TH300-CV 功率器件CV特性解決方案

一．前言

隨著我國加快實現“碳達峰、碳中和"的目標，電氣化替代已成為(wei) 實現目標的關(guan) 鍵。

電氣化替代是通過功率半導體(ti) 把光伏、風電、特高壓、新能源汽車、高鐵等織成一張可循環的高效、可靠、可控能源網絡 ，實現對可再生能源的高效管理和利用降低能耗、減少碳排放。

同時功率半導體(ti) 在計算機、交通、消費電子、汽車電子 為(wei) 代表的 4C 行業(ye) 應用也越來越廣泛。

可以預見，隨著新能源爆發式增長，在新能源汽車領域，汽車的動力係統、空調壓縮機、充電樁等都需要大量功率半導體(ti) 器件；風電和光伏產(chan) 生的電不能直接並網，需要逆變器、變流器進行電能轉化，這會(hui) 新增大量的功率半導體(ti) 需求。

隨著科技的發展，現有半導體(ti) 材料已經經過了三個(ge) 發展階段：

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

l 極低的內(nei) 部電阻，與(yu) 同類矽器件相比，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，並可獲得更高的功率密度

l 散熱得到優(you) 化，與(yu) 矽器件相比，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(guan) 斷時間(GaN器件接近於(yu) 零)，能工作於(yu) 很高的開關(guan) 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上麵的應用廣泛。

其中，功率器件以MOSFET、IGBT為(wei) 代表，兩(liang) 者均為(wei) 電壓控製電流型功率開關(guan) 器件，MOSFET優(you) 點是驅動電路簡單、開關(guan) 速度快、工作頻率高，IGBT是由BJT和MOSFET組合成的複合器件，兼具兩(liang) 者的優(you) 點：速度快、能耗低、體(ti) 積小、而且大功率、大電流、高電壓。

MOSFET以柵極（G）極電壓控製MOSFET開關(guan) ，當V_GS電壓大於(yu) 閾值電壓V_GS(th) 時，MOSFET導通。

IGBT同樣以柵極（G）極電壓控製IGBT開關(guan) ，當V_GE電壓大於(yu) 閾值電壓V_GE(th) 時，IGBT導通。

因此，在第三代半導體(ti) 高速發展的同時，測量技術也麵臨(lin) 全麵升級，特別是高電壓、大電流、高頻率測試，以及電容特性（CV）特性。

本方案用於(yu) 解決(jue) MOSFET、IGBT單管器件、多個(ge) 器件、模組器件的CV特性綜合解決(jue)

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

二．功率器件的米勒效應、CV特性

1. MOS管的寄生電容

以中國台灣育碧VBZM7N60為(wei) 例，MOS管具有三個(ge) 內(nei) 在的寄生電容：Cgs、Cgd、Cds以及柵極電阻Rg，

在規格書(shu) 常用Ciss、Coss、Crss這三個(ge) 參數代替。

這三個(ge) 等效電容是構成串並聯組合關(guan) 係，它們(men) 並不是獨立的，而是相互影響，其中一個(ge) 關(guan) 鍵電容就是米勒電容Cgd。

這個(ge) 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，同時會(hui) 影響柵極和源極電容的充電。

規格書(shu) 上對上述三個(ge) 電容的CV特性描述

由描述可見，三個(ge) 電容均會(hui) 隨著V_DS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管驅動波形應是方波，當Cgs達到門檻電壓之後， MOS管就會(hui) 進入飽和導通狀態。

實際上在MOS管的柵極驅動過程中，由於(yu) 米勒效應，會(hui) 存在一個(ge) 米勒平台。米勒平台實際上就是MOS管處於(yu) “放大區"的典型標誌，所以導致開通損耗很大。

米勒平台形成的詳細過程：

3. 寄生電容、CV特性、柵極電阻Rg測試技術

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：

1) 由於(yu) 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，用於(yu) 測試的LCR或者阻抗分析儀(yi) 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，第三代半導體(ti) 功率器件甚至需要幾千V。

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

具體(ti) 幾個(ge) 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(chuan) 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．半導體(ti) 功率器件CV特性測試痛點

現今，市場上功率器件CV特性測試儀(yi) 器，普遍存在下列痛點：

1. 進口設備

進口設備功能全、一體(ti) 化集成度高、測試準確，但是有如下缺點：

a) 價(jia) 格昂貴，動則幾十萬(wan) 甚至上百萬(wan) 的價(jia) 格，一般企業(ye) 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麵，對於(yu) 用戶操作並不友好。

c) 測試效率低，一台設備可能完成動態特性、靜態特性的全部測試，但是接線負責、操作難度大，測試結果用時較長，測試效率無法保障。

2. 國產(chan) 設備

在進口設備無法滿足用戶測試需求的情況下，國產(chan) 設備應運而生，以相對功能單一、操作方便、價(jia) 格低廉快速占領了一部分市場，

但是，這些設備同樣也有如下缺點：

a） 體(ti) 積龐大，大多數國產(chan) 設備，由於(yu) 沒有專(zhuan) 業(ye) 的電容測試經驗，通常是用幾台電源、一台LCR、工控機或者PLC、機箱、測試工裝等組合而成，因此體(ti) 積過大，無法適用於(yu) 自動化產(chan) 線快速生產(chan) 。

b） 漏源電壓V_DS過低，大多隻能達到1200V左右，已無法滿足第三代半導體(ti) 功率器件測試需求。

c） 測量精度低，由於(yu) 缺乏專(zhuan) 業(ye) 電容測量經驗，加上過多的轉接，導致電容特別是pF級別的小電容無法達到合適的測量精度。

d） 測試效率低，同樣由於(yu) 組合儀(yi) 器過多，加上需用工控機或PLC控製過多儀(yi) 器，導致測試單個(ge) 器件時間過長。

e） 擴展性差，由於(yu) 設備過多，各種儀(yi) 器不同的編程協議，很難開放第三方接入以集成至客戶產(chan) 線自動化測試整體(ti) 方案中。

四．同惠半導體(ti) 功率器件CV特性解決(jue) 方案

針對當前測試痛點，同惠電子作為(wei) 國產(chan) 器件測量儀(yi) 器頭部企業(ye) ，責無旁貸的擔負起進口儀(yi) 器國產(chan) 化替代的責任，本著為(wei) 客戶所想、為(wei) 客戶分憂的精神，契合市場熱點及需求，及時推出了針對半導體(ti) 功率器件CV特性的一體(ti) 化、係列化解決(jue) 方案。

1. 單管或者多個(ge) MOSFET、IGBT測試解決(jue) 方案

單管器件或者多個(ge) 單管器件測試相對簡單，同惠提供了TH510係列半導體(ti) C-V特性分析儀(yi) 即可滿足一把測試要求。

TH510係列半導體(ti) 半導體(ti) C-V特性分析儀(yi) 基本情況如下：

基本參數：

特點：

應用場景：

a）實驗室、產(chan) 線工作台

對於(yu) 實驗室、產(chan) 線工作台應用，一台單機即可完成全部測試，提供了標準化直插治具，對於(yu) 直插式MOSFET或IGBT器件，直接插入治具即可進行測試；

同時可以測試最多6個(ge) 單個(ge) 器件。

優(you) 勢如下：

l 體(ti) 積小，便於(yu) 集成

l 測試精度高

l 測試速度快，測試效率高

l 性價(jia) 比高，比國產(chan) 係統更便宜

l 操作簡單方便

l 功能可定製化

b） 產(chan) 線自動化測試

針對產(chan) 線自動化測試，公司提供了2米延長線便於(yu) 客戶自己改裝自動化產(chan) 線工裝改裝，儀(yi) 器出廠前已校準好2米線測試數據，保證隻要按標準要求改裝，不會(hui) 損失測試精度。

儀(yi) 器已標配了HANDLER接口，可自行編程每個(ge) 信號線的輸入輸出電平及信號特征，便於(yu) 與(yu) 自動化產(chan) 線進行I/O信號交互。

儀(yi) 器內(nei) 置了SCPI、MODBUS標準編程指令協議，用戶可自行編程集成到產(chan) 線自動化測試係統中，同惠也提供標準化上位機軟件或定製特殊需求的上位機軟件。

優(you) 勢如下：

l 提供2米擴展延長線

l 測試精度高

l 測試速度快，測試效率高

l 標配HANDLER接口

l 操作簡單方便

l 功能可定製化

2. 多芯器件或模組MOSFET、IGBT測試方案

多芯器件、模組器件由於(yu) 內(nei) 部集成多個(ge) MOSFET、IGBT芯片，而且內(nei) 部電路比較複雜，因此，測試相對複雜。

由上圖可見，部分多芯器件、模組器件由於(yu) 腳位眾(zhong) 多、核心多、有貼片封裝、異形封裝等，如果用單機去測試，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(wei) 此開發了針對模組式器件的測試係統

1） 係統結構

整套係統基於(yu) TH510係列半導體(ti) CV特性分析儀(yi) ，加上定製工裝、上位機軟件等組成了一套完整的測試、數據分析係統。

2） 上位機軟件

測試軟件采用同惠測試係統通用框架，根據不同產(chan) 品或不同需求會(hui) 有相應更改

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