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TH300-CV 功率器件CV特性解决方案

简要描述:测量参数:Ciss、Coss、Crss、Rg(MOSFET) Cies、Coes、Cres、Rg(IGBT)通道数:2-6VGS范围:0-±40VVDS范围:0 - ±200V/±1500V/±3000V测试频率:1kHz-2MHz

  • 产品型号:
  • 厂商性质:代理商
  • 更新时间:2023-12-08
  • 访  问  量:150

详细介绍

简介

一.前言

随着我国加快实现“碳达峰、碳中和"的目标,电气化替代已成为实现目标的关键。

电气化替代是通过功率半导体把光伏、风电、特高压、新能源汽车、高铁等织成一张可循环的高效、可靠、可控能源网络 ,实现对可再生能源的高效管理和利用降低能耗、减少碳排放。

同时功率半导体 在计算机、交通、消费电子、汽车电子 为代表的 4C 行业应用也越来越广泛。

可以预见,随着新能源爆发式增长,在新能源汽车领域,汽车的动力系统、空调压缩机、充电桩等都需要大量功率半导体器件;风电和光伏产生的电不能直接并网,需要逆变器、变流器进行电能转化,这会新增大量的功率半导体需求。

随着科技的发展,现有半导体材料已经经过了三个发展阶段:

由此可见,第三代半导体展现出了高压、高频、高速、低阻的优点,其击穿电压,在在某些应用中可高到 1200-1700V。这些特点带来如下新特性:

l 极低的内部电阻,与同类硅器件相比,效率可提高70%

l 低电阻可改善热性能(工作温度增加了)和散热,并可获得更高的功率密度

l 散热得到优化,与硅器件相比,就可采用更简单的封装、尺寸和重量也大大减少

l 极短的关断时间(GaN器件接近于零),能工作于很高的开关频率,工作温度也更低

这些特性,在功率器件尤其是MOSFET以及IGBT上面的应用广泛。

image.png

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,需先了解一下MOSFET、IGBT器件的米勒效应、CV特性等相关知识。

二.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,

image.png

在规格书常用Ciss、Coss、Crss这三个参数代替。

image.png

符号

名称

影响

Ciss

输入电容

Ciss = Cgs +Cgd,影响延迟时间;Ciss越大,延迟时间越长

Coss

输出电容

Coss = Cds +Cgd,Coss越大,漏极电流上升特性越差,这不利于MOSFET的损耗。高速驱动需要低电容。

Crss

反向传输电容

Crss = Cgd,即米勒电容,影响关断特性和轻载时的损耗。如果Coss较大,关断dv/dt减小,这有利于噪声。但轻载时的损耗增加。

Rg

栅极输入电阻

影响开关管的开关速度。栅极电阻太大,开关速度显著降低,开关损耗大。

栅极电阻太小,高开关速度带来的是很大的电流电压变化率即强烈的干扰。


这三个等效电容是构成串并联组合关系,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

image.png

由描述可见,三个电容均会随着VDS电压的增加而呈现下降的趋势。

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。


米勒平台形成的详细过程:

image.png

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:

1) 输入电容Ciss

image.png

漏源(DS)短接,用交流信号测得的栅极和源极之间的电容

Ciss = Cgs +Cgd

2) 输出电容Coss

image.png

栅源GS短接,用交流信号测得的漏极和源极之间的电容

Coss = Cds +Cgd

3) 反向传输电容Crss

image.png

源极G接地,用交流信号测得的栅漏GD极之间的电容,也称米勒电容

Crss = Cgd

4) 栅极电阻Rg

image.png

漏源DS短接,或开路,用交流信号测得栅源GS间交流电阻

三.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,但是接线负责、操作难度大,测试结果用时较长,测试效率无法保障。

2. 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。

四.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。

1. 单管或者多个MOSFET、IGBT测试解决方案

image.png

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一把测试要求。

TH510系列半导体半导体C-V特性分析仪基本情况如下:

image.png

基本参数:

型号

TH511

TH512

TH513

测试频率

1kHz-2MHz

通道

标配2通道,可扩展4/6通道

标配2通道

测试参数

CissCossCrssRgMOSFET)或CiesCoesCresRgIGBT

测试方式

点测、列表扫描、图形扫描(选件)

VGS范围

0-±40V

VDS范围

0 - ±200V

0 - ±1500V

0 - ±3000V

分选

10

接口

RS232CUSB HOSTUSB DEVICELANGPIBHANDLER

编程协议

SCPIMODBUS

特点:

体积小:

LCR+VGS电源+VDS电源+高低压切换开关+软件集成在一台仪器内部,体积仅430mm(W)x177mm(H)x405mm(D)

集成度高:

无需上位机软件,仪器本身即可测试4个参数及多种曲线

操作方便:

10.1寸触摸屏,Linux操作简单

提供标准工装,直接插入器件即可测试

精度高:

以同惠30年阻抗测试基础,全部转接开关内置,开路/短路校准技术保证了电容和电阻测试精度和单机一样

VDS高:

可达200V/1500V/3000V

通道多

标配2通道,可扩展至6通道,适合多个单管器件或模组器件测试

扩展性好:

提供RS232C、USB、LAN接口

SCPI协议

支持HANDLER接口交互

可方便集成与自动化产线或功率电子测试系统

应用场景:

a)实验室、产线工作台

对于实验室、产线工作台应用,一台单机即可完成全部测试,提供了标准化直插治具,对于直插式MOSFET或IGBT器件,直接插入治具即可进行测试;

同时可以测试最多6个单个器件。

优势如下:

l 体积小,便于集成

l 测试精度高

l 测试速度快,测试效率高

l 性价比高,比国产系统更便宜

l 操作简单方便

l 功能可定制化

b) 产线自动化测试

针对产线自动化测试,公司提供了2米延长线便于客户自己改装自动化产线工装改装,仪器出厂前已校准好2米线测试数据,保证只要按标准要求改装,不会损失测试精度。

仪器已标配了HANDLER接口,可自行编程每个信号线的输入输出电平及信号特征,便于与自动化产线进行I/O信号交互。

仪器内置了SCPI、MODBUS标准编程指令协议,用户可自行编程集成到产线自动化测试系统中,同惠也提供标准化上位机软件或定制特殊需求的上位机软件。

优势如下:

l 提供2米扩展延长线

l 测试精度高

l 测试速度快,测试效率高

l 标配HANDLER接口

l 操作简单方便

l 功能可定制化

2. 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。

image.png

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

1) 系统结构

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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2) 上位机软件

测试软件采用同惠测试系统通用框架,根据不同产品或不同需求会有相应更改

测试页面

image.png

数据编辑页面

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数据记录页面

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权限设置页面

image.png

应用
  • MOSFET单管、模组CV特性测试分析

  • IGBT单管、模组CV特性测试分析

  • 晶圆CV特性测试分析

  • 芯片分布电容CV特性测试分析

技术参数

3) 整套测试系统配置清单

清单可根据不同需求定制

序号

设备名称

单位

数量

备注

1

半导体CV特性分析仪

TH511

1

可根据DS电压选择不同型号

2

工控机

研华610

1

含无线键盘、鼠标

3

操作台

-----



4

测试治具


1

定制

5

系统机柜

TH301



6

扫码枪

基恩士SR700

1

可根据需求选择

7

系统软件


1

定制

8






9






10




















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