.3　输入阻抗标定实验结果与分析253

9.4.4　共模抑制比标定实验结果与分析254