碳化硅器件动态特性测试技术剖析.doc

碳化硅器件动态特性测试技术剖析 ：高远，泰科天润应用测试中心总监，第三代半导体产业技术创新战略联盟产业导师，泰克科技电源功率器件领域外部专家。 碳化硅功率器件作为新一代功率半导体器件，以其优异的特性获得了广泛的应用，同时也对其动态特性测试带来了挑战，现阶段存在的主要问题有以下三点： ?????? 第一点是，都讲碳化硅器件动态特性测试很难，但动态特性到底包含哪些，测试难点是什么？并没有被系统地梳理过，也没有形成行业共识。 ?????? 第二点是，得到的测试结果是否满足需求，或者说“测得对不对”，还没有判定标准。这主要源自大部分工程师对碳化硅器件动态特性还不够了解，不具备解读测试结果的能力。 ?????? 第三点是，芯片研发、封装设计与测试、系统应用等各个环节的人员之间掌握的知识存在鸿沟，又缺乏交流，会导致测试结果能发挥的作用非常有限，同时下游的问题不能在上游就暴露并解决，对加快产业链闭环速度造成负面影响。 Part 1：碳化硅器件动态特性 提到动态特性，大家的第一反应一定是开关特性，这确实是功率器件的传统核心动态特性。由于其是受到器件自身参数影响的，故器件研发人员可以根据开关波形评估器件的特性，并有针对性地进行优化。另外，电源工程师还可以基于测试结果对驱动电路和功率电路设计进行评估和优化。 当SiC MOSFET应用在半桥电路时就会遇到串扰问题，可能会导致桥臂短路和栅极损伤。SiC MOSFET的开关速度快、栅极负向耐压能力差，使得串扰问题是影响SiC MOSFET安全运行的棘手问题和限制充分发挥其高开关速度的主要障碍之一。所以我们认为串扰特性应该算作碳化硅器件动态特性的一部分，这既能体现开关过程的影响，又能体现现阶段碳化硅器件相对于硅器件的特殊性。 最后，在整流输出和MOS-Diode桥式电路中往往都会出现SiC Diode或SiC MOSFET体二极管的反向恢复过程，发生反向恢复也是与开关过程伴生的，也是功率二极管的传统核心动态特性。 综上所述，碳化硅器件的动态特性应该包含开关特性、串扰特性和反向恢复特性三个部分。串扰和反向恢复是与开关过程伴生的，这也就意味着，碳化硅动态特性的三个部分可以采用统一的测试方法，即双脉冲测试。 双脉冲测试采用的是电感 负载半桥电路，右边是测试波形示意图。可以看到，驱动电路向QL发送双脉冲控制信号，各个波形都呈现出两个脉冲的形态，故称之为双脉冲测试。QL在t2时刻开通，t3时刻关断，此时可以观测到QL的关断过程和QH的关断串扰。QL在t4时刻再次开通，此时可以观测到QL的开通过程和QH的开通串扰和反向恢复。 开关波形包括栅源极电压VGS、漏源极电压VDS、漏源极电流IDS。基于得到的开通和关断波形，可以获得很多开关特性的参数，包括：开关延时、开关时间、开关能量、开关速度、开通电流尖峰、关断电压尖峰。根据陪测管类型和被测器件的位置，可以得到四种测试电路，根据需求和实际应用情况选择即可。 开关特性受到多方面因素的影响，包括器件参数、外围电路和工况等。这对我们有两点启发：第一是，器件研发人员可以将开关过程测试结果和器件其他参数综合在一起进行评估，对器件参数的优化有指导意义；第二是，即使是同一型号的器件，其开关特性并不固定不变的，这也就是为什么在不同的测试平台上测得的结果差异很大，往往与规格书上的数值也存在很大偏差。 反向恢复波形包括端电压VF、端电流IF。基于得到的反向恢复波形，可以获得的反向恢复特性的参数包括：反向恢复时间、反向恢复电流、反向恢复电荷、反向恢复能量。与开关特性一样，有四种反向恢复特性测试电路，器件参数、外围电路和工况也同样会影响其反向恢复特性的测试结果。 串扰波形包括栅源极电压VGS，而漏源极电压VDS、漏源极电流IDS能够辅助串扰过程的分析。基于得到的串扰波形，可以获得的串扰特性的参数是串扰正向和负向尖峰。由于串扰只发生在MOS-MOS半桥电路中，故只有两种测试电路，与开关和反向恢复测试电路不同。而串扰特性也同样受到了器件参数、外围电路和工况的影响。 Part 2：测试需求及对测试结果的要求 现阶段遇到的一个难题是“如何判断测试结果是否符合要求”，而要求一定来自具体的测试场景和测试需求。需要进行碳化硅器件动态特性测试的场景非常多：在器件厂商，在进行产品调研分析、工程样品验证、规格书制作时需要测试；在封装厂商，在进行封装设计、出厂测试、裸片筛选时需要测试；在系统应用厂商，在进行来料检测、器件认证、器件选型、损耗计算、驱动设计、功能调试时需要测试；在科研机构，无论是做器件研究还是应用研究，也都需要进行测试。可以说，碳化硅器件的动态特性测试横跨产业和学术领域、涵盖器件产业链的各个环节、贯穿器件完整生命周期，从这一点上也能够看出其具有重要意义。 在针对每一个测试需求给出对测试结果的要求