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TH300-CV 功率器件CV特性解决方案
简介
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(最高工作温度增加了)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上面的应用最为广泛。
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VGS电压大于阈值电压VGS(th) 时，MOSFET导通。
IGBT同样以栅极（G）极电压控制IGBT开关，当VGE电压大于阈值电压VGE(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。
符号
名称
影响
Ciss
输入电容
Ciss = Cgs +Cgd，影响延迟时间；Ciss越大，延迟时间越长
Coss
输出电容
Coss = Cds +Cgd，Coss越大，漏极电流上升特性越差，这不利于MOSFET的损耗。高速驱动需要低电容。
Crss
反向传输电容
Crss = Cgd，即米勒电容，影响关断特性和轻载时的损耗。如果Coss较大，关断dv／dt减小，这有利于噪声。但轻载时的损耗增加。
Rg
栅极输入电阻
影响开关管的开关速度。栅极电阻太大，开关速度显著降低，开关损耗大。
栅极电阻太小，高开关速度带来的是很大的电流电压变化率即强烈的干扰。
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VDS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VDS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VDS，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VDS过低，大多最高只能达到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：
型号
TH511
TH512
TH513
测试频率
1kHz-2MHz
通道
标配2通道，可扩展4/6通道
标配2通道
测试参数
Ciss、Coss、Crss、Rg（MOSFET）或Cies、Coes、Cres、Rg（IGBT）
测试方式
点测、列表扫描、图形扫描(选件)
VGS范围
0-±40V
VDS范围
0 - ±200V
0 - ±1500V
0 - ±3000V
分选
10档
接口
RS232C、USB HOST、USB DEVICE、LAN、GPIB、HANDLER
编程协议
SCPI、MODBUS
特点：
体积小：
LCR+VGS电源+VDS电源+高低压切换开关+软件集成在一台仪器内部，体积仅430mm(W)x177mm(H)x405mm(D)
集成度高：
无需上位机软件，仪器本身即可测试4个参数及多种曲线
操作方便：
10.1寸触摸屏，Linux操作简单
提供标准工装，直接插入器件即可测试
精度高：
以同惠30年阻抗测试基础，全部转接开关内置，开路/短路校准技术保证了电容和电阻测试精度和单机一样
VDS高：
最高可达200V/1500V/3000V
通道多
标配2通道，可扩展至6通道，适合多个单管器件或模组器件测试
扩展性好：
提供RS232C、USB、LAN接口
SCPI协议
支持HANDLER接口交互
可方便集成与自动化产线或功率电子测试系统
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
测试页面
数据编辑页面
数据记录页面
权限设置页面
应用
MOSFET单管、模组CV特性测试分析
IGBT单管、模组CV特性测试分析
晶圆CV特性测试分析
芯片分布电容CV特性测试分析
技术参数
3） 整套测试系统配置清单
清单可根据不同需求定制
序号
设备名称
型 号
单位
数量
备注
1
半导体CV特性分析仪
TH511
台
1
可根据DS电压选择不同型号
2
工控机
研华610
套
1
含无线键盘、鼠标
3
操作台
-----
台
4
测试治具
套
1
定制
5
系统机柜
TH301
套
6
扫码枪
基恩士SR700
台
1
可根据需求选择
7
系统软件
套
1
定制
8
9
10