同惠功率器件CV特性测试解决方案助力品质升级!

更新时间:2024-02-22      点击次数:423

为实现我国的‘碳达峰、碳中和’目标,电气化替代成为关键策略。

通过功率半导体,我们构建了高效、可控的能源网络,降低能耗和碳排放。功率半导体在计算机、交通、消费电子和汽车电子等行业的应用也逐渐广泛。

随着新能源的快速增长,新能源汽车、风电和光伏等领域对功率半导体的需求将大幅增加。

半导体材料已经历经三个发展阶段:

由此可见,第三代半导体在高压、高频、高速和低阻方面展现出了显著优势,其击穿电压在某些应用中甚至能够达到1200-1700V。这些特点为其带来了一系列新的特性:

A极低的内部电阻,与同类型硅器件相比,效率提高了70%;

B低电阻有助于改善热性能,提高最高工作温度,优化散热,从而实现更高的功率密度;

C散热的优化还使得封装更简洁,尺寸和重量大大减少;

D其极短的关断时间使得器件能在高开关频率下工作,且工作温度更低。

这些特性在功率器件,尤其是MOSFET和IGBT上的应用最为广泛。

其中,功率器件以MOSFET、IGBT为代表,两者均为电压控制电流型功率开关器件,MOSFET优点是驱动电路简单、开关速度快、工作频率高,IGBT是由BJT和MOSFET组合成的复合器件,兼具两者的优点:速度快、能耗低、体积小、而且大功率、大电流、高电压。

 MOSFET以栅极(G)极电压控制MOSFET开关,当VGS电压大于阈值电压VGS(th) 时,MOSFET导通。

 IGBT同样以栅极(G)极电压控制IGBT开关,当VGE电压大于阈值电压VGE(th) 时,IGBT导通。

 因此,在第三代半导体高速发展的同时,测量技术也面临全面升级,特别是高电压、大电流、高频率测试,以及电容特性(CV)特性。

 本方案用于解决MOSFET、IGBT单管器件、多个器件、模组器件的CV特性综合解决。

在了解本方案之前,需先了解寄生电容、CV特性、栅极电阻Rg测试技术

一、功率器件的米勒效应、CV特性

1、MOS管的寄生电容

以中国台湾育碧VBZM7N60为例MOS管具有三个内在的寄生电容:Cgs、Cgd、Cds以及栅极电阻Rg。

三个等效电容是构成串并联组合的关系,它们并不是独立的,而是相互影响,其中一个关键电容就是米勒电容Cgd。这个电容不是恒定的,它随着栅极和漏极间电压变化而迅速变化,同时会影响栅极和源极电容的充电。

规格书上对上述三个电容的CV特性描述为:在给定的工作条件下,这三个电容的电容值会随着VDS电压的增加而呈现下降的趋势。

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2、MOS管的米勒效应

理想的MOS管驱动波形应是方波,当Cgs达到门槛电压之后, MOS管就会进入饱和导通状态。实际上在MOS管的栅极驱动过程中,由于米勒效应,会存在一个米勒平台。米勒平台实际上就是MOS管处于“放大区"的典型标志,所以导致开通损耗很大。

3、寄生电容、CV特性、栅极电阻Rg测试技术

由前述知识可见,功率器件的寄生电容的测试,需要满足下列几点:

 ①由于寄生电容基本在pF级别至nF级别,测试频率至少需要100kHz-1MHz,这些可由参数表找到;

 ②测试寄生电容时,用于测试的LCR或者阻抗分析仪至少需要2路直流电源,其中VDS需要电压很高,由几十V至几百V,第三代半导体功率器件甚至需要几千V;

 ③参数表中CV特性曲线,需要可变的VDS,因此DS电压源需要可调电源。

 具体几个寄生电容极栅极电阻测试原理如下:

二、半导体功率器件CV特性测试痛点

现今,市场上功率器件CV特性测试仪器,普遍存在下列痛点:

  1. 进口设备

进口设备功能全、一体化集成度高、测试准确,但是有如下缺点:

a) 价格昂贵,动则几十万甚至上百万的价格,一般企业很难承受。

b) 操作繁琐,集成了太多功能加上大多英文化的操作界面,对于用户操作并不友好。

c) 测试效率低,一台设备可能完成动态特性、静态特性的全部测试,但是接线复杂、操作难度大,测试结果用时较长, 测试效率无法保障。

  1. 国产设备

在进口设备无法满足用户测试需求的情况下,国产设备应运而生,以相对功能单一、操作方便、价格低廉快速占领了一部分市场,但是,这些设备同样也有如下缺点:

a) 体积庞大,大多数国产设备,由于没有专业的电容测试经验,通常是用几台电源、一台LCR、工控机或者PLC、机箱、 测试工装等组合而成,因此体积过大,无法适用于自动化产线快速生产。

b) 漏源电压VDS过低,大多最高只能达到1200V左右,已无法满足第三代半导体功率器件测试需求。

c) 测量精度低,由于缺乏专业电容测量经验,加上过多的转接,导致电容特别是pF级别的小电容无法达到合适的测量精度。

d) 测试效率低,同样由于组合仪器过多,加上需用工控机或PLC控制过多仪器,导致测试单个器件时间过长。

e) 扩展性差,由于设备过多,各种仪器不同的编程协议,很难开放第三方接入以集成至客户产线自动化测试整体方案中。

三、同惠半导体功率器件CV特性解决方案

针对当前测试痛点,同惠电子作为国产器件测量仪器头部企业,责无旁贷的担负起进口仪器国产化替代的责任,本着为客户所想、为客户分忧的精神,契合市场热点及需求,及时推出了针对半导体功率器件CV特性的一体化、系列化解决方案。 

单管或者多个MOSFET、IGBT测试解决方案 

单管器件或者多个单管器件测试相对简单,同惠提供了TH510系列半导体C-V特性分析仪即可满足基本测试要求。TH510系列半导体半导体C-V特性分析仪基本情况如下:

四、多芯器件或模组MOSFET、IGBT测试方案

多芯器件、模组器件由于内部集成多个MOSFET、IGBT芯片,而且内部电路比较复杂,因此,测试相对复杂。

由上图可见,部分多芯器件、模组器件由于脚位众多、核心多、有贴片封装、异形封装等,如果用单机去测试,接线都很困难,而要完成整颗器件测试更是难上加难。因此,同惠为此开发了针对模组式器件的测试系统:

整套系统基于TH510系列半导体CV特性分析仪,加上定制工装、上位机软件等组成了一套完整的测试、数据分析系统。  


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