TH300-CV 功率器件CV特性解决方案

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。

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V_GS电压大于阈值电压V_GS(th) 时，MOSFET导通。

IGBT同样以栅极（G）极电压控制IGBT开关，当V_GE电压大于阈值电压V_GE(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，

在规格书常用Ciss、Coss、Crss这三个参数代替。

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

由描述可见，三个电容均会随着V_DS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：

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V_DS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V_DS，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

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

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

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

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V_DS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

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：

基本参数：

特点：

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。

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。

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

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