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主要作者与研究机构

本文的主要作者包括Jan Leuchter（布尔诺理工大学微电子系和帕尔杜比采大学交通工程学院），Ngoc Nam Pham（布尔诺理工大学微电子系），以及Huy Hoang Nguyen（越南河内Le Quy Don技术大学系统集成研究所）。文章发表在*Journal of Electrical Engineering*第75卷第2期，2024年，页码为77至85。

研究背景

本文研究的领域是电力电子学，特别关注于硅碳化物(Silicon Carbide，SiC)功率器件的静态特性测量与参数提取。近年来，随着半导体技术和微电子技术的快速发展，以及电推进应用的显著增加，对功率电子系统的需求大幅提升。这些系统被要求在更高电压、更高温度和更高开关频率条件下运行，以实现高功率密度和最小化转换器尺寸。此外，功率系统的高效性需求，也推动了新一代功率电子器件的开发。

传统基于硅(Silicon, Si)的功率电子器件尽管具有一定性能优势，但在高电压、高频率和高温度工作条件下存在显著的局限性。相比之下，宽带隙半导体材料（Wide Bandgap, WBG），如硅碳化物（SiC）和氮化镓（Gallium Nitride, GaN），因其更高的开关速度、更低的导通电压降、更低的开关损耗和更高的热导率，成为实现高功率密度和低损耗的潜在解决方案。

然而，使用诸如SPICE等仿真平台设计这些器件的复杂性较高，因为缺乏精确的器件模型。为了弥补这一局限，本文旨在设计一个基于LabVIEW的自动化测试平台，测量SiC功率器件的特性，并提取用于SPICE建模的关键参数，从而提升仿真精度。

研究流程与细节

研究包含以下几个步骤：

1. 实验设备与测试平台设计 本文提出了一个基于LabVIEW的自动化测试平台，用于测量SiC功率MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）的静态特性。测试平台由两组可变DC电源、两台电压表以及一台电流表组成，用以分别测量晶体管的栅源电压(Vgs)、漏源电压(Vds)以及漏极电流(Id)。此外，作者还提出了利用源测量单元（Source Measurement Units, SMU）替代分离设备的方法，进一步提升测试效率。

测试系统采用模块化设计，包含两个主要模块： - 测量模块：控制设备执行测量任务，包括Vds和Vgs的循环扫描，以及多次重复测量以减少统计偏差。 - 数据处理模块：负责提取测量数据，计算统计不确定性，并根据器件数学模型自动提取关键参数（如门限电压Vth、跨导系数Kp、通态电阻Rds-on等）。

整个设计的灵活性使其可以拓展应用于其他类型的功率器件。

1. 测量过程描述 测试过程首先设置SMU的输出电压，其后测量Vds，Vgs和Id的具体值。为了降低统计不确定性，每个数据点都会重复测量多次，并取平均值和计算误差。同时，整个流程可根据测试器件的不同，选择适当的数学模型来支持参数提取。例如，门限电压提取采用线性外推法，分别应用于MOSFET的线性区和饱和区。此外，通态电阻Rds-on则参考线性区的特性曲线斜率进行计算。

数据处理模块同时支持测量数据的保存、关键参数的提取和数据可视化。图形化显示包括静态输出特性曲线与传输特性曲线，并附有测量不确定性的可视化结果。

1. 参数提取方法 本研究重点提取以下静态参数：
   • 门限电压(Vth)：根据线性区和饱和区的曲线外推法计算。
   • 跨导系数(Kp)：采用传输特性曲线的数学模型估算，需考虑器件的宽长比(W/L)。
   • 源极电阻(Rs)：通过计算测量曲线与理想直线之间的偏差得到。
   • 导通电阻(Rds-on)：根据线性区特性曲线截距获取。
   • 沟道长度调制系数(λ)：通过饱和区曲线的外推交点以及相关方程计算。

主要研究结果

1. 测量结果 SiC MOSFET在饱和区和线性区的测量特性均符合理论预期。饱和区提取得到的门限电压(Vth)、跨导系数(Kp)以及源极电阻(Rs)等参数与实际模型匹配良好。而线性区测量结果同样用于计算Rds-on值，并建立了其随Vgs变化的特性。

2. SPICE建模改进 提取的参数用于改进已有SiC功率MOSFET的SPICE模型。仿真结果表明，改进后的模型与实际测量结果的相关性显著提升。主要的调整集中在门限电压Vth和跨导系数Kp值的校正上，而导通电阻Rds-on的测量值也与实际器件的工业参数一致。

3. 误差与不确定性分析 为优化测量准确度，研究同时对测量不确定性进行了分类和量化，包括A类不确定性（基于重复测量的统计分析）和B类不确定性（基于仪器精度的确定性偏差）。最终的不确定性计算公式将两者结合，以提升参数提取的可靠性。

结论与研究意义

本文提出了一种创新的LabVIEW测试平台，用于SiC功率器件的静态测量与参数提取，并在此基础上改进了SPICE模型。该系统具有较高的灵活性，可轻松扩展至其他类型的功率器件。通过测量和仿真结果的对比分析，验证了所提测试平台的有效性和参数提取方法的准确性。从科学角度来看，该研究为开发和优化SiC器件的SPICE模型提供了一种有效手段，并有助于提高功率电子设计的仿真精度。在应用层面，这一平台可广泛应用于航空电子及其他高性能电力电子领域。

研究亮点

1. 提出了一种基于LabVIEW的自动化测试平台，具有较高的灵活性和扩展性。
2. 完整设计了从数据测量、处理到参数提取和模型校正的端到端流程。
3. 改进了SPICE模型的精度，通过多个提取参数提高模拟结果与实际结果的一致性。
4. 在动态测量与参数提取方面为后续研究奠定了基础。

未来发展方向

本文的研究主要集中于SiC器件的静态特性测量。未来计划将测试平台扩展至动态特性测量，从而提取更多的时变参数。这将进一步完善SPICE模型，简化功率电子学的电路设计过程，具有极大的发展潜力。