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簡(jiǎn)要描述:測量參數:Ciss、Coss、Crss、Rg(MOSFET) Cies、Coes、Cres、Rg(IGBT)通道數:2-6VGS范圍:0-±40VVDS范圍:0 - ±200V/±1500V/±3000V測試頻率:1kHz-2MHz
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詳細介紹
一.前言
隨著(zhù)我國加快實(shí)現“碳達峰、碳中和"的目標,電氣化替代已成為實(shí)現目標的關(guān)鍵。
電氣化替代是通過(guò)功率半導體把光伏、風(fēng)電、特高壓、新能源汽車(chē)、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)功率半導體 在計算機、交通、消費電子、汽車(chē)電子 為代表的 4C 行業(yè)應用也越來(lái)越廣泛。
可以預見(jiàn),隨著(zhù)新能源爆發(fā)式增長(cháng),在新能源汽車(chē)領(lǐng)域,汽車(chē)的動(dòng)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(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)行電能轉化,這會(huì )新增大量的功率半導體需求。
隨著(zhù)科技的發(fā)展,現有半導體材料已經(jīng)經(jīng)過(guò)了三個(gè)發(fā)展階段:
由此可見(jiàn),第三代半導體展現出了高壓、高頻、高速、低阻的優(yōu)點(diǎn),其擊穿電壓,在在某些應用中可高到 1200-1700V。這些特點(diǎn)帶來(lái)如下新特性:
l 極低的內部電阻,與同類(lèi)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(jiǎn)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(kāi)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(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,需先了解一下MOSFET、IGBT器件的米勒效應、CV特性等相關(guān)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(gè)內在的寄生電容:Cgs、Cgd、Cds以及柵極電阻Rg,
在規格書(shū)常用Ciss、Coss、Crss這三個(gè)參數代替。
符號 | 名稱(chēng) | 影響 |
Ciss | 輸入電容 | Ciss = Cgs +Cgd,影響延遲時(shí)間;Ciss越大,延遲時(shí)間越長(cháng) |
Coss | 輸出電容 | Coss = Cds +Cgd,Coss越大,漏極電流上升特性越差,這不利于MOSFET的損耗。高速驅動(dòng)需要低電容。 |
Crss | 反向傳輸電容 | Crss = Cgd,即米勒電容,影響關(guān)斷特性和輕載時(shí)的損耗。如果Coss較大,關(guān)斷dv/dt減小,這有利于噪聲。但輕載時(shí)的損耗增加。 |
Rg | 柵極輸入電阻 | 影響開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)速度。柵極電阻太大,開(kāi)關(guān)速度顯著(zhù)降低,開(kāi)關(guān)損耗大。 柵極電阻太小,高開(kāi)關(guān)速度帶來(lái)的是很大的電流電壓變化率即強烈的干擾。 |
這三個(gè)等效電容是構成串并聯(lián)組合關(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
由描述可見(jiàn),三個(gè)電容均會(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。
米勒平臺形成的詳細過(guò)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(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:
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(chēng)米勒電容
Crss = Cgd
4) 柵極電阻Rg
漏源DS短接,或開(kāi)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(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)負責、操作難度大,測試結果用時(shí)較長(cháng),測試效率無(wú)法保障。
2. 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。
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(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。
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(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:
型號 | TH511 | TH512 | TH513 |
測試頻率 | 1kHz-2MHz | ||
通道 | 標配2通道,可擴展4/6通道 | 標配2通道 | |
測試參數 | Ciss、Coss、Crss、Rg(MOSFET)或Cies、Coes、Cres、Rg(IGBT) | ||
測試方式 | 點(diǎn)測、列表掃描、圖形掃描(選件) | ||
VGS范圍 | 0-±40V | ||
VDS范圍 | 0 - ±200V | 0 - ±1500V | 0 - ±3000V |
分選 | 10檔 | ||
接口 | RS232C、USB HOST、USB DEVICE、LAN、GPIB、HANDLER | ||
編程協(xié)議 | SCPI、MODBUS |
特點(diǎn):
體積?。?/span> | LCR+VGS電源+VDS電源+高低壓切換開(kāi)關(guān)+軟件集成在一臺儀器內部,體積僅430mm(W)x177mm(H)x405mm(D) |
集成度高: | 無(wú)需上位機軟件,儀器本身即可測試4個(gè)參數及多種曲線(xiàn) |
操作方便: | 10.1寸觸摸屏,Linux操作簡(jiǎn)單 提供標準工裝,直接插入器件即可測試 |
精度高: | 以同惠30年阻抗測試基礎,全部轉接開(kāi)關(guān)內置,開(kāi)路/短路校準技術(shù)保證了電容和電阻測試精度和單機一樣 |
VDS高: | 可達200V/1500V/3000V |
通道多 | 標配2通道,可擴展至6通道,適合多個(gè)單管器件或模組器件測試 |
擴展性好: | 提供RS232C、USB、LAN接口 SCPI協(xié)議 支持HANDLER接口交互 可方便集成與自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)或功率電子測試系統 |
應用場(chǎng)景:
a)實(shí)驗室、產(chǎn)線(xiàn)工作臺
對于實(shí)驗室、產(chǎn)線(xiàn)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(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?xún)r(jià)比高,比國產(chǎn)系統更便宜
l 操作簡(jiǎn)單方便
l 功能可定制化
b) 產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化測試
針對產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化測試,公司提供了2米延長(cháng)線(xiàn)便于客戶(hù)自己改裝自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)工裝改裝,儀器出廠(chǎng)前已校準好2米線(xiàn)測試數據,保證只要按標準要求改裝,不會(huì )損失測試精度。
儀器已標配了HANDLER接口,可自行編程每個(gè)信號線(xiàn)的輸入輸出電平及信號特征,便于與自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)進(jìn)行I/O信號交互。
儀器內置了SCPI、MODBUS標準編程指令協(xié)議,用戶(hù)可自行編程集成到產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)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(yōu)勢如下:
l 提供2米擴展延長(cháng)線(xiàn)
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(jiǎn)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(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
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(chǎn)品或不同需求會(huì )有相應更改
測試頁(yè)面
數據編輯頁(yè)面
數據記錄頁(yè)面
權限設置頁(yè)面
MOSFET單管、模組CV特性測試分析
IGBT單管、模組CV特性測試分析
晶圓CV特性測試分析
芯片分布電容CV特性測試分析
3) 整套測試系統配置清單
清單可根據不同需求定制
序號 | 設備名稱(chēng) | 型 號 | 單位 | 數量 | 備注 |
1 | 半導體CV特性分析儀 | TH511 | 臺 | 1 | 可根據DS電壓選擇不同型號 |
2 | 工控機 | 研華610 | 套 | 1 | 含無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、鼠標 |
3 | 操作臺 | ----- | 臺 | ||
4 | 測試治具 | 套 | 1 | 定制 | |
5 | 系統機柜 | TH301 | 套 | ||
6 | 掃碼槍 | 基恩士SR700 | 臺 | 1 | 可根據需求選擇 |
7 | 系統軟件 | 套 | 1 | 定制 | |
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