【T&M 測試】馴服奈秒猛獸：沒有精準的 GaN/SiC 動態測試，電動車的續航力只是紙上談兵

秒懂重點：沒有這項測試，就沒有下世代科技

想像一下，傳統的矽基功率元件 (MOSFET) 像一個反應有點慢的水龍頭，關閉時水流會緩慢停止，雖然浪費了一些水（能量），但過程很平順；而 GaN/SiC 元件則像一個能在百萬分之一秒內瞬間關斷的巨型水閘，這種速度能極大地節省能源，但也像猛力關上閘門會引發劇烈的「水錘效應」一樣，它會在電路中激起破壞性的電壓尖波 (Overshoot) 和振盪 (Ringing)，如果工程師無法用精準的工具看清並量化這個奈秒內發生的「水錘效應」，就無法設計出穩定可靠的電路去控制它；結果將是災難性的：輕則效率低下，重則元件直接燒毀，簡言之，沒有先進的動態特性測試技術，就無法駕馭 GaN/SiC 這頭性能猛獸，電動車的續航力、伺服器的節能效率都將無法實現。

測試技術白話文：原理與曠世挑戰

過去的測試瓶頸：為何傳統方法已不敷使用？

在矽基功率元件的時代，開關速度在微秒 (microsecond) 等級，頻率也較低，工程師使用標準的高壓差動探棒連接示波器，就能大致掌握其開關特性，探棒本身對電路的微小影響以及環境中的雜訊，相較於緩慢的訊號而言，並不是主要矛盾。

但 GaN/SiC 的出現，將開關時間壓縮了 10 到 100 倍，進入了奈秒領域，這帶來了三大致命挑戰：

1. 巨大的共模電壓干擾：當一個 GaN 元件在 800V 的電動車電池系統中高速開關時，整個量測迴路都會被這個劇烈變化的電壓「污染」，這好比想在一艘劇烈顛簸的船上，測量水杯裡一個微小的漣漪，傳統的差動探棒會被船的劇烈晃動（共模電壓）徹底淹沒，完全無法分辨漣漪（真實訊號）的樣貌。

2. 探棒的「寄生電容」效應：任何探棒接觸到電路，都會引入微小的寄生電容，就像在水管上鑽了一個看不見的小洞，在慢速系統中，這個小洞的漏水量可以忽略不計；但在 GaN/SiC 的超高開關速度下，這個小洞會變成一個巨大的裂口，嚴重影響元件的開關行為，導致量測結果「看得到，但不準確」，因為你看到的已經不是它真實的樣貌。

3. 狹小空間的探測難題：為了最大化性能，GaN/SiC 的電路佈局極其緊湊，常常沒有預留理想的量測點，如何在充滿高壓與高頻雜訊的狹小空間裡，安全又準確地接到訊號，本身就是一個巨大的工程挑戰。

核心測試原理是什麼？

為了在實驗室環境中，可重複且精準地評估 GaN/SiC 元件的動態性能，業界普遍採用一種標準化的測試方法，稱為「雙脈衝測試 (Double-Pulse Test, DPT)」。

DPT 的原理非常巧妙，它將一次完整的開關過程分解為兩個步驟來觀測：

1. 第一個脈衝（建立狀態）：儀器發出一個較長的脈衝，驅動待測元件（例如一個馬達驅動電路中的下橋臂電晶體）導通，這個脈衝的目的是在電路中的電感上建立起一個目標大小的電流，模擬真實工作時的負載狀態，這個脈衝結束後，元件關斷，但電流會因電感特性繼續流過另一個二極體。
   

2. 第二個脈衝（量測事件）：在極短的間隔後，儀器發出第二個、非常短的脈衝，這個脈衝才是真正的量測主角，在它的上升沿，我們可以精準觀測元件在特定電流下的「開通特性」（Turn-on）；在它的下降沿，則可以觀測「關斷特性」（Turn-off）。

透過分析第二次脈衝期間，示波器捕捉到的電壓 (Vds) 和電流 (Id) 波形，工程師就能計算出所有關鍵的動態參數，例如：開關時間、能量損耗、電壓/電流的過衝與振盪。這套方法排除了一次性測試的諸多不確定性，成為全球公認的標準。

此圖展示了 GaN/SiC 功率半導體「雙脈衝測試 (DPT)」的關鍵波形，用於精確表徵其動態開關特性。上方示波器畫面清晰顯示了閘極電壓 (Vgs)、漏源電壓 (Vds) 和漏源電流 (Ids) 的變化，尤其突出了第二次脈衝期間的開通與關斷瞬間。右側介面則揭示如何透過自動化軟體，依據產業標準（如 JEDEC）輕鬆設定量測，進而分析開關時間與能量損耗，這是確保高效率電源轉換系統可靠運行的關鍵步驟。(圖片來源：Tektronix)

新一代測試技術的突破點

要解決上述三大挑戰，並完美執行 DPT，T&M 技術迎來了革命性的突破，其核心就是「光纖隔離量測技術」。

• 以光取代電，徹底隔絕干擾：以光隔離探棒為代表，這項技術在探棒前端將電訊號轉換為光訊號，透過光纖傳輸到示波器端再轉換回電訊號，因為光完全不受電磁干擾，這相當於在顛簸的船（高共模電壓的電路）和觀測者（示波器）之間架起了一條絕對平穩的「光之橋」，它提供了極高的共模互斥比 (CMRR)，能完美濾除共模雜訊，讓工程師首次清晰地看到奈秒級的真實訊號。

• 極低的探棒負載效應：新一代隔離探棒的輸入電容極低，對待測電路的影響降到了最低，這確保了量測的準確性，保證了「所見即所得」。

• 高頻寬與高解析度示波器：要捕捉奈秒級的開關細節，示波器本身必須具備至少 1 GHz 的頻寬；同時，為了精準計算能量損耗，示波器需要具備 10 位元或 12 位元的高垂直解析度 ADC，才能在量測數百伏電壓的同時，分辨出毫伏級的細微變化。

產業影響與應用

完整驗證藍圖：從研發到量產的挑戰

挑戰一：研發階段的元件特性分析

在 R&D 階段，半導體設計公司（如英飛凌、Wolfspeed）和模組廠（如台達電）需要對 GaN/SiC 裸晶和模組進行徹底的動態特性分析。

• 核心測試工具與技術要求：

  • 高頻寬示波器 (至少 1 GHz)、光纖隔離差動探棒、高頻寬電流探棒、以及能產生精準雙脈衝的任意函數產生器 (AFG)，此階段追求的是極致的量測精度，探棒的共模互斥比 (CMRR)、頻寬與低輸入電容是決定量測成敗的關鍵規格。

挑戰二：設計階段的系統整合驗證

電源系統設計工程師需要驗證 GaN/SiC 元件在實際產品（如電動車逆變器）中的表現，並優化驅動電路與佈局設計，以抑制過衝和振盪。

• 核心測試工具與技術要求：

  • 工具與 R&D 階段類似，但更強調在真實、惡劣的電磁環境下的量測穩定性，此階段，測試的重點是分析元件與週邊電路的互動，例如優化閘極驅動 (Gate Drive) 波形以達到最佳的開關損耗與 EMI 平衡。

挑戰三：量產階段的品質與效率

在生產線上，不可能用數小時進行一次完整的 DPT。測試目標轉為在幾秒鐘內篩選出合格的元件或模組。

• 核心測試工具與技術要求：

  • 自動化測試設備 (ATE) 是核心，研發階段的 DPT 會被簡化為幾個關鍵參數的快速量測，例如在特定條件下的導通電阻 (Rds(on))、開關時間等，如何建立實驗室量測與產線測試的高度關聯性 (Correlation)，是確保產品品質一致性的關鍵。

應用為王：哪些產業的命脈掌握在它手中？

精準的 GaN/SiC 動態測試是以下幾個兆元級產業得以發展的基石：

• 電動車 (EV)：直接影響逆變器（驅動馬達）、車載充電器 (OBC) 和 DC-DC 轉換器的效率。更高的效率意味著更長的續航里程、更快的充電速度和更輕的冷卻系統。

• AI 資料中心與伺服器：伺服器電源供應器 (PSU) 的效率是決定資料中心用電成本 (PUE) 的關鍵，從 AC 到 DC，再到晶片旁的 48V 轉換，每提升 1% 的效率，都能節省巨額的電費和冷卻開支。

• 再生能源：太陽能逆變器和風力發電的變流器，需要將不穩定的直流電高效轉換為穩定的交流電併入電網，GaN/SiC 能大幅降低轉換過程中的能量損失。

前瞻未來：技術普及的挑戰與下一波趨勢

當前的主要挑戰是將複雜的實驗室級測試方案，轉化為更易用、成本更低的整合方案。下一波趨勢將是整合化與智慧化。測試儀器將不僅僅是量測，更會內建符合各種國際標準（如 JEDEC）的自動化測試套件，一鍵完成 DPT、開關損耗、安全工作區 (SOA) 等複雜分析，並自動生成報告。此外，隨著 GaN 元件整合度越來越高（例如將驅動器和電晶體整合在單一晶片上），對微小空間的非侵入式探測技術將成為新的研發熱點。

投資視角：為何「賣鏟子」的生意值得關注？

在席捲全球的電氣化與綠色能源浪潮中，GaN/SiC 元件製造商無疑是耀眼的淘金者，但他們也面臨著激烈的市場競爭和技術迭代風險，而提供 GaN/SiC 測試解決方案的 T&M 公司，則是那個在淘金路上提供最精密、最不可或缺的「探勘設備」的供應商。

這門生意的價值在於：

1. 極高的技術壁壘：能開發出兼具數千伏隔離能力、數吉赫茲頻寬和皮法級輸入電容探棒的公司，全球屈指可數。這背後是光學、材料學和射頻工程的深厚積累。

2. 賦能整個產業鏈：從晶片設計、模組封裝、系統整合到最終產品量產，產業鏈的每一個環節都離不開精準的動態測試，T&M 公司是整個生態系的賦能者。

3. 與趨勢共舞的長期需求：只要追求更高效率、更小體積、更高功率密度的趨勢不變，對更高速、更高壓功率元件的測試需求就會持續升級，這是一個與全球能源轉型趨勢緊密綁定的長青市場。

因此，關注這些 T&M 公司，就是抓住電氣化時代最底層、最堅實的技術脈動。當功率半導體的速度快到肉眼無法捕捉時，能「看見」並「馴服」它們的公司，其價值便不言而喻。