同惠功率器件CV特性測試解決方案助力品質(zhì)升級！

為實(shí)現我國的‘碳達峰、碳中和’目標，電氣化替代成為關(guān)鍵策略。

通過(guò)功率半導體，我們構建了高效、可控的能源網(wǎng)絡(luò )，降低能耗和碳排放。功率半導體在計算機、交通、消費電子和汽車(chē)電子等行業(yè)的應用也逐漸廣泛。

隨著(zhù)新能源的快速增長(cháng)，新能源汽車(chē)、風(fēng)電和光伏等領(lǐng)域對功率半導體的需求將大幅增加。

半導體材料已經(jīng)歷經(jīng)三個(gè)發(fā)展階段：

由此可見(jiàn)，第三代半導體在高壓、高頻、高速和低阻方面展現出了顯著(zhù)優(yōu)勢，其擊穿電壓在某些應用中甚至能夠達到1200-1700V。這些特點(diǎn)為其帶來(lái)了一系列新的特性：

A：極低的內部電阻，與同類(lèi)型硅器件相比，效率提高了70%；

B：低電阻有助于改善熱性能，提高最高工作溫度，優(yōu)化散熱，從而實(shí)現更高的功率密度；

C：散熱的優(yōu)化還使得封裝更簡(jiǎn)潔，尺寸和重量大大減少；

D：其極短的關(guān)斷時(shí)間使得器件能在高開(kāi)關(guān)頻率下工作，且工作溫度更低。

這些特性在功率器件，尤其是MOSFET和IGBT上的應用最為廣泛。

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(kāi)關(guān)器件，MOSFET優(yōu)點(diǎn)是驅動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高，IGBT是由BJT和MOSFET組合成的復合器件，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(kāi)關(guān)，當VGS電壓大于閾值電壓VGS(th) 時(shí)，MOSFET導通。

 IGBT同樣以柵極（G）極電壓控制IGBT開(kāi)關(guān)，當VGE電壓大于閾值電壓VGE(th) 時(shí)，IGBT導通。

 因此，在第三代半導體高速發(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，需先了解寄生電容、CV特性、柵極電阻Rg測試技術(shù)。

一、功率器件的米勒效應、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)內在的寄生電容：Cgs、Cgd、Cds以及柵極電阻Rg。

三個(gè)等效電容是構成串并聯(lián)組合的關(guān)系，它們并不是獨立的，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(zhù)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。

規格書(shū)上對上述三個(gè)電容的CV特性描述為：在給定的工作條件下，這三個(gè)電容的電容值會(huì )隨著(zhù)VDS電壓的增加而呈現下降的趨勢。

2、MOS管的米勒效應

理想的MOS管驅動(dòng)波形應是方波，當Cgs達到門(mén)檻電壓之后， MOS管就會(huì )進(jìn)入飽和導通狀態(tài)。實(shí)際上在MOS管的柵極驅動(dòng)過(guò)程中，由于米勒效應，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"的典型標志，所以導致開(kāi)通損耗很大。

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(jiàn)，功率器件的寄生電容的測試，需要滿(mǎn)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VDS需要電壓很高，由幾十V至幾百V，第三代半導體功率器件甚至需要幾千V；

 ③參數表中CV特性曲線(xiàn)，需要可變的VDS，因此DS電壓源需要可調電源。

 具體幾個(gè)寄生電容極柵極電阻測試原理如下：

二、半導體功率器件CV特性測試痛點(diǎn)

現今，市場(chǎng)上功率器件CV特性測試儀器，普遍存在下列痛點(diǎn)：

1. 進(jìn)口設備

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

a) 價(jià)格昂貴，動(dòng)則幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)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(hù)操作并不友好。

c) 測試效率低，一臺設備可能完成動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性的全部測試，但是接線(xiàn)復雜、操作難度大，測試結果用時(shí)較長(cháng)， 測試效率無(wú)法保障。

1. 國產(chǎn)設備

在進(jìn)口設備無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)測試需求的情況下，國產(chǎn)設備應運而生，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(chǎng)，但是，這些設備同樣也有如下缺點(diǎn)：

a） 體積龐大，大多數國產(chǎn)設備，由于沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的電容測試經(jīng)驗，通常是用幾臺電源、一臺LCR、工控機或者PLC、機箱、 測試工裝等組合而成，因此體積過(guò)大，無(wú)法適用于自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)快速生產(chǎn)。

b） 漏源電壓VDS過(guò)低，大多最高只能達到1200V左右，已無(wú)法滿(mǎn)足第三代半導體功率器件測試需求。

c） 測量精度低，由于缺乏專(zhuān)業(yè)電容測量經(jīng)驗，加上過(guò)多的轉接，導致電容特別是pF級別的小電容無(wú)法達到合適的測量精度。

d） 測試效率低，同樣由于組合儀器過(guò)多，加上需用工控機或PLC控制過(guò)多儀器，導致測試單個(gè)器件時(shí)間過(guò)長(cháng)。

e） 擴展性差，由于設備過(guò)多，各種儀器不同的編程協(xié)議，很難開(kāi)放第三方接入以集成至客戶(hù)產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化測試整體方案中。

三、同惠半導體功率器件CV特性解決方案

針對當前測試痛點(diǎn)，同惠電子作為國產(chǎn)器件測量?jì)x器頭部企業(yè)，責無(wú)旁貸的擔負起進(jìn)口儀器國產(chǎn)化替代的責任，本著(zhù)為客戶(hù)所想、為客戶(hù)分憂(yōu)的精神，契合市場(chǎng)熱點(diǎn)及需求，及時(shí)推出了針對半導體功率器件CV特性的一體化、系列化解決方案。 

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(jiǎn)單，同惠提供了TH510系列半導體C-V特性分析儀即可滿(mǎn)足基本測試要求。TH510系列半導體半導體C-V特性分析儀基本情況如下：

四、多芯器件或模組MOSFET、IGBT測試方案

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

由上圖可見(jiàn)，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，如果用單機去測試，接線(xiàn)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(kāi)發(fā)了針對模組式器件的測試系統：

整套系統基于TH510系列半導體CV特性分析儀，加上定制工裝、上位機軟件等組成了一套完整的測試、數據分析系統。