CN114826238A - 用于测试元件动态特性的通用开关操作装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种用于测试元件动态特性的通用开关操作装置及方法，所述通用开关操作装置，包含电源端、接地端、上侧开关、下侧开关及可调电源。所述上侧开关、所述下侧开关与所述可调电源依序串接于所述电源端与所述接地端间，且所述上侧开关与所述下侧开关的连接点电连接待侧件的第一端，所述可调电源与所述接地端的连接点电连接所述待侧件的第二端，所述上侧开关与所述下侧开关各自受控制而切换导通状态，以提供电压及电流至所述待侧件。借此，可以提供包括高温工作寿命等各种测试环境，能达到较低的功率消耗、能一次进行多颗所述待侧件测试，并在测试频率及占空比具有较大的可调整空间。

Description

用于测试元件动态特性的通用开关操作装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测试装置及方法，特别是涉及一种用于测试元件动态特性的通用开关操作装置及方法。

背景技术

第三代半导体材料是基于宽带隙复合材料(Wide Bandgap compound material)，以碳化硅(SiC)以及氮化镓(GaN)为代表，由于其卓越的材料性能、高载子迁移率(carriermobility)和高带隙(band-gap)，例如，GaN元件的FOM比Si元件高5到10倍，这使它们具有在高电压和高功率应用中替代Si元件的巨大潜力，而能应用在更高阶的高压功率元件以及高频通讯元件领域。

尽管GaN元件已经通过了基于Si元件的JEDEC可靠性标准，但仍需要花费时间来建立***现场测试的信心，并证明GaN元件在应用中的稳固性。目前，由于第三代半导体材料的元件从静态(Static condition)到动态(Dynamic conditions)的表现不同，现有关于GaN元件的***级可靠性(system-level reliability)测试多是着重于硬开关操作(hardswitching operation)上。然而，这些已知的测试都无法预测GaN元件在各种不同应用中的寿命。

表1

请参阅图1、图2、图3及上表1，表1为Panasonic、TI、Transphorm所公布的测试装置的列表，所述测试装置适用于对一个被测件19(Device Under Test，缩写为DUT)进行测试。其中，Panasonic公司通过使用RL负载下降工作的占空比(on-duty)与限制频率，以使***功率可以降低至100W，然而，低至3％的工作占空比导致无法代表***实际运作状态。TI公司仅使用L负载下降工作的占空比与频率，以得到较低的功率消耗，但同样导致了较低的工作占空比及频率限制。Transphorm公司使用升压转换器进行测试，但其功耗高达400W，导致了单次能测试样本数的限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能解决上述问题的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，适用于对待侧件进行测试，所述待侧件至少包括第一端及第二端，所述通用开关操作装置包含电源端、接地端、上侧开关、下侧开关，及可调电源。

所述上侧开关、所述下侧开关与所述可调电源依序串接于所述电源端与所述接地端间，且所述上侧开关与所述下侧开关的连接点适用于电连接所述待侧件的第一端，所述可调电源与所述接地端的连接点适用于电连接所述待侧件的第二端，所述上侧开关与所述下侧开关各自受控制而切换导通状态，以提供电压及电流至所述待侧件。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，还包含电容模块，所述上侧开关包括电连接所述电源端的第一端，及电连接所述下侧开关的第二端，并受控制而切换所述第一端与所述第二端间导通或不导通，所述电容模块的两端分别电连接所述电源端与所述上侧开关的第二端。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，还包含串接于所述电源端与所述上侧开关的第一端间的负载电阻。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，所述电容模块为电容、二极管，或两者的并联组合。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，还包含并联于所述可调电源的量测电容，及电连接于所述待侧件的第二端与所述接地端间的量测电阻。

本发明的目的在于提供一种能解决上述问题的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，适用于如上述的通用开关操作装置，并包含下列步骤：

(A)控制切换所述上侧开关的导通状态，并控制切换所述下侧开关的导通状态，使所述下侧开关的导通状态实质上反向于所述上侧开关的导通状态。

(B)控制切换所述待侧件的导通状态，使所述待侧件的导通状态实质上跟随所述下侧开关的导通状态。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，还包含下列步骤：

(C)调整所述可调电源输出的电压值。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，还包含下列步骤：

(D)使所述可调电源的正端电连接至所述下侧开关，所述可调电源的负端电连接至所述接地端；

其中：

于步骤(A)中，控制所述下侧开关于所述上侧开关切换至不导通后再切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通；

于步骤(B)中，输出测试信号以控制所述待侧件于所述上侧开关切换至不导通后且所述下侧开关切换为导通前切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，还包含下列步骤：

(D)使所述可调电源的正端电连接至所述下侧开关，所述可调电源的负端电连接至所述接地端；

其中：

于步骤(A)中，控制所述下侧开关于所述上侧开关切换至不导通后再切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通；

于步骤(B)中，输出测试信号以控制所述待侧件于所述上侧开关切换至不导通后且所述下侧开关切换为导通后切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，还包含下列步骤：

(E)使所述可调电源的负端电连接至所述下侧开关，所述可调电源的正端电连接至所述接地端；

其中：

于步骤(A)中，控制所述下侧开关于所述上侧开关切换至不导通后再切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通。

本发明的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，于步骤(B)中，输出测试信号以控制所述待侧件于所述上侧开关切换至不导通后且所述下侧开关切换为导通后切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通。

本发明的有益效果在于：通过设置所述通用开关操作装置，并搭配所述通用开关操作方法，可以提供包括高温工作寿命等各种测试环境，并且，可以达到较低的功率消耗、能一次进行多颗所述待侧件测试，并在测试频率及占空比具有较大的能调整空间。

附图说明

图1～图3分别为Panasonic、TI、Transphorm公司的测试装置的电路图；

图4为本发明用于测试元件动态特性的通用开关操作装置的一个实施例的一个电路图；

图5、图6为所述实施例于不同应用时的变化样态；

图7为本发明用于测试元件动态特性的通用开关操作方法的一个实施例的一个流程图；

图8～图10为所述实施例于不同的测试环境所提供的一个上控制信号、一个下控制信号、一个测试信号，及所量测的一个测试电流与一个测试电压的波形示意图；及

图11为所述实施例于一个整流二极管的测试环境所提供的一个上控制信号、一个下控制信号，及所量测的一个测试电流与一个测试电压的波形示意图。

具体实施方式

在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。

参阅图4，本发明用于测试元件动态特性的通用开关操作装置的一个实施例，适用于对一个待侧件9进行测试，所述待侧件9能为一个晶体管(transistor)，包括一个第一端91(漏极，Drain)、一个第二端92(源极，Source)及一个控制端93(栅极，Gate)，或如图6为一个整流二极管(rectifier diode)，包括一个第一端91(阴极端，Cathode)，及一个第二端92(阳极端，Anode)。

参阅图4，所述通用开关操作装置包含一个电源端Vdd、一个接地端Gnd，及依序串接于所述电源端Vdd与所述接地端Gnd间的一个上侧开关21、一个下侧开关22与一个可调电源3。所述通用开关操作装置较佳是还包含一个量测电阻41、一个量测电容42、一个电容模块5，及一个负载电阻6。

所述上侧开关21具有一个经所述负载电阻6电连接所述电源端Vdd的第一端211(漏极，Drain)、一个电连接所述待侧件9的第一端91的第二端212(源极，Source)，及一个控制端213(栅极，Gate)，所述控制端213接收一个上控制信号而使所述第一端211与所述第二端212间导通及不导通。

所述下侧开关22具有一个电连接所述上侧开关21的第二端212的第一端221(漏极，Drain)、一个第二端222(源极，Source)及一个控制端223(栅极，Gate)，所述控制端223接收一个下控制信号而使所述第一端221与所述第二端222间导通及不导通。

所述上侧开关21与所述下侧开关22皆为开关元件，各自受控制而切换导通状态，以提供电压及电流至所述待侧件9。所述上侧开关21与所述下侧开关22较佳是使用SiC材料制作的MOSFET元件，所述开关元件的选择重点在于其开关速度需要能跟上第三代半导体材料(例如，GaN)的应用电压及开关速度(例如，800V、500kHz)。

所述可调电源3具有一个电连接所述下侧开关22的第二端222且作为供电正端的第一端31，及一个电连接所述接地端Gnd且作为供电负端的第二端32。所述可调电源3能使用一个电源供应器(power supply)实施。通过设置所述可调电源3，可以测量所述待侧件9的导通电流(conduction current)。

所述量测电容42并联于所述可调电源3，其作用在于搭配所述电源供应器，而形成一个能提供快速变化的电流的理想(ideal)电源。

所述量测电阻41电连接于所述待侧件9的第二端92与所述接地端Gnd间，其作用在于搭配一个示波器(图未示)进行量测时，可以提供所述示波器作为量测所述待侧件9的一个测试电流It的传感元件，即，能提供所述示波器通过量测所述量测电阻41的电压而得知所述测试电流It。

所述电容模块5的两端分别电连接所述电源端Vdd与所述上侧开关21的第二端212，并包括并联的一个负载电容51及一个负载二极管52。其中，所述电容模块5用于提供电容以调整所述测试电流It的峰值(peak)，能使用单一个负载电容51、或单一个负载二极管52，或两者的并联组合实施。其中，所述负载二极管52较佳是使用萧特基二极管(Schottkydiode)实施，以获得较快的切换速度及较低的导通电压。

所述负载电阻6电连接于所述电源端Vdd与所述上侧开关21的第一端211间，其电阻值用于控制所述待侧件9的关闭速度(turn-off speed)，电阻值越低，则关闭速度越高。

参阅图4、图7及图8，本发明用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，适用于如上述的通用开关操作装置，并包含下列步骤：

步骤71：输出所述上控制信号控制切换所述上侧开关21的导通状态，并输出所述下控制信号控制切换所述下侧开关22的导通状态，使所述下侧开关22的导通状态实质上反向于所述上侧开关21的导通状态。

于本实施例中，由于所述上侧开关21与所述下侧开关22皆为N型MOSFET，因此，是通过使所述下控制信号基本上反向于所述上控制信号，而达到使所述下侧开关22的导通状态实质上反向于所述上侧开关21的导通状态。

步骤72：控制切换所述待侧件9的导通状态，使所述待侧件9的导通状态实质上跟随所述下侧开关22的导通状态。

所述通用开关操作方法较佳还包含下列步骤：

步骤73：调整所述可调电源3输出的电压值。

其中，于实际测试时，能渐次调整所述可调电源3的大小并进行步骤71、72的测试，如此，能提供能逐阶增加所述待侧件9的导通电流大小的测试环境。

本实施例通过上述架构，可以提供各种测量环境，以下分别叙述：

1.晶体管的硬开关(Hard switching)及顺向导通(Forward conduction)的测试环境：

如图4、图7及图8所示，于此测试环境中，使所述可调电源3的正端电连接至所述下侧开关22，所述可调电源3的负端电连接至所述接地端Gnd(即，使所述电源供应器提供正电压)。

其中，所述示波器适用于量测所述待侧件9的第一端91与所述第二端92的电压差作为一个测试电压Vt，此处所述测试电压Vt即为所述待侧件9的漏极-源极电压(Vds)，所述测试电流It即为所述待侧件9的漏极-源极电流(Ids)。

其中，于步骤71中，输出所述下控制信号以控制所述下侧开关22于所述上侧开关21切换至不导通后再切换为导通，并于所述上侧开关21切换至导通时切换为不导通。

于步骤72中，输出一个测试信号至所述待侧件9的控制端93，以控制所述待侧件9于所述上侧开关21切换至不导通后且所述下侧开关22切换为导通前切换为导通，并于所述上侧开关21切换至导通时切换为不导通。

于此测试环境中，适用于测试关闭状态(Off-state)、硬开关导通(HSW turn-on)、动态导通电阻(Rdson)、动态临界电压(Vth)、暂态关闭(turn-off transient)等参数表现。

2.晶体管的软开关(Soft switching)及顺向导通的测试环境：

请参阅图4、图7及图9，此测试环境基本相同于上述晶体管的硬开关及顺向导通的测试环境，其差异在于：

于步骤72中，输出所述测试信号至所述待侧件9的控制端93，以控制所述待侧件9于所述上侧开关21切换至不导通后且所述下侧开关22切换为导通后切换为导通，并于所述上侧开关21切换至导通时切换为不导通。

于此测试环境中，同样适用于测试关闭状态(Off-state)、硬开关导通(HSW turn-on)、动态导通电阻(Rdson)、动态临界电压(Vth)、暂态关闭(turn-off transient)等参数表现。

3.晶体管的软开关及反向导通(reverse conduction)的测试环境：

请参阅图5、图7及图10，于此测试环境中，使所述可调电源3的负端电连接至所述下侧开关22，所述可调电源3的正端电连接至所述接地端Gnd(即，使所述电源供应器提供负电压)。

其中，所述示波器适用于量测所述待侧件9的第一端91与所述第二端92的电压差作为所述测试电压Vt，此处所述测试电压Vt为所述待侧件9的漏极-源极电压(Vds)，所述测试电流It即为所述待侧件9的源极-漏极电流(Isd)。

其中，于步骤71中，输出所述下控制信号以控制所述下侧开关22于所述上侧开关21切换至不导通后再切换为导通，并于所述上侧开关21切换至导通时切换为不导通。

于步骤72中，输出所述测试信号至所述待侧件9的控制端93，以控制所述待侧件9于所述上侧开关21切换至不导通后、且所述下侧开关22切换为导通后切换为导通，并于所述上侧开关21切换至导通时切换为不导通。

于此测试环境中，适用于测试动态导通电阻(Rsdon)、动态临界电压(Vth)、动态导通电压(Vsd)、关闭状态(Off-state)、软开关导通(ZVS turn-on)等参数表现。

4.整流二极管的软开关及顺向导通的测试环境：

请参阅图6、图7及图11，于此测试环境中，使所述可调电源3的负端电连接至所述下侧开关22，所述可调电源3的正端电连接至所述接地端Gnd(即，使所述电源供应器提供负电压)。并且，此处所述待侧件9为整流二极管，所述第一端91为阴极端，所述第二端92为阳极端。

其中，于步骤71中，输出所述下控制信号以控制所述下侧开关22于所述上侧开关21切换至不导通后再切换为导通，并于所述上侧开关21切换至导通时切换为不导通。

于此测试环境中，适用于测试动态顺向电压(VF)、动态逆回复时间(reverserecovery time，缩写为Trr)、动态逆回复电荷(reverse recovery charge，缩写为Qrr)、反向状态(Reverse)、顺向暂态(Forward transient)等参数表现。

由于本领域中具有通常知识者根据以上说明可以推知相关测试的扩充细节，因此不多加说明。

经由以上的说明，本实施例的功效如下：

通过设置所述通用开关操作装置，并搭配所述通用开关操作方法，可以提供电压及电流至所述待侧件9以进行测试，并且，由图8～图11的所述测试电流It可以看出，所述待侧件9导通时的所述测试电流It是由低压的所述可调电源3提供而非由高压的所述电源端Vdd提供，因此，相较于现有技术，本实施例可以达到较低的功率消耗，所以可以一次进行多颗所述待侧件9的测试，且无须担心较大的电流会导致***损耗功率随电流线性增加。并且，由于本实施例并无使用L负载，因此，相较于现有技术，本实施例在测试频率及占空比也具有较大的能调整空间。借此，本实施例可以提供高温工作寿命(High-temperatureoperating life，缩写为HTOL)的类***压力状态(System-like stress condition)、加速测试的灵活性(Flexibility of acceleration test)(能调整温度、电压、电流、频率和占空比)、较低的功耗、较高的测试样品数，并且，还具有易于设置及控制的优点。

综上所述，本发明用于测试元件动态特性的通用开关操作装置及方法，确实能达成本发明的目的。

以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。

Claims (11)

1.一种用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，适用于对待侧件进行测试，所述待侧件至少包括第一端及第二端，其特征在于：

所述通用开关操作装置包含：

电源端及接地端；

上侧开关、下侧开关，及可调电源，依序串接于所述电源端与所述接地端间，且所述上侧开关与所述下侧开关的连接点适用于电连接所述待侧件的第一端，所述可调电源与所述接地端的连接点适用于电连接所述待侧件的第二端，所述上侧开关与所述下侧开关各自受控制而切换导通状态，以提供电压及电流至所述待侧件。

2.根据权利要求1所述的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，其特征在于：所述通用开关操作装置还包含电容模块，所述上侧开关包括电连接所述电源端的第一端，及电连接所述下侧开关的第二端，并受控制而切换所述第一端与所述第二端间导通或不导通，所述电容模块的两端分别电连接所述电源端与所述上侧开关的第二端。

3.根据权利要求2所述的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，其特征在于：所述通用开关操作装置还包含串接于所述电源端与所述上侧开关的第一端间的负载电阻。

4.根据权利要求2所述的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，其特征在于：所述电容模块为电容、二极管，或两者的并联组合。

5.根据权利要求1所述的用于测试元件动态特性的通用开关操作装置，其特征在于：所述通用开关操作装置还包含并联于所述可调电源的量测电容，及电连接于所述待侧件的第二端与所述接地端间的量测电阻。

6.一种用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，其特征在于：适用于根据权利要求1至5中任一权利要求所述的通用开关操作装置，并包含下列步骤：

(A)控制切换所述上侧开关的导通状态，并控制切换所述下侧开关的导通状态，使所述下侧开关的导通状态实质上反向于所述上侧开关的导通状态；及

(B)控制切换所述待侧件的导通状态，使所述待侧件的导通状态实质上跟随所述下侧开关的导通状态。

7.根据权利要求6所述的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，其特征在于，还包含下列步骤：

(C)调整所述可调电源输出的电压值。

8.根据权利要求6所述的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，其特征在于，还包含下列步骤：

(D)使所述可调电源的正端电连接至所述下侧开关，所述可调电源的负端电连接至所述接地端；

其中：

于步骤(A)中，控制所述下侧开关于所述上侧开关切换至不导通后再切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通；

于步骤(B)中，输出测试信号以控制所述待侧件于所述上侧开关切换至不导通后且所述下侧开关切换为导通前切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通。

9.根据权利要求6所述的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，其特征在于，还包含下列步骤：

(D)使所述可调电源的正端电连接至所述下侧开关，所述可调电源的负端电连接至所述接地端；

其中：

于步骤(A)中，控制所述下侧开关于所述上侧开关切换至不导通后再切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通；

于步骤(B)中，输出测试信号以控制所述待侧件于所述上侧开关切换至不导通后且所述下侧开关切换为导通后切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通。

10.根据权利要求6所述的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，其特征在于，还包含下列步骤：

(E)使所述可调电源的负端电连接至所述下侧开关，所述可调电源的正端电连接至所述接地端；

其中：

于步骤(A)中，控制所述下侧开关于所述上侧开关切换至不导通后再切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通。

11.根据权利要求10所述的用于测试元件动态特性的通用开关操作方法，其特征在于：

于步骤(B)中，输出测试信号以控制所述待侧件于所述上侧开关切换至不导通后且所述下侧开关切换为导通后切换为导通，并于所述上侧开关切换至导通时切换为不导通。

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