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，電氣化替代已成為實現目標的關鍵。

電氣化替代是通過功率半導體把光伏、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 在計算機、交通、消費電子、汽車電子 為代表的 4C 行業應用也越來越廣泛。

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

隨著科技的發展，現有半導體材料已經經過了三個發展階段：

由此可見，第三代半導體展現出了高壓、高頻、高速、低阻的優點，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 極短的關斷時間(GaN器件接近于零)，能工作于很高的開關頻率，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器件，MOSFET優點是驅動電路簡單、開關速度快、工作頻率高，IGBT是由BJT和MOSFET組合成的復合器件，兼具兩者的優點：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，當V_GS電壓大于閾值電壓V_GS(th) 時，MOSFET導通。

IGBT同樣以柵極（G）極電壓控制IGBT開關，當V_GE電壓大于閾值電壓V_GE(th) 時，IGBT導通。

因此，在第三代半導體高速發展的同時，測量技術也面臨全面升級，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、CV特性等相關知識。

二．功率器件的米勒效應、CV特性

1. MOS管的寄生電容

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

在規格書常用Ciss、Coss、Crss這三個參數代替。

這三個等效電容是構成串并聯組合關系，它們并不是獨立的，而是相互影響，其中一個關鍵電容就是米勒電容Cgd。

這個電容不是恒定的，它隨著柵極和漏極間電壓變化而迅速變化，同時會影響柵極和源極電容的充電。

規格書上對上述三個電容的CV特性描述

由描述可見，三個電容均會隨著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達到門檻電壓之后， MOS管就會進入飽和導通狀態。

實際上在MOS管的柵極驅動過程中，由于米勒效應，會存在一個米勒平臺。米勒平臺實際上就是MOS管處于“放大區"的典型標志，所以導致開通損耗很大。

米勒平臺形成的詳細過程：

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，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，第三代半導體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。

具體幾個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．半導體功率器件CV特性測試痛點

現今，市場上功率器件CV特性測試儀器，普遍存在下列痛點：

1. 進口設備

進口設備功能全、一體化集成度高、測試準確，但是有如下缺點：

a) 價格昂貴，動則幾十萬甚至上百萬的價格，一般企業很難承受。

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. 國產設備

在進口設備無法滿足用戶測試需求的情況下，國產設備應運而生，以相對功能單一、操作方便、價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） 體積龐大，大多數國產設備，由于沒有專業的電容測試經驗，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，因此體積過大，無法適用于自動化產線快速生產。

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

c） 測量精度低，由于缺乏專業電容測量經驗，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，同樣由于組合儀器過多，加上需用工控機或PLC控制過多儀器，導致測試單個器件時間過長。

e） 擴展性差，由于設備過多，各種儀器不同的編程協議，很難開放第三方接入以集成至客戶產線自動化測試整體方案中。

四．同惠半導體功率器件CV特性解決方案

針對當前測試痛點，同惠電子作為國產器件測量儀器頭部企業，責無旁貸的擔負起進口儀器國產化替代的責任，本著為客戶所想、為客戶分憂的精神，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MOSFET、IGBT測試解決方案

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

TH510系列半導體半導體C-V特性分析儀基本情況如下：

基本參數：

特點：

應用場景：

a）實驗室、產線工作臺

對于實驗室、產線工作臺應用，一臺單機即可完成全部測試，提供了標準化直插治具，對于直插式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個單個器件。

優勢如下：

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 性價比高，比國產系統更便宜

l 操作簡單方便

l 功能可定制化

b） 產線自動化測試

針對產線自動化測試，公司提供了2米延長線便于客戶自己改裝自動化產線工裝改裝，儀器出廠前已校準好2米線測試數據，保證只要按標準要求改裝，不會損失測試精度。

儀器已標配了HANDLER接口，可自行編程每個信號線的輸入輸出電平及信號特征，便于與自動化產線進行I/O信號交互。

儀器內置了SCPI、MODBUS標準編程指令協議，用戶可自行編程集成到產線自動化測試系統中，同惠也提供標準化上位機軟件或定制特殊需求的上位機軟件。

優勢如下：

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、模組器件由于內部集成多個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，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，同惠為此開發了針對模組式器件的測試系統

1） 系統結構

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。

2） 上位機軟件

測試軟件采用同惠測試系統通用框架，根據不同產品或不同需求會有相應更改

測試頁面

數據編輯頁面

數據記錄頁面

權限設置頁面