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IC测试实例系列技术专题(三)-- IGBT功率器件参数测试

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是电力控制和电力转换的核心器件,是由 BJT(双极型晶体管)和 MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,具有高输入阻抗,低导通压降,高速开关特性和低导通状态损耗等特点,非常适合高电压和高电流的光伏逆变器、储能装置和新能源汽车等电力电子应用。

在新能源汽车中,最有提升空间的当属电机驱动部分,而电机驱动部分最核心的元件 IGBT。从成本来说,IGBT 占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,并且决定了整车的能源效率。为了获得更高的耐压,更大的电流和高可靠性,通常会将多个 IGBT 器件级联成模块来使用,价格也更加昂贵。


对于 IGBT 的下一代 SiC(碳化硅)宽禁带功率器件来说,具有高转换效率,高工作频率,高使用环境温度。但是目前限制 SiC 应用主要是两方面,一是价格,其价格是传统 Si 型 IGBT 的7倍;其次是电磁干扰;SiC 的开关频率远高于传统 Si 型 IGBT,电路回路寄生参数已经大到无法忽略,需要额外注意 EMI 问题。例外 SiC 的产能也非常有限,国外也是刚开始大规模进行6英寸 SiC 晶圆的投产,未来的主要应用还是 IGBT 功率器件。

不管是功率器件的研发人员,还是设计中使用功率器件的电路设计人员,那么一定知道, 全面、精确地了解功率器件在各种条件下的性能表现是多么重要。功率器件将最终决定电子电路的功率损耗,因此深入了解它们的特征对于开发可靠和节能的产品非常关键。获得完整的功率器件技术参数的方法有时非常繁琐,而且使用曲线追踪仪和其他传统设备测量器件参数的过程十分耗时和冗长。


IGBT 器件参数可以分为两大类,分别是静态参数动态参数

>>> 静态参数主要是指本身固有的,与其工作条件无关的相关参数,相关参数主要有:门极开启电压、门极击穿电压,集电极发射极间耐压、集电极发射极间漏电流,寄生电容:输入电容、转移电容、输出电容,以及以上参数的相关特性曲线的测试。

>>> 动态参数是指开关过程中的相关参数,这些参数会随着开关条件如电压,工作电流,驱动电压,驱动电阻等的改变而变化,相关参数有栅极电荷,导通延迟时间、上升时间、关断延迟时间、下降时间、开通损耗、关断损耗、反向恢复电流、反向恢复时间以及反向恢复能量等。


Keysight 现在可以提供完整 IGBT 晶圆和器件参数的测试方法,可以轻松实现静态参数 I/V,C/V 和动态参数栅极电荷 Qg 的测试。这些方法同样适用于宽禁带半导体 SiC 和 GaN 功率器件。


下表列举了 IGBT 功率器件典型 I/V,C/V 和 Qg 参数:

面对 IGBT 功率器件高压、高流的测试要求,Keysight 可以提供 B1505A 和 B1506A 两套测试方案,可以支持晶圆和封装器件全参数测试:

❶  测量所有 I/V 参数(Ron、BV、泄漏、Vth、Vsat 等);

❷  测量高电压 3kV 偏置下的输入、 输出和反向转移电容

  支持自动 C/V 测试

  测量栅极电荷(Qg)

  电流崩塌测试(针对 GaN 器件,独家)

  高低温测试功能(-50°C至+250°C)


其中 B1506A 有着宽泛的电流和电压工作范围(1500A,3kV),易于使用并且支持全自动测试,可以完成 IGBT 功率器件 I/V,C/V 和 Qg 全参数测试,最终输出产品Datasheet报告。


3.1 静态参数 I/V 和 C/V 参数测试

通常需要切换测试仪表和器件连接方式来完成在进行功率器件 I/V 和 C/V 整体参数测试,尤其在进行 C/V 特性参数测试。IGBT 功率器件需要在很高的直流偏置下测量其关断状态下的特性,其中在进行输入电容 Cige,同时需要给集电极加直流偏置,同时对集电极和发射极之间进行交流短路。如果是常开型的功率器件,需要在 Gate 上加负电压关断器件,测试系统会更加复杂。

而 B1506A 中测试夹具集成了 switch,AC Blocking 和 DC Blocking,从而可以实现 I/V 和 C/V 全参数的全自动化测试。只需要设置好测试条件,将器件放置在测试夹具中,就可以完成 I/V 和 C/V 自动测试。

3.2 栅极电荷 Qg 测试

栅极电荷是启动功率器件所需的电荷总量,表现为由三个不同斜率线段构成的连续曲线。以 MOSFET 功率器件为例:


>>> Qg曲线的第一个线段显示 Vgs升高,其中器件断开,Ciss_off 由 Ig充电:表达式为 Vgs = (1/Ciss_off)*Qg。Cgs 通常远大于 Crss,因此近似表达式为 Vgs = (1/Cgs)*Qg。该阶段的栅极电荷称为 Qgs。Vgs 高于阈值电压(Vth)时,漏极 (或集电极)电流开始流动。该阶段 Vgs 持续升高,直到漏极电流达到 Id-Vgs 特征的额定电流。


>>> 第二个水平线段中,器件从接通转换为完全启动状态,所有 Ig 电流进入 Crss,因此 Vgs 不变。这一段该阶段的电荷称为 Qgd,决于 Crss 断开状态和接通状态的漏极(或集电极)电压,Qgd 值影响器件的开关性能。


>>> 最后阶段,器件完全启动,Ciss_on 恢复充电。Vgs 表示为 Vgs = (1/Ciss_on)*Qg。

Keysight 分别测量强电流/低电压和高电压/弱电流的 Qg,然后合并测量结果,提取从高电压关断状态到强电流导通状态的总体 Qg 曲线实际值。

3.3 高低温测试功能

功率器件广泛应用于众多产品中,包括重型设备、高铁和汽车等。显然,所有这些产品都必须具有极高的可靠性,并且能够在恶劣的环境条件下正常使用。其高低温工作性能尤为重要,因为设备必须保证能够在低温(汽车“冷”启动) 和高温 (器件处于热辐射设备附近) 下正常使用。


B1506A 能够应对所有这些功率器件温度测试挑战,能够在 -50°C 至 220°C 温度范围内自动精确地表征器件。B1506A 与 inTest THERMOSTREAM® (高低温冲击试验箱) 结合使用,可在 -50°C 至 +220°C 的温度范围内快速执行自动化器件表征;另外一种是使用 inTest 加热板可置于 B1506A 测试夹具中,支持自动温度表征(室温至+250°C)。

4.1  IGBT功率器件实测

使用 B1506A 的 Datasheet 测试功能对某 IGBT 功率器件进行实测,整个测试过程使用非常简单,在极短的时间内完成 I/V,C/V 和 Qg 参数测试。

具体测试步骤如下:

  选择 IGBT 测试模板,按照测试要求设置测试条件;

  设置测试曲线的显示范围;

  选择需要测试的参数;

  点击执行测试。

测试完成后,可以生成 Datasheet 测试报告如下所示,包括 I/V 参数(击穿电压,漏电,开启特性),C/V 参数(Rg,输入,输出和反向传输电容)和栅极电荷 Qg。

4.2 测试总结

  完成功率半导体器件的完整参数测试,包括 I/V,C/V和Qg,支持在高低温条件下进行参数测试;

  测试全自动化,B1506A 将所有的接线切换通过开关矩阵实现,实现了测量的自动化,既能保证测试精度和重复性,同时极大的提升了测量速度;

  可以建立 Datasheet Characterization 测试模板,测试结果可以输出测试数据Datasheet 报告和数据汇总等。


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