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            碳化硅器件動態特性測試技術剖析

            2023-01-11 08:35:38 來源:EETOP

            碳化硅功率器件作為新一代功率半導體器件,以其優異的特性獲得了廣泛的應用,同時也對其動態特性測試帶來了挑戰,現階段存在的主要問題有以下三點:

            ? 第一點是,都講碳化硅器件動態特性測試很難,但動態特性到底包含哪些,測試難點是什么?并沒有被系統地梳理過,也沒有形成行業共識。

            ? 第二點是,得到的測試結果是否滿足需求,或者說“測得對不對”,還沒有判定標準。這主要源自大部分工程師對碳化硅器件動態特性還不夠了解,不具備解讀測試結果的能力。

            ? 第三點是,芯片研發、封裝設計與測試、系統應用等各個環節的人員之間掌握的知識存在鴻溝,又缺乏交流,會導致測試結果能發揮的作用非常有限,同時下游的問題不能在上游就暴露并解決,對加快產業鏈閉環速度造成負面影響。

            Part 1:碳化硅器件動態特性

            提到動態特性,大家的第一反應一定是開關特性,這確實是功率器件的傳統核心動態特性。由于其是受到器件自身參數影響的,故器件研發人員可以根據開關波形評估器件的特性,并有針對性地進行優化。另外,電源工程師還可以基于測試結果對驅動電路和功率電路設計進行評估和優化。

            當SiC MOSFET應用在半橋電路時就會遇到串擾問題,可能會導致橋臂短路和柵極損傷。SiC MOSFET的開關速度快、柵極負向耐壓能力差,使得串擾問題是影響SiC MOSFET安全運行的棘手問題和限制充分發揮其高開關速度的主要障礙之一。所以我們認為串擾特性應該算作碳化硅器件動態特性的一部分,這既能體現開關過程的影響,又能體現現階段碳化硅器件相對于硅器件的特殊性。

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            最后,在整流輸出和MOS-Diode橋式電路中往往都會出現SiC Diode或SiC MOSFET體二極管的反向恢復過程,發生反向恢復也是與開關過程伴生的,也是功率二極管的傳統核心動態特性。

            綜上所述,碳化硅器件的動態特性應該包含開關特性、串擾特性和反向恢復特性三個部分。串擾和反向恢復是與開關過程伴生的,這也就意味著,碳化硅動態特性的三個部分可以采用統一的測試方法,即雙脈沖測試。

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            雙脈沖測試采用的是電感負載半橋電路,右邊是測試波形示意圖??梢钥吹?,驅動電路向QL發送雙脈沖控制信號,各個波形都呈現出兩個脈沖的形態,故稱之為雙脈沖測試。QL在t2時刻開通,t3時刻關斷,此時可以觀測到QL的關斷過程和QH的關斷串擾。QL在t4時刻再次開通,此時可以觀測到QL的開通過程和QH的開通串擾和反向恢復。

            開關波形包括柵源極電壓VGS、漏源極電壓VDS、漏源極電流IDS?;诘玫降拈_通和關斷波形,可以獲得很多開關特性的參數,包括:開關延時、開關時間、開關能量、開關速度、開通電流尖峰、關斷電壓尖峰。根據陪測管類型和被測器件的位置,可以得到四種測試電路,根據需求和實際應用情況選擇即可。

            開關特性受到多方面因素的影響,包括器件參數、外圍電路和工況等。這對我們有兩點啟發:第一是,器件研發人員可以將開關過程測試結果和器件其他參數綜合在一起進行評估,對器件參數的優化有指導意義;第二是,即使是同一型號的器件,其開關特性并不固定不變的,這也就是為什么在不同的測試平臺上測得的結果差異很大,往往與規格書上的數值也存在很大偏差。

            反向恢復波形包括端電壓VF、端電流IF?;诘玫降姆聪蚧謴筒ㄐ?,可以獲得的反向恢復特性的參數包括:反向恢復時間、反向恢復電流、反向恢復電荷、反向恢復能量。與開關特性一樣,有四種反向恢復特性測試電路,器件參數、外圍電路和工況也同樣會影響其反向恢復特性的測試結果。

            串擾波形包括柵源極電壓VGS,而漏源極電壓VDS、漏源極電流IDS能夠輔助串擾過程的分析?;诘玫降拇當_波形,可以獲得的串擾特性的參數是串擾正向和負向尖峰。由于串擾只發生在MOS-MOS半橋電路中,故只有兩種測試電路,與開關和反向恢復測試電路不同。而串擾特性也同樣受到了器件參數、外圍電路和工況的影響。

            Part 2:測試需求及對測試結果的要求

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            現階段遇到的一個難題是“如何判斷測試結果是否符合要求”,而要求一定來自具體的測試場景和測試需求。需要進行碳化硅器件動態特性測試的場景非常多:在器件廠商,在進行產品調研分析、工程樣品驗證、規格書制作時需要測試;在封裝廠商,在進行封裝設計、出廠測試、裸片篩選時需要測試;在系統應用廠商,在進行來料檢測、器件認證、器件選型、損耗計算、驅動設計、功能調試時需要測試;在科研機構,無論是做器件研究還是應用研究,也都需要進行測試??梢哉f,碳化硅器件的動態特性測試橫跨產業和學術領域、涵蓋器件產業鏈的各個環節、貫穿器件完整生命周期,從這一點上也能夠看出其具有重要意義。

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            在針對每一個測試需求給出對測試結果的要求之前,我們先回到測量的本質要求,即準確度和精確度。測試結果越接近芯片上的實際值,即上方的紅點越接近圓心,則其準確度越高。相同的測試條件下進行多次測量的一致性越好,即上方的紅點越集中,則精確度越高。按照準確度和精確度,可分為四種情況。低準確度、低精確度和高準確度、低精確度的測試結果毫無價值;低準確度、高精確度比較容易達到,這樣的測試結果適合用于考察器件的一致性;高準確度、高精確度的測試結果可用于器件特性分析、損耗計算、封裝設計、串擾抑制研究。

            在關注動態過程時,準確度的優先級更高;在關注器件參數一致性時,精確度的優先級更高。研發、應用、生產對動態測試的要求依次從高到低降低。

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            根據前面的分析,表格中給出了各產業環節中的不同測試場景需要進行的碳化硅器件動態特性測試項目及相對的要求高低,星號越多則要求越高。

            在器件研發、功率模塊設計以及學術研究時,非常關注動態特性的過程,對波形的形態和幅值斤斤計較,故要求最高,準確度和精準度的要求都是5顆星。而在出貨測試和來料檢驗時,只要測試足夠穩定、偏差很固定,測試結果在給定的范圍內即可,其要求最低,精確度和精準度的要求都是1顆星。在使用SiC MOSFET時,串擾問題的影響非常大,則對其準確度的要求是5顆星。其他場景就不再一一列舉了。

            Part 3:測試技術面臨的挑戰

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            雙脈沖測試系統的結構很簡單,主要部件包括測試電路、負載電感、信號發生器、輔助電源、直流電源、示波器、電壓探頭以及電流傳感器探頭。測試技術的挑戰最終都可以轉化為對測試系統中各個部件的要求。測試電路的作用是向被測器件提供運行條件,確保其工作在正確的工況下。測試電路是否滿足要求的評判標準是在確定測量環節無誤和被測器件特性正常的情況下,測得波形不存在異常,如關斷電壓尖峰超過器件電壓等級、器件誤導通、出現不符合理論的震蕩等等現象。

            這就需要測試電路在以下幾點進行優化:主功率回路電感需要盡量小,以免關斷電壓尖峰超過器件耐壓值而導致器件損壞;驅動回路電感需要盡量小,以免發生不必要的驅動波形震蕩;驅動電路需要能夠方便地進行改變參數,其電流輸出能力需要滿足要求,同時需要考慮增加各類保護功能;負載電感需要做到電阻小、等效并聯電容??;母線電容需要控制在合理范圍內。

            測量儀器的作用是獲取被測器件上所關注的電壓和電流波形。測量儀器是否滿足要求的評判標準是在測試電路符合要求、被測器件特性正常、測量儀器使用方法正確的情況下,測量結果滿足此時測試需求對測試結果的要求。因為是沒有絕對真實值作為評判標準,只能通過正確選擇儀器類型和指標,采用正確的使用方法和連接方式,盡量避免由測量儀器導致的偏差,同時通過分析波形的主要特征的合理性進行判斷。

            下邊給出的波形說明了選擇合適的測量儀器重要性。例如,測量電流時,使用羅氏線圈測得的波形相比于使用同軸電阻測得的波形,上升速度慢、幅值也偏低,這就是羅氏線圈的帶寬過低,不能滿足碳化硅高開關速度的需求。測量上橋臂器件驅動波形時,采用高壓差分探頭測得的結果呈現出欠阻尼和過阻尼的狀態,只有采用光隔離探頭才得到方波狀驅動波形,這是由于光隔離探頭具有更高的共模抑制比,適合測量含有高壓高速跳變的共模電壓的驅動波形。

             

            另外一個沒有形成共識,但受到大家關注的就是雙脈沖測試參數如何設定。不同規格的器件,測試條件不同,參數設定自然不同,但依然可以提出一些原則。

            雙脈沖型號寬度有第一脈寬τ1、第二脈寬τ3、脈沖間隔τ2。它們的時長下限都是需要滿足波形震蕩完全結束,以能夠完整觀測波形,且不影響接下來的動態過程。第一脈寬τ1的上限制約條件是母線電壓跌落小,器件自發熱少。脈沖間隔τ2的上限制約條件是電流跌落在要求范圍內。第二脈寬τ3的上限制約條件是電流不會過高導致關斷電壓尖峰過高。

            這里需要注意的是,第一脈寬τ1時長可由測試電流、負載電感、測試電壓確定。母線電容的最小值由負載電感、測試電流、母線電壓、允許的母線電壓跌落比例確定。負載電感由脈沖間隔τ2、續流二極管壓降、測試電流、允許的測量電流跌落比例確定。由此可見,第一脈寬τ1、脈沖間隔τ2、母線電容、負載電感、測試電壓和電流之間是互相制約的,這也使得確定雙脈沖測試參數的過程會比較復雜。

            Part 4:測試點間寄生參數的影響

            最后一個問題是有關測量準確度的,也是我們一直忽略的問題,那就是測量點間寄生參數的影響。

             

            SiC MOSFEF分立器件最常見的封裝形式是TO-247-4PIN和TO-247-3PIN,通過其內部結構圖可以看出,兩者的差異是TO-247-4PIN有一根專用于驅動的KS引腳,實現了主功率回路和驅動回路的解耦,而TO-247-3PIN是主功率回路和驅動回路共用S引腳。

            測量分立器件電壓時,電壓探頭只能夾在引腳上,那么一部分引腳、bonding線、SiC MOSFET芯片內部柵極電阻都被包含進了電壓測量點之間。我們通過下邊的等效電路就可以看出它們的影響了。需要注意的是VGS是CGS的端電壓,是用于做分析時實際所需要的驅動波形,是真正有用的信號,VGS(M)是我們能測得的結果,它們之間存在寄生參數,VDS和VDS(M)同理。而驅動電流IG、負載電流IDS會在這些寄生參數上產生壓降,也被電壓探頭測得,與芯片上的真實信號相加,共同構成了測量結果。

            可以很容易得到測量值與真實值之間的關系,如下邊的公式所示。需要注意的是,TO-247-4PIN和TO-247-3PIN受寄生參數的影響的不同在于,TO-247-3PIN器件電壓測量結果會受到IDS在S極封裝寄生電感上產生的電壓的影響,而TO-247-4PIN器件不會。其原因就是剛剛提到的兩者結構上的差異。

            對于功率模塊,電壓探頭同樣只能接在模塊的端子上,不能直接接觸芯片。這里有四個功率模塊,打開其外殼可以觀察到其內部結構??梢钥吹?,從芯片到模塊端子有金屬走線和bonding線,距離端子越遠的芯片,走線越長。另外,為了避免并聯的芯片之間發生柵極震蕩,會額外給每顆芯片單獨增加一顆柵極電阻。以上這些電感和電阻上的電壓也都會被計入測量結果中。

             

            首先來看一下寄生參數對開關特性的影響。實線為芯片上真實值,虛線為測量結果,可以看到實線和虛線具有明顯差異。

            在開關過程之初,VGS虛線測量結果在一開始呈現幾乎垂直變化,而不是CR充放電過程;在開通過程,當VGS虛線測量結果超過閾值電壓時,仍然沒有電流流過;在關斷過程,當VGS虛線測量結果低于閾值電壓,IDS仍然很高。這些都是與理論嚴重不符的,足以證明VGS虛線測量結果的錯誤。而對于TO-247-3PIN器件,VGS虛線測量結果出現一個向上的尖峰,使用過3PIN器件的工程師一定被這個尖峰折磨過,擔心其影響器件柵極的安全。但這個尖峰并不存在于芯片上,是由于IDS快速上升在S極封裝寄生電感上產生的電壓的被誤計入了。

            由此可見,由于寄生參數的影響使得測得的波形偏離了真實的波形,如果基于錯誤的測量結果進行開關過程分析、損耗計算、安全判定,那就把會把我們帶進溝里。

             

            現在我們來看一下寄生參數對串擾特性的影響。對于TO-247-4PIN器件,VGS虛線測量結果總是低于VGS實線芯片真實值。也就是說,測量結果低估了串擾的嚴重程度。對于TO-247-3PIN器件,VGS虛線測量結果與VGS實線芯片真實值之間存在巨大偏差,存在非??鋸埖恼鹗?,按VGS虛線測量結果分析,既會發生橋臂直通,也會發生柵極擊穿。

            由此可見,由于寄生參數的影響,錯誤的測量會使我們對串擾情況做出誤判,而TO-247-3PIN器件更為嚴重。這也是更加推薦使用TO-247-4PIN器件的原因,測得的開關和串擾波形與芯片真實值的偏差不會像TO-247-3PIN器件那么離譜。

             

            測量結果是否接近芯片上的真實值,屬于測量準確度的一方面。當我們關注開關過程、串擾的絕對值時,就需要盡量排除掉寄生參數的影響,獲得芯片上真實的波形。

             

            最后,我們再回到準確度和精確度上來。在為了獲得更靠譜的碳化硅器件動態過程波形的道路上,廣大工程師和科研工作者做了很多努力:提高測量系統帶寬、提高探頭共模抑制比、改善測量連接方式都是在準確度上做工作;提高測量儀器穩定性、提高硬件電路穩定性、提高測試點連接穩定性是在精確度上做工作?,F在業內的狀態是,精確度高、準確度半高的狀態,還差排除點測量點間寄生參數的影響這一步驟。

            對以上內容進行小結,我們得到四個重要結論:

            1)碳化硅功率器件動態特性包括:開關特性、反向恢復特性、串擾特性

            2)動態特性測試需求種類多樣,對準確度和精確度要求具有明顯差異

            3)測試電路板和測量儀器是獲得正確測試結果的保障,需合理設計和選型

            4)測量點間寄生參數是獲得芯片上真實電壓信號的瓶頸,具有顯著的負面影響


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