TH300-CV 功率器件CV特性解決方案

一．前言

隨著我國加快實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和"的目標(biāo)，電氣化替代已成為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵。

電氣化替代是通過功率半導(dǎo)體把光伏、風(fēng)電、特高壓、新能源汽車、高鐵等織成一張可循環(huán)的高效、可靠、可控能源網(wǎng)絡(luò) ，實(shí)現(xiàn)對可再生能源的高效管理和利用降低能耗、減少碳排放。

同時(shí)功率半導(dǎo)體 在計(jì)算機(jī)、交通、消費(fèi)電子、汽車電子 為代表的 4C 行業(yè)應(yīng)用也越來越廣泛。

可以預(yù)見，隨著新能源爆發(fā)式增長，在新能源汽車領(lǐng)域，汽車的動(dòng)力系統(tǒng)、空調(diào)壓縮機(jī)、充電樁等都需要大量功率半導(dǎo)體器件；風(fēng)電和光伏產(chǎn)生的電不能直接并網(wǎng)，需要逆變器、變流器進(jìn)行電能轉(zhuǎn)化，這會(huì)新增大量的功率半導(dǎo)體需求。

隨著科技的發(fā)展，現(xiàn)有半導(dǎo)體材料已經(jīng)經(jīng)過了三個(gè)發(fā)展階段：

由此可見，第三代半導(dǎo)體展現(xiàn)出了高壓、高頻、高速、低阻的優(yōu)點(diǎn)，其擊穿電壓，在在某些應(yīng)用中可高到 1200-1700V。這些特點(diǎn)帶來如下新特性：

l 極低的內(nèi)部電阻，與同類硅器件相比，效率可提高70%

l 低電阻可改善熱性能(工作溫度增加了)和散熱，并可獲得更高的功率密度

l 散熱得到優(yōu)化，與硅器件相比，就可采用更簡單的封裝、尺寸和重量也大大減少

l 極短的關(guān)斷時(shí)間(GaN器件接近于零)，能工作于很高的開關(guān)頻率，工作溫度也更低

這些特性，在功率器件尤其是MOSFET以及IGBT上面的應(yīng)用廣泛。

其中，功率器件以MOSFET、IGBT為代表，兩者均為電壓控制電流型功率開關(guān)器件，MOSFET優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡單、開關(guān)速度快、工作頻率高，IGBT是由BJT和MOSFET組合成的復(fù)合器件，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)：速度快、能耗低、體積小、而且大功率、大電流、高電壓。

MOSFET以柵極（G）極電壓控制MOSFET開關(guān)，當(dāng)V_GS電壓大于閾值電壓V_GS(th) 時(shí)，MOSFET導(dǎo)通。

IGBT同樣以柵極（G）極電壓控制IGBT開關(guān)，當(dāng)V_GE電壓大于閾值電壓V_GE(th) 時(shí)，IGBT導(dǎo)通。

因此，在第三代半導(dǎo)體高速發(fā)展的同時(shí)，測量技術(shù)也面臨全面升級，特別是高電壓、大電流、高頻率測試，以及電容特性（CV）特性。

本方案用于解決MOSFET、IGBT單管器件、多個(gè)器件、模組器件的CV特性綜合解決

在了解本方案之前，需先了解一下MOSFET、IGBT器件的米勒效應(yīng)、CV特性等相關(guān)知識。

二．功率器件的米勒效應(yīng)、CV特性

1. MOS管的寄生電容

以中國臺灣育碧VBZM7N60為例，MOS管具有三個(gè)內(nèi)在的寄生電容：Cgs、Cgd、Cds以及柵極電阻Rg，

在規(guī)格書常用Ciss、Coss、Crss這三個(gè)參數(shù)代替。

這三個(gè)等效電容是構(gòu)成串并聯(lián)組合關(guān)系，它們并不是獨(dú)立的，而是相互影響，其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是米勒電容Cgd。

這個(gè)電容不是恒定的，它隨著柵極和漏極間電壓變化而迅速變化，同時(shí)會(huì)影響柵極和源極電容的充電。

規(guī)格書上對上述三個(gè)電容的CV特性描述

由描述可見，三個(gè)電容均會(huì)隨著V_DS電壓的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢。

2. MOS管的米勒效應(yīng)

理想的MOS管驅(qū)動(dòng)波形應(yīng)是方波，當(dāng)Cgs達(dá)到門檻電壓之后， MOS管就會(huì)進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。

實(shí)際上在MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)過程中，由于米勒效應(yīng)，會(huì)存在一個(gè)米勒平臺。米勒平臺實(shí)際上就是MOS管處于“放大區(qū)"的典型標(biāo)志，所以導(dǎo)致開通損耗很大。

米勒平臺形成的詳細(xì)過程：

3. 寄生電容、CV特性、柵極電阻Rg測試技術(shù)

由前述知識可見，功率器件的寄生電容的測試，需要滿足下列幾點(diǎn)：

1) 由于寄生電容基本在pF級別至nF級別，測試頻率至少需要100kHz-1MHz，這些可由參數(shù)表找到

2) 測試寄生電容時(shí)，用于測試的LCR或者阻抗分析儀至少需要2路直流電源，其中V_DS需要電壓很高，由幾十V至幾百V，第三代半導(dǎo)體功率器件甚至需要幾千V。

3) 參數(shù)表中CV特性曲線，需要可變的V_DS，因此DS電壓源需要可調(diào)電源。

具體幾個(gè)寄生電容極柵極電阻測試原理如下：

1） 輸入電容Ciss

漏源（DS）短接，用交流信號測得的柵極和源極之間的電容

Ciss = Cgs +Cgd

2） 輸出電容Coss

柵源GS短接，用交流信號測得的漏極和源極之間的電容

Coss = Cds +Cgd

3） 反向傳輸電容Crss

源極G接地，用交流信號測得的柵漏GD極之間的電容，也稱米勒電容

Crss = Cgd

4） 柵極電阻Rg

漏源DS短接，或開路，用交流信號測得柵源GS間交流電阻

三．半導(dǎo)體功率器件CV特性測試痛點(diǎn)

現(xiàn)今，市場上功率器件CV特性測試儀器，普遍存在下列痛點(diǎn)：

1. 進(jìn)口設(shè)備

進(jìn)口設(shè)備功能全、一體化集成度高、測試準(zhǔn)確，但是有如下缺點(diǎn)：

a) 價(jià)格昂貴，動(dòng)則幾十萬甚至上百萬的價(jià)格，一般企業(yè)很難承受。

b) 操作繁瑣，集成了太多功能加上大多英文化的操作界面，對于用戶操作并不友好。

c) 測試效率低，一臺設(shè)備可能完成動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性的全部測試，但是接線負(fù)責(zé)、操作難度大，測試結(jié)果用時(shí)較長，測試效率無法保障。

2. 國產(chǎn)設(shè)備

在進(jìn)口設(shè)備無法滿足用戶測試需求的情況下，國產(chǎn)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，以相對功能單一、操作方便、價(jià)格低廉快速占領(lǐng)了一部分市場，

但是，這些設(shè)備同樣也有如下缺點(diǎn)：

a） 體積龐大，大多數(shù)國產(chǎn)設(shè)備，由于沒有專業(yè)的電容測試經(jīng)驗(yàn)，通常是用幾臺電源、一臺LCR、工控機(jī)或者PLC、機(jī)箱、測試工裝等組合而成，因此體積過大，無法適用于自動(dòng)化產(chǎn)線快速生產(chǎn)。

b） 漏源電壓V_DS過低，大多只能達(dá)到1200V左右，已無法滿足第三代半導(dǎo)體功率器件測試需求。

c） 測量精度低，由于缺乏專業(yè)電容測量經(jīng)驗(yàn)，加上過多的轉(zhuǎn)接，導(dǎo)致電容特別是pF級別的小電容無法達(dá)到合適的測量精度。

d） 測試效率低，同樣由于組合儀器過多，加上需用工控機(jī)或PLC控制過多儀器，導(dǎo)致測試單個(gè)器件時(shí)間過長。

e） 擴(kuò)展性差，由于設(shè)備過多，各種儀器不同的編程協(xié)議，很難開放第三方接入以集成至客戶產(chǎn)線自動(dòng)化測試整體方案中。

四．同惠半導(dǎo)體功率器件CV特性解決方案

針對當(dāng)前測試痛點(diǎn)，同惠電子作為國產(chǎn)器件測量儀器頭部企業(yè)，責(zé)無旁貸的擔(dān)負(fù)起進(jìn)口儀器國產(chǎn)化替代的責(zé)任，本著為客戶所想、為客戶分憂的精神，契合市場熱點(diǎn)及需求，及時(shí)推出了針對半導(dǎo)體功率器件CV特性的一體化、系列化解決方案。

1. 單管或者多個(gè)MOSFET、IGBT測試解決方案

單管器件或者多個(gè)單管器件測試相對簡單，同惠提供了TH510系列半導(dǎo)體C-V特性分析儀即可滿足一把測試要求。

TH510系列半導(dǎo)體半導(dǎo)體C-V特性分析儀基本情況如下：

基本參數(shù)：

特點(diǎn)：

應(yīng)用場景：

a）實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)線工作臺

對于實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)線工作臺應(yīng)用，一臺單機(jī)即可完成全部測試，提供了標(biāo)準(zhǔn)化直插治具，對于直插式MOSFET或IGBT器件，直接插入治具即可進(jìn)行測試；

同時(shí)可以測試最多6個(gè)單個(gè)器件。

優(yōu)勢如下：

l 體積小，便于集成

l 測試精度高

l 測試速度快，測試效率高

l 性價(jià)比高，比國產(chǎn)系統(tǒng)更便宜

l 操作簡單方便

l 功能可定制化

b） 產(chǎn)線自動(dòng)化測試

針對產(chǎn)線自動(dòng)化測試，公司提供了2米延長線便于客戶自己改裝自動(dòng)化產(chǎn)線工裝改裝，儀器出廠前已校準(zhǔn)好2米線測試數(shù)據(jù)，保證只要按標(biāo)準(zhǔn)要求改裝，不會(huì)損失測試精度。

儀器已標(biāo)配了HANDLER接口，可自行編程每個(gè)信號線的輸入輸出電平及信號特征，便于與自動(dòng)化產(chǎn)線進(jìn)行I/O信號交互。

儀器內(nèi)置了SCPI、MODBUS標(biāo)準(zhǔn)編程指令協(xié)議，用戶可自行編程集成到產(chǎn)線自動(dòng)化測試系統(tǒng)中，同惠也提供標(biāo)準(zhǔn)化上位機(jī)軟件或定制特殊需求的上位機(jī)軟件。

優(yōu)勢如下：

l 提供2米擴(kuò)展延長線

l 測試精度高

l 測試速度快，測試效率高

l 標(biāo)配HANDLER接口

l 操作簡單方便

l 功能可定制化

2. 多芯器件或模組MOSFET、IGBT測試方案

多芯器件、模組器件由于內(nèi)部集成多個(gè)MOSFET、IGBT芯片，而且內(nèi)部電路比較復(fù)雜，因此，測試相對復(fù)雜。

由上圖可見，部分多芯器件、模組器件由于腳位眾多、核心多、有貼片封裝、異形封裝等，如果用單機(jī)去測試，接線都很困難，而要完成整顆器件測試更是難上加難。

因此，同惠為此開發(fā)了針對模組式器件的測試系統(tǒng)

1） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整套系統(tǒng)基于TH510系列半導(dǎo)體CV特性分析儀，加上定制工裝、上位機(jī)軟件等組成了一套完整的測試、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

2） 上位機(jī)軟件

測試軟件采用同惠測試系統(tǒng)通用框架，根據(jù)不同產(chǎn)品或不同需求會(huì)有相應(yīng)更改

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