高效能、低損耗的開關元件，對於馬達控制電路跟切換式電源供應器而言，是不可或缺的核心元件，以往這類開關元件都是以矽為基礎的MOSFET跟絕緣柵雙極電晶體(IGBT)，但氮化鎵(GaN)與碳化矽(SiC)這兩種寬能隙(WBG)材料的出現，正在逐漸改變這個市場的樣貌。
與矽相比，GaN跟SiC具有更低的導通電阻、更高的切換頻率，同時也能承受更高的電壓。這使得基於寬能隙材料的電源供應器跟馬達驅動設備，外觀尺寸將變得更小巧，但輸出功率卻比基於矽開關的設備還要更高。對電源產業來說，這些特性不只讓既有的產品性能更優異，同時還為相關業者開拓了新的應用市場。
量測儀器業者也從這波新材料導入所觸發的電源產業革命中，看到的新的機會與新的挑戰。由於應用更多元化，原本提供切換式電源產品，主力應用在PC、伺服器與消費性電源市場的業者，開始接觸到電動車、能源等新的垂直產業，但這些產業都有自己行之有年的產業標準跟規範，且還在與時俱進當中。如何讓工程師快速熟悉相關規範、簡化量測作業，甚至縮短產品開發時程，也成為儀器供應商的責任。
新應用、新挑戰與新機會
是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙(圖1)指出，對電源量測來說，寬能隙元件的出現，最直接的影響就是其開關頻率比矽要高出一大截。以往以矽為基礎的MOSFET或IGBT，開關頻率往往只有數百KHz，最高也不過在1~2MHz之間，但寬能隙元件的開關頻率可以達到數十MHz，以後還有可能會拉得更高。
因此，要開發基於寬能隙元件的電源應用，開發者第一個要面對的，就是儀器的速度必須跟上元件的開關頻率。但開關頻率拉高，除了令既有的電源量測儀器要跟著升級之外，設計工程師還會需要使用新的儀器，例如網路分析儀、EMC測試儀等。因為頻率跟雜訊是連動的，當頻率高過一定門檻之後，電源工程師應對電磁干擾(EMI)的方法，也必須跟著轉變。此外，開關頻率提高，也會讓工程師更難用傳統量測設備取得CV特性、S曲線等電源相關的關鍵參數。因此，電源應用開發只需要示波器跟電源探棒的想法，會越來越難套用在新一代電源的開發上。
如果把電源技術應用型態的拓展也納入考量，則電源設計者面對的問題將會變得更複雜。以往在開發電源供應器時，通常只需要做靜態量測跟功能性量測，動態量測的需求不多。但如果是電動車、能源等產業，這些產業奉行多年的標準，如JEDEC、IEC等，都會要求進行靜/動態同步測試，雙脈衝測試因而成為基本需求，這會用到任意波形產生器跟對應的軟體。且不同垂直應用還會有該產業必須遵守的標準規範，產品必須通過標準合規測試，才有機會進入市場。因此，把上述種種因素加總起來，電源相關產業的產品研發人員，正面臨一個新時代，需要新的設計工具跟儀器來輔助。
是德科技行銷處資深專案經理吳哲樂(圖2)則補充，在開發新一代電源的過程中，開發軟體、模型分析工具的重要性，會比以往更加重要。因此，在是德針對電源應用所推出的PD1000A平台中，除了對應的儀器硬體外，還有大量的軟體工具。這些軟體包含建模軟體和一系列電源電路模擬工具，讓工程師能更輕鬆地建立模型。而包含曲線追蹤、S參數與雙脈衝測試儀硬體的測試套件，能夠從實際的WBG元件取得量測結果，再利用先進的建模軟體，建立是德科技獨有的尖端WBG元件模型。這些模型之後亦可用於是德提供的先進設計系統(ADS)軟體，以模擬並分析高頻元件對於設計可靠度和EMI的影響。在完成第一個原型之前，設計人員可隨時變更設計，藉由省下不必要的設計週期，節省時間與成本。
整體來說，電源設計團隊如果要開發基於GaN或SiC的新一代電源，且產品的目標應用不是傳統的電源供應器市場，開發者會面臨許多以往不曾遇到的挑戰，儀器供應商必須提供對應的Turnkey方案，才能發揮儀器供應商的價值。而測試軟體跟分析工具，則是這整套Turnkey中，不可或缺的一環。
寬能隙商機來臨 晶圓/元件測試最先有感
太克科技(Tektronics)資深技術顧問陳思豪(圖3)則指出，寬能隙材 料的革命，影響的不只是電源設備的設計開發，更上游的半導體晶圓測試，也需要有所因應。而台灣由於有很完整的晶圓代工跟封裝產業鏈，因此相關晶圓級/封裝級測試，需求已經有所反應。
針對功率元件的晶圓級/封裝級測試，最主要的測試儀器是精密電源量測單元(SMU)，而隨著功率元件從矽逐漸轉變為WBG材料，儀器要量測的基本參數其實沒有太多改變，諸如IV曲線、CV曲線、S參數，以及反向電流特性等。但因為大功率是WBG元件一個很重要的特性，因此WBG元件測試的電壓、電流需求，普遍比以往的矽元件來得高，進而促使太克發展出支援高功率、大電流測試的Keithley 2600 PCT系列儀器。
不過，在元件測試端，就跟在系統測試端的情況類似，測試軟體所扮演的角色也越來越吃重。除了基本的測試項目外，為了確保元件可靠度能滿足特定垂直產業需求，不管是晶圓測試還是封裝測試，都需要額外加測很多測試項目，有時加測項目可以達到上百項。因此，利用軟體來實現測試自動化，甚至是用客製化軟體來幫客戶滿足特定測試驗證需求，變成儀器商一個很重要的價值所在。
另一個有趣的觀察點在於，WBG元件測試設備跟軟體的需求，其實不完全來自半導體晶圓廠或封裝廠，有一部分台灣的電源OEM廠商，也開始採購原本用在半導體測試領域的解決方案，以便在採購的元件到貨時，進行進料檢驗(IQC)跟元件分級。陳思豪認為，這是台灣電源產業發展的好現象，顯示有些電源業者已經開始轉往高品質、高附加價值的產品線，而不再只是一味追求低成本。
至於在應用系統的測試方面，太克科技業務經理吳道屏(圖4)則認為，WBG元件所帶來的新技術需求，主要出現在電源探棒上，畢竟對示波器或RF測試儀器來說，量測電源應用訊號跟雜訊所需的頻寬，其實都遠低於目前最先進的高速介面跟無線通訊技術，但電源探棒的需求，是電源系統量測所特有的。
為了因應大功率發展趨勢，電源探棒的性能必須更上一層樓，否則隨著元件上的電壓越來越高，加上要做動態量測，電源設計工程師工作的危險性會隨之大增。事實上，電源量測本來就是有相當風險的工作，因為開關元件會有反向電流，當高側跟低測在切換時，萬一不慎同時導通，出現短路，不僅元件燒毀，正在量測待測物的工程師也會有人身安全的問題。
此外，由於WBG元件的切換速度很快，倘若探棒上的寄生電容沒有相對應的降低，示波器量測到的波形就會跟著失真，讓設計人員無法取得真實的波形。所以，探棒技術的革新，其實是讓WBG元件的應用研發得以開展的關鍵要素。針對WBG元件的應用測試，太克研發出IsoVu探棒系統，該探棒使用光學技術實現完全的電隔離，共模耐壓超過2000V，且寄生電容的容值遠低於傳統探棒，使其成為量測高壓、高頻切換WBG元件的理想選擇。
