CN116047171B - 一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置 - Google Patents
一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116047171B CN116047171B CN202310239773.4A CN202310239773A CN116047171B CN 116047171 B CN116047171 B CN 116047171B CN 202310239773 A CN202310239773 A CN 202310239773A CN 116047171 B CN116047171 B CN 116047171B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- voltage
- tested
- resistance
- dynamic
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 28
- 230000005669 field effect Effects 0.000 title claims abstract description 26
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 47
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 18
- 238000005070 sampling Methods 0.000 claims abstract description 3
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 31
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 19
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 9
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims description 5
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 3
- 230000035882 stress Effects 0.000 description 41
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 8
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000004075 alteration Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 230000006355 external stress Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000011664 signaling Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/08—Measuring resistance by measuring both voltage and current
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
- G01R31/2607—Circuits therefor
- G01R31/2621—Circuits therefor for testing field effect transistors, i.e. FET's
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
Abstract
本发明公开了一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置，其中装置包括：动态特性测量电路模块用于向待测器件施加电压应力，进行动态导通电阻测量；数据采集模块用于采集待测器件的电学参数；所述动态特性测量电路模块包括：控制信号输出电路、电压应力施加电路、钳位电路和低压测试电路；其中，所述控制信号输出电路用于生成驱动信号控制所述电压应力施加电路的工作状态；所述电压应力施加电路用于对待测器件施加漏极电压应力；所述钳位电路用于为所述数据采集模块采样待测器件的漏极与源极之间的导通电压降，获得待测器件的动态导通电阻；所述低压测试电路用于在低压下测量待测器件的导通电阻。提升待测器件动态导通电阻测量结果。
Description
技术领域
本发明涉及场效应晶体管技术领域，具体涉及一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置。
背景技术
功率半导体电子器件是电力电子技术的核心元件，主要功能是通过切换开启以及关断状态实现电力设备的电能转换与电路控制，被广泛应用于能源***、计算机***、航空航天等领域，是与人们生活息息相关的一部分。当前功率半导体电子器件主要以Si基器件为主，但是受限于Si基器件的开关速度和功耗，Si基器件无法再进一步满足功率密度增长、电源转换效率提高的需求，而功率半导体器件(GaN器件和SiC器件)相对于Si基器件耐压水平高、导通电阻更小、开关切换速度更快，可以进一步提升电源***的功率密度和效率，已替代部分Si基器件，广泛应用于高压、中大功率、高开关频率的应用场合。
不过GaN、SiC场效应晶体管的动态特性存在稳定性较差的问题，具体表现为两方面：第一方面，GaN场效应晶体管在承受一段时间的关态漏极电压应力后，晶体管的导通电阻会变大，导致器件在实际应用中产生的功耗变高，器件不稳定的特性会导致***运行的不稳定性，严重时会使***无法正常工作。所以为了定量评估功率半导体器件在实际应用中的功耗、性能表现，有必要对器件开展动态导通电阻的表征测量。
然而传统的导通电阻测量方法属于静态测量，即通过功率器件分析仪测量器件的静态特性曲线来获取器件的导通电阻，由于从器件承受外部应力之后到测量器件的动态导通电阻的过程在时间上存在滞后，而功率器件通常处于高速开关切换的动态工作条件下，常规的静态的测量方法不能及时、准确地反映器件的实际性能表现，因此需要使用动态的测量方法更加准确、合适。目前也有一些对于动态测量方法的研究，但现有的动态导通电阻测试电路应力施加功能不够全面，且在测量较大的动态导通电阻恢复时间常数时，器件严重的发热问题会影响测量结果。
发明内容
本发明提供一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置，以解决现有技术中存在的上述问题。
本发明提供功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置，该装置包括：动态特性测量电路模块和数据采集模块；
所述动态特性测量电路模块用于向待测器件施加电压应力，进行动态导通电阻测量；所述数据采集模块用于采集待测器件的电学参数；
所述动态特性测量电路模块包括：控制信号输出电路、电压应力施加电路、钳位电路和低压测试电路；其中，所述控制信号输出电路用于生成驱动信号控制所述电压应力施加电路的工作状态；所述电压应力施加电路用于对待测器件施加漏极电压应力；所述钳位电路用于为所述数据采集模块采样待测器件的漏极与源极之间的导通电压降，获得待测器件的动态导通电阻；所述低压测试电路用于在低压下测量待测器件的导通电阻。
优选的，所述控制信号输出电路包括：现场可编程门阵列电路。
优选的，所述电压应力施加电路包括：高压电源Vin、单刀双掷开关SW1和晶体管Q1、晶体管S1、晶体管S2、电感L1、分压电阻R1、分压电阻R2、保护电阻R3、电流检测电阻Rs和电容C1、电容C2、电容C3；其中：
所述单刀双掷开关SW1的第二端口连接所述高压电源的正极输出端，所述单刀双掷开关SW1的第三端口连接所述分压电阻R1和R2的中间节点，所述单刀双掷开关SW1的第一端口连接所述电感L1的一端；
所述电感L1的左端连接所述单刀双掷开关SW1的第一端口，右端连接所述晶体管S1的漏极；
所述分压电阻R1的上端连接所述高压电源的正极输出端，下端连接所述单刀双掷开关SW1的第三端口；
所述分压电阻R2的上端连接所述单刀双掷开关SW1的第三端口，下端连接所述高压电源的负极输出端；
所述保护电阻R3的上端连接所述待测器件的漏极，下端连接所述晶体管S2的漏极；
所述电流检测电阻Rs的左端连接所述高压电源的负极输出端，右端连接所述待测器件的源极；
所述电容C1的上端连接所述高压电源VBUS的正极，下端连接所述高压电源VBUS的负极；
所述电容C2的上端连接所述高压电源的正极输出端，下端连接所述单刀双掷开关SW1的第三端口；
所述电容C3的上端连接所述单刀双掷开关SW1的第三端口，下端连接所述高压电源的负极输出端；
所述晶体管Q1的漏极连接高压电源正极，源极连接电感右端；
所述晶体管S1的漏极连接电感的右端，源极连接待测器件的漏极；
所述晶体管S2的漏极连接R3的下端，源极连接高压电源的负极。
优选的，所述低压测试电路通过在待测器件的漏极与源极之间施加降低的电压应力，在低压下测量器件导通电阻。
优选的，所述低压测试电路包括：继电器H1、电流检测电阻R4以及低压电源V2；其中：
所述电流检测电阻R4的左端连接待测器件的漏极，所述电流检测电阻R4的右端连接继电器H1的第三端口；
所述继电器H1的第四端口连接低压电源V2的正极，所述继电器H1的第一端口和第二端口连接所述控制信号输出电路的输出引脚5；
所述低压电源V2的负极连接所述待测器件的源极。
优选的，所述控制信号输出电路设有5个用于连接所述电压应力施加电路进行信号传输的输出引脚，所述控制信号输出电路中：
输出引脚1连接所述晶体管Q1的栅极，控制所述晶体管Q1的开通与关断；
输出引脚2连接所述晶体管S1的栅极，控制所述晶体管S1的开通与关断；
输出引脚3连接所述晶体管待测器件的栅极，控制待测器件的开通与关断；
输出引脚4连接所述晶体管S2的栅极，控制所述晶体管S2的开通与关断；
输出引脚5连接继电器H1的第一端口和第二端口，控制继电器H1的第三端口和第四端口间开通与关断。
优选的，所述钳位电路通过将待测器件的漏极与源极之间的导通电压降除以流经所述电流检测电阻Rs的电流，得到待测器件的动态导通电阻。
优选的，所述钳位电路包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，电阻R5以及辅助电源V1；其中：
所述二极管D1的阳极连接所述二极管D2的阴极，所述二极管D1的阴极连接待测器件的漏极；
所述二极管D2的阳极连接所述电阻R5的左端，所述二极管D2的阴极连接所述二极管D3的阳极；
所述二极管D3的阳极连接所述二极管D4的阴极，所述二极管D3的阴极连接所述电阻R5的右端；
所述二极管D4的阳极连接待测器件的源极；
所述辅助电源V1的正极连接所述二极管D3的阴极，所述辅助电源V1的负极连接待测器件的源极。
优选的，所述数据采集模块包括：示波器，通过所述示波器的探头采集所述待测器件的电学参数，实现数据采集。
本发明还提供功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置实现的测量方法，通过以下步骤测量待测器件的动态导通电阻和恢复时间常数：
S11，向待测器件施加漏极电压应力；
S12，开启待测器件；
S13，获取电阻Rs两端的电流IRs、所述钳位电路中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
S21，根据公式：Ron＝(2*Vb-Va)/IRs，获得待测器件的动态导通电阻Ron；
S22，关闭晶体管S1、晶体管S2和待测器件，打开继电器H1，给待测器件漏极施加低压；
S23，打开待测器件；
S24，获取电阻R4两端的电流IR4、所述钳位电路中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
S31，根据公式：Ron＝(2*Vb-Va)/IR4，获得待测器件的动态导通电阻Ron；
S32，关闭待测器件；
S33，重复S23-S32步骤，多次测试待测器件导通电阻Ron，从多次测量结果中获取待测器件动态导通电阻的恢复时间常数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明提供一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置，该装置包括：动态特性测量电路模块以及数据采集模块；其中，所述动态特性测量电路模块用于向待测器件施加电压应力；所述数据采集模块用于采集待测器件的电学参数；所述动态特性测量电路模块包括：控制信号输出电路、电压应力施加电路、钳位电路以及低压测试电路；其中，所述控制信号输出电路用于生成驱动信号，通过所述驱动信号控制所述电压应力施加电路的工作状态；所述电压应力施加电路用于对待测器件施加栅极电压应力以及漏极电压应力；所述钳位电路用于供所述数据采集模块采样待测器件的漏极与源极之间的导通电压降，获取待测器件的动态导通电阻；所述低压测试电路用于在低压下测量待测器件的导通电阻，避免了功率半导体场效应管开关后导通电阻变化，且通过多个开关过程，在避免器件温度变化的同时测量待测器件动态导通电阻的恢复时间常数。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明实施例提供的功率半导体场效应晶体管动态特性测量装置示意图；
图2为本发明实施例测量不同漏极施压时间下，处于硬开关工作状态下，器件动态导通电阻的变化的示例；
图3为本发明实施例测量不同漏极施压时间下，处于硬开关工作状态下，待测器件动态导通电阻的变化的开关波形时序图；
图4为本发明实施例测量不同漏极施压时间下，处于软开关工作状态下，待测器件动态导通电阻的变化的示例；
图5为本发明实施例测量不同漏极施压时间下，处于软开关工作状态下，待测器件动态导通电阻的变化的开关波形时序图；
图6为本发明实施例测量在软开关测试之后，待测器件动态导通电阻的恢复时间常数的示例；
图7为本发明实施例测量在软开关测试之后，待测器件动态导通电阻的恢复时间常数的开关波形时序图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供了功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置，请参照图1，该装置包括：动态特性测量电路模块1以及数据采集模块2；其中，所述动态特性测量电路模块1用于向待测器件施加电压应力；所述数据采集模块2用于采集待测器件的电学参数；
所述动态特性测量电路模块1包括：控制信号输出电路11、电压应力施加电路12、钳位电路13以及低压测试电路14；其中，所述控制信号输出电路11用于生成驱动信号，通过所述驱动信号控制所述电压应力施加电路12的工作状态；所述电压应力施加电路12用于对待测器件施加栅极电压应力以及漏极电压应力；所述钳位电路13用于供所述数据采集模块2采样待测器件的漏极与源极之间的导通电压降，获取待测器件的动态导通电阻；所述低压测试电路14用于在低压下测量待测器件的导通电阻，避免了功率半导体场效应管开关后导通电阻变化，且通过多个开关过程，在避免器件温度变化的同时测量待测器件动态导通电阻的恢复时间常数。
相较于现有技术，本发明提供了的功率半导体场效应晶体管动态导通电阻测量方案，该装置通过单刀双掷开关的切换，能够使待测器件工作在硬开关或者软开关模式，且对于两种模式，都可以通过控制晶体管S1和晶体管S2的开关，进而控制待测器件漏极的承压施压，即能够准确控制预应力的时间。且通过继电器连接到低压端，使得该电路能够在低压下通过脉冲模式测量待测器件导通电阻的恢复时间常数，同时避免了待测器件长时间开启发热严重的问题。克服了现有动态特性测量装置功能单一，不能独立控制应力的时间、大小，不能长时间表征动态导通电阻恢复过程等缺点，从而实现更高效地全面评估功率半导体场效应管的性能。
在另一实施例中，所述控制信号输出电路包括：现场可编程门阵列电路。
在另一实施例中，所述电压应力施加电路包括：高压电源Vin、单刀双掷开关SW1和晶体管Q1、晶体管S1、晶体管S2、电感L1、分压电阻R1、分压电阻R2、保护电阻R3、电流检测电阻Rs和电容C1、电容C2、电容C3；其中：
所述单刀双掷开关SW1的第二端口连接所述高压电源的正极输出端，所述单刀双掷开关SW1的第三端口连接所述分压电阻R1和R2的中间节点，所述单刀双掷开关SW1的“1”端口连接所述电感L1的一端；
需要说明的是，根据图1中，单刀双掷开关SW1有三个端口，分别是第一端口“1”、第二端口“2”以及第三端口“3”，图1中单刀双掷开关SW1标注的1、2、3端口分别表示单刀双掷开关SW1的第一端口、第二端口和第三端口。
所述电感L1的左端连接所述单刀双掷开关SW1的第一端口(也可称作单刀双掷开关SW1的“1”端口)，右端连接所述晶体管S1的漏极；
所述分压电阻R1的上端连接所述高压电源的正极输出端，下端连接所述单刀双掷开关SW1的第三端口，也可称作单刀双掷开关SW1的“3”端口；
所述分压电阻R2的上端连接所述单刀双掷开关SW1的“3”端口，下端连接所述高压电源的负极输出端；
所述保护电阻R3的上端连接所述待测器件的漏极，下端连接所述晶体管S2的漏极；
所述电流检测电阻Rs的左端连接所述高压电源的负极输出端，右端连接所述待测器件的源极；
所述电容C1的上端连接所述高压电源VBUS的正极，下端连接所述高压电源VBUS的负极；
所述电容C2的上端连接所述高压电源的正极输出端，下端连接所述单刀双掷开关SW1的“3”端口；
所述电容C3的上端连接所述单刀双掷开关SW1的“3”端口，下端连接所述高压电源的负极输出端；
所述晶体管Q1的漏极连接高压电源正极，源极连接电感右端；
所述晶体管S1的漏极连接电感的右端，源极连接待测器件的漏极；
所述晶体管S2的漏极连接R3的下端，源极连接高压电源的负极。
在另一实施例中，所述低压测试电路14通过在待测器件DUT的漏极(A节点)与源极(B节点)之间施加降低的电压应力，在低压下测量器件导通电阻，避免了功率半导体场效应管开关后导通电阻变化，且通过多个开关过程，在避免器件温度变化的同时测量待测器件动态导通电阻的恢复时间常数。
所述低压测试电路包括：继电器H1、电流检测电阻R4以及低压电源V2；其中：
所述电流检测电阻R4的左端连接待测器件的漏极，所述电流检测电阻R4的右端连接继电器H1的第三端口；
所述继电器H1的第四端口连接低压电源V2的正极，所述继电器H1的第一端口和第二端口连接所述控制信号输出电路的输出引脚5；
需要说明的是，继电器H1包括四个端口，如图1所示，分别是继电器H1的第一端口，在图1中继电器H1位置用1表示，继电器H1的第二端口，在图1中继电器H1位置用2表示，继电器H1的第三端口，在图1中继电器H1位置用3表示，继电器H1的第四端口，在图1中继电器H1位置用4表示。
所述低压电源V2的负极连接所述待测器件的源极。
在另一实施例中，所述控制信号输出电路设有5个用于连接所述电压应力施加电路进行信号传输的输出引脚，如图1中，所述控制信号输出电路11中共有5个输出引脚，分别为输出引脚1、输出引脚2、输出引脚3、输出引脚4和输出引脚5，分别形成五个驱动信号，驱动信号①、驱动信号②、驱动信号③、驱动信号④和驱动信号⑤。图1、图2、图4和图6中的①、②、③、④和⑤分别表示驱动信号①、驱动信号②、驱动信号③、驱动信号④和驱动信号⑤。另外驱动信号可以控制与之连接的晶体管或待测器件或继电器的开通与关断。
输出引脚1连接所述晶体管Q1的栅极，控制所述晶体管Q1的开通与关断；
输出引脚2连接所述晶体管S1的栅极，控制所述晶体管S1的开通与关断；
输出引脚3连接所述晶体管待测器件的栅极，控制待测器件的开通与关断；
输出引脚4连接所述晶体管S2的栅极，控制所述晶体管S2的开通与关断；
输出引脚5连接继电器H1的第一端口和继电器H1的第二端口，分别在图1中继电器H1中的“1”和“2”端口，控制继电器H1“3”和“4”端口间开通与关断。
在另一实施例中，所述钳位电路13通过将待测器件DUT的漏极(A节点)与源极(B节点)之间的导通电压降除以流经所述电阻Rs的电流，得到待测器件DUT的动态导通电阻。
所述钳位电路包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，电阻R5以及辅助电源V1；其中：
所述二极管D1的阳极连接所述二极管D2的阴极，所述二极管D1的阴极连接待测器件的漏极；
所述二极管D2的阳极连接所述电阻R5的左端，所述二极管D2的阴极连接所述二极管D3的阳极；
所述二极管D3的阳极连接所述二极管D4的阴极，所述二极管D3的阴极连接所述电阻R5的右端；
所述二极管D4的阳极连接待测器件的源极；
所述辅助电源V1的正极连接所述二极管D3的阴极，所述辅助电源V1的负极连接待测器件的源极。
在另一实施例中，所述数据采集模块包括：示波器，通过所述示波器的探头采集所述待测器件的电学参数，实现数据采集。
在另一实施例中，本实施例提供功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法，根据本申请中上述功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置实现的测量方法，通过以下步骤测量待测器件的动态导通电阻和恢复时间常数：
S11，向待测器件施加漏极电压应力；
S12，开启待测器件；
S13，获取电阻Rs两端的电流IRs、所述钳位电路中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
S21，根据公式：Ron＝(2*Vb-Va)/IRs，获得待测器件的动态导通电阻Ron；
S22，关闭晶体管S1、晶体管S2和待测器件，打开继电器H1，给待测器件漏极施加低压；
S23，打开待测器件；
S24，获取电阻R4两端的电流IR4、所述钳位电路中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
S31，根据公式：Ron＝(2*Vb-Va)/IR4，获得待测器件的动态导通电阻Ron；
S32，关闭待测器件；
S33，重复S23-S32步骤，多次测试待测器件导通电阻Ron，从多次测量结果中获取待测器件动态导通电阻的恢复时间常数。
具体的，通过以下步骤测量不同漏极施压时间下，处于硬开关工作状态下，待测器件动态导通电阻的变化，如图2所示，单刀双掷开关SW1的“1”端口连接“2”端口，晶体管Q1保持关闭状态，具体操作步骤如下：
打开晶体管S2，关闭晶体管S1，使器件漏极处于低压状态；
关闭晶体管S2，打开晶体管S1，向器件漏极施压电压应力；
打开待测器件DUT；
获取所述电阻Rs两端的电流IRs、所述钳位电路13中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
根据公式：Ron＝(2*Vb-Va)/IRs，获得待测器件的动态导通电阻Ron。
需要说明的是，对于测量待测器件DUT在承受漏极电压应力后的动态导通电阻的一个测量周期，测量内容即测量待测器件DUT在承受漏极电压应力后的动态导通电阻，具体包括应力施加阶段和动态特性测量阶段，图3为该测量方法对应的驱动波形设置。0～t0时间段，打开S2，关闭S1，使待测器件漏极处于低压状态；t0～t1为死区时间，避免S1和S2同时导通；t1～t2为施压时间，精准控制待测器件DUT漏极的承压时间。
在t2时间后，即进入双脉冲测试，两次开通待测器件，在开通期间，采集待测器件在第二次开通期间的漏极电流和漏源压降，将漏源压降Vds除以漏极电流Id即可得到待测器件的动态导通电阻；其中漏极电流Id等于流经电阻R的电流IR，所以通过采集电阻R两端的压降，通过欧姆定律可以得到流经电阻R的电流，进而得到待测器件的漏极电流，另一方面，待测器件的漏源压降是通过采集钳位电路中的Va点的电压，再减去二极管D1的导通压降得到，其中由于流经二极管D2的电流和二极管D1的电流可看作相同，因此二极管D1的导通压降等于Va-Vb，所以待测器件的漏源压降Vds＝Vb*2-Va。
在另一实施例中，可以通过以下步骤测量不同漏极施压时间下，处于软开关工作状态下，器件动态导通电阻的变化，如图4所示，单刀双掷开关SW1的“1”端口连接“3”端口，具体的操作方式如下：
打开晶体管S2，关闭晶体管S1，使器件漏极处于低压状态；
关闭晶体管S2，打开晶体管S1，向器件漏极施压电压应力；
打开晶体管Q1，给电感充电，使其电流方向从右往左；
关闭晶体管Q1，电感电流会抽取待测器件输出电容的电荷，使器件漏极电压降为0V；
打开待测器件DUT，开始测量；
获取所述电阻R两端的电流IR、所述钳位电路13中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
根据公式：Ron＝(2*Vb-Va)/IR，获得待测器件的动态导通电阻Ron。
需要说明的是，对于测量待测器件在承受漏极电压应力后的动态导通电阻的一个测量周期，测量内容即测量待测器件在承受漏极电压应力后的动态导通电阻，具体包括应力施加阶段和动态特性测量阶段，图5为该测量方法对应的驱动波形设置。0～t0时间段，打开S2，关闭S1，使器件漏极处于低压状态；t0～t1为死区时间，避免S1和S2同时导通；t1～t2为施压时间，精准控制待测器件DUT漏极的承压时间。
在t2时间，打开Q1，给电感充电，使其电流方向从右往左，随后关闭Q1，电感电流会抽取待测器件输出电容的电荷，使器件漏极电压降为0V，此时打开待测器件，使待测器件实现零电压开启，在开通期间，采集待测器件的漏极电流和漏源压降，将漏源压降Vds除以漏极电流Id即可得到待测器件的动态导通电阻；其中漏极电流Id等于流经电阻R的电流IR，所以通过采集电阻R两端的压降，通过欧姆定律可以得到流经电阻R的电流，进而得到待测器件的漏极电流，另一方面，待测器件的漏源压降是通过采集钳位电路中的Va点的电压，再减去二极管D1的导通压降得到，其中由于流经二极管D2的电流和二极管D1的电流可看作相同，因此二极管D1的导通压降等于Va-Vb，所以待测器件的漏源压降Vds＝Vb*2-Va。
在另一实施例中，可以通过以下步骤测量在软开关测试之后，待测器件DUT动态导通电阻的恢复时间常数，如图6，单刀双掷开关SW1的“1”端口连接“3”端口，具体的操作方式如下：
打开晶体管S2，关闭晶体管S1，使待测器件漏极处于低压状态；
关闭晶体管S2，打开晶体管S1，向待测器件漏极施压电压应力；
打开晶体管Q1，给电感L1充电，使其电流方向从右往左；
关闭晶体管Q1，电感电流会抽取待测器件输出电容的电荷，使器件漏极电压降为0V；
打开待测器件DUT，开始测量；
获取所述电阻Rs两端的电流IRs、所述钳位电路13中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
根据公式：Ron＝(2*Vb-Va)/IRs，获得待测器件的动态导通电阻Ron。
关闭晶体管S1、晶体管S2和待测器件，打开继电器H1，使继电器H1的“3”“4”端口导通，给待测器件漏极施加低压；
打开待测器件；
获取所述电阻R4两端的电流IR4、所述钳位电路(13)中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
根据公式：Ron＝(2*Vb-Va)/IR4，获得待测器件的动态导通电阻Ron；
关闭待测器件；
重复如下步骤：打开待测器件；获取电阻R4两端的电流IR4、所述钳位电路中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；根据公式：Ron＝(2*Vb-Va)/IR4，获得待测器件的动态导通电阻Ron；关闭待测器件，多次测试待测器件导通电阻Ron，从多次测量结果中获取待测器件动态导通电阻的恢复时间常数。
需要说明的是，对于测量待测器件在承受漏极电压应力后的动态导通电阻的一个测量周期，测量内容即测量待测器件在承受漏极电压应力后的动态导通电阻，具体包括应力施加阶段和动态特性测量阶段，图7为该测量方法对应的驱动波形设置。0～t0时间段，打开S2，关闭S1，使器件漏极处于低压状态；t0～t1为死区时间，避免S1和S2同时导通；t1～t2为施压时间，精准控制待测器件DUT漏极的承压时间。
在t2时间，打开Q1，给电感充电，使其电流方向从右往左，随后关闭Q1，电感电流会抽取待测器件输出电容的电荷，使器件漏极电压降为0V，此时打开待测器件，使待测器件实现零电压开启，在开通期间，测量待测器件导通电阻。
在完成测量之后，关闭S1，打开S2，打开继电器H1，使继电器“3”和“4”端口导通，此时器件漏极承受低压应力，对器件的动态导通电阻不会产生影响，此时不断给待测器件栅极脉冲方波信号，使器件不断开关，抑制器件发热，并反复测量器件导通电阻，得到动态导通电阻恢复曲线。
另外，本实施例提供对导通损耗进行计算，确定导通损耗，并根据与导通损耗相关的参数，降低导通损耗。
所述导通损耗的计算公式如下：
其中，P表示导通损耗，f表示开关频率，I表示漏源电流，表示漏源电流变化值的平方，Ron表示导通电阻，ton1表示完全导通时间，ton2表示关断延时时间。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (7)
1.功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置，其特征在于，包括：动态特性测量电路模块和数据采集模块；
所述动态特性测量电路模块用于向待测器件施加电压应力，进行动态导通电阻测量；所述数据采集模块用于采集待测器件的电学参数；
所述动态特性测量电路模块包括：控制信号输出电路、电压应力施加电路、钳位电路和低压测试电路；其中，所述控制信号输出电路用于生成驱动信号控制所述电压应力施加电路的工作状态；所述电压应力施加电路用于对待测器件施加漏极电压应力；所述钳位电路用于为所述数据采集模块采样待测器件的漏极与源极之间的导通电压降，获得待测器件的动态导通电阻；所述低压测试电路用于在低压下测量待测器件的导通电阻；
所述电压应力施加电路包括：高压电源Vin、单刀双掷开关SW1和晶体管Q1、晶体管S1、晶体管S2、电感L1、分压电阻R1、分压电阻R2、保护电阻R3、电流检测电阻Rs和电容C1、电容C2、电容C3；其中：
所述单刀双掷开关SW1的第二端口连接所述高压电源的正极输出端，所述单刀双掷开关SW1的第三端口连接所述分压电阻R1和R2的中间节点，所述单刀双掷开关SW1的第一端口连接所述电感L1的一端；
所述电感L1的左端连接所述单刀双掷开关SW1的第一端口，右端连接所述晶体管S1的漏极；
所述分压电阻R1的上端连接所述高压电源的正极输出端，下端连接所述单刀双掷开关SW1的第三端口；
所述分压电阻R2的上端连接所述单刀双掷开关SW1的第三端口，下端连接所述高压电源的负极输出端；
所述保护电阻R3的上端连接所述待测器件的漏极，下端连接所述晶体管S2的漏极；
所述电流检测电阻Rs的左端连接所述高压电源的负极输出端，右端连接所述待测器件的源极；
所述电容C1的上端连接所述高压电源VBUS的正极，下端连接所述高压电源VBUS的负极；
所述电容C2的上端连接所述高压电源的正极输出端，下端连接所述单刀双掷开关SW1的第三端口；
所述电容C3的上端连接所述单刀双掷开关SW1的“3”端口，下端连接所述高压电源的负极输出端；
所述晶体管Q1的漏极连接高压电源正极，源极连接电感右端；
所述晶体管S1的漏极连接电感的右端，源极连接待测器件的漏极；
所述晶体管S2的漏极连接R3的下端，源极连接高压电源的负极；
所述低压测试电路通过在待测器件的漏极与源极之间施加降低的电压应力，在低压下测量器件导通电阻；
所述低压测试电路包括：继电器H1、电流检测电阻R4以及低压电源V2；其中：
所述电流检测电阻R4的左端连接待测器件的漏极，所述电流检测电阻R4的右端连接继电器H1的第三端口；
所述继电器H1的第四端口连接低压电源V2的正极，所述继电器H1的第一端口和第二端口连接所述控制信号输出电路的输出引脚5；
所述低压电源V2的负极连接所述待测器件的源极。
2.根据权利要求1所述的功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置，其特征在于，所述控制信号输出电路包括：现场可编程门阵列电路。
3.根据权利要求1所述的功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置，其特征在于，所述控制信号输出电路设有5个用于连接所述电压应力施加电路进行信号传输的输出引脚，所述控制信号输出电路中：
输出引脚1连接所述晶体管Q1的栅极，控制所述晶体管Q1的开通与关断；
输出引脚2连接所述晶体管S1的栅极，控制所述晶体管S1的开通与关断；
输出引脚3连接所述晶体管待测器件的栅极，控制待测器件的开通与关断；
输出引脚4连接所述晶体管S2的栅极，控制所述晶体管S2的开通与关断；
输出引脚5连接继电器H1的第一端口和继电器H1的第二端口，控制继电器H1的第三端口和继电器H1的第四端口间开通与关断。
4.根据权利要求1所述的功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置，其特征在于，所述钳位电路通过将待测器件的漏极与源极之间的导通电压降除以流经所述电流检测电阻Rs的电流，得到待测器件的动态导通电阻。
5.根据权利要求1所述的功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置，其特征在于，所述钳位电路包括：二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4，电阻R5以及辅助电源V1；其中：
所述二极管D1的阳极连接所述二极管D2的阴极，所述二极管D1的阴极连接待测器件的漏极；
所述二极管D2的阳极连接所述电阻R5的左端，所述二极管D2的阴极连接所述二极管D3的阳极；
所述二极管D3的阳极连接所述二极管D4的阴极，所述二极管D3的阴极连接所述电阻R5的右端；
所述二极管D4的阳极连接待测器件的源极；
所述辅助电源V1的正极连接所述二极管D3的阴极，所述辅助电源V1的负极连接待测器件的源极。
6.根据权利要求1所述的功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置，其特征在于，所述数据采集模块包括：示波器，通过所述示波器的探头采集所述待测器件的电学参数，实现数据采集。
7.功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法，其特征在于，根据权利要求1-6任一项所述的功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征装置实现的测量方法，通过以下步骤测量待测器件的动态导通电阻和恢复时间常数：
S11，向待测器件施加漏极电压应力；
S12，开启待测器件；
S13，获取电阻Rs两端的电流IRs、所述钳位电路中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
S21，根据公式：Ron=(2*Vb-Va）/IRs，获得待测器件的动态导通电阻Ron；
S22，关闭晶体管S1、晶体管S2和待测器件，打开继电器H1，给待测器件漏极施加低压；
S23，打开待测器件；
S24，获取电阻R4两端的电流IR4、所述钳位电路中二极管D1与电阻R5之间的电压Va、二极管D1与D之间的电压Vb；
S31，根据公式：Ron=(2*Vb-Va）/IR4，获得待测器件的动态导通电阻Ron；
S32，关闭待测器件；
S33，重复S23-S32步骤，多次测试待测器件导通电阻Ron，从多次测量结果中获取待测器件动态导通电阻的恢复时间常数。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310239773.4A CN116047171B (zh) | 2023-03-14 | 2023-03-14 | 一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310239773.4A CN116047171B (zh) | 2023-03-14 | 2023-03-14 | 一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116047171A CN116047171A (zh) | 2023-05-02 |
| CN116047171B true CN116047171B (zh) | 2023-10-27 |
Family
ID=86125765
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310239773.4A Active CN116047171B (zh) | 2023-03-14 | 2023-03-14 | 一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116047171B (zh) |
Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003297932A (ja) * | 2002-03-29 | 2003-10-17 | Toshiba Corp | 半導体装置 |
| CN200976035Y (zh) * | 2006-12-07 | 2007-11-14 | 比亚迪股份有限公司 | 功率场效应晶体管静态参数的测试装置 |
| JP2014154189A (ja) * | 2013-02-11 | 2014-08-25 | Kobe Univ | 抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路 |
| WO2016117459A1 (ja) * | 2015-01-22 | 2016-07-28 | 富士電機株式会社 | 半導体素子駆動装置 |
| CN112147478A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-12-29 | 北京交通大学 | 一种宽禁带半导体功率器件参数测试平台及方法 |
| CN113125930A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-07-16 | 中山大学 | 一种用于半导体功率电子器件可靠性测试的装置 |
| CN113252987A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-08-13 | 西安众力为半导体科技有限公司 | 一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路 |
| CN214473741U (zh) * | 2021-01-26 | 2021-10-22 | 苏州爱德威电气有限公司 | 一种igbt动态性能分析仪 |
| CN215768857U (zh) * | 2021-05-13 | 2022-02-08 | 中山大学 | 一种用于测试半导体功率电子器件可靠性的装置 |
| CN114646809A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-06-21 | 北京华峰测控技术股份有限公司 | 一种氮化镓功率器件动态电阻的测试电路及测试方法 |
| CN114720769A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-07-08 | 中山大学 | 宽禁带功率半导体场效应晶体管动态特性测量装置及方法 |
| CN114740297A (zh) * | 2022-04-12 | 2022-07-12 | 湖南炬神电子有限公司 | 一种功率器件测试方法及*** |
| CN114895166A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-08-12 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） | GaN功率器件动态应力老化试验方法和*** |
| CN114935693A (zh) * | 2022-04-24 | 2022-08-23 | 湖南炬神电子有限公司 | 一种功率器件动态导通电阻的测试方法及*** |
| CN115372709A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-11-22 | 湖南炬神电子有限公司 | 一种功率器件动态导通电阻测量装置 |
-
2023
- 2023-03-14 CN CN202310239773.4A patent/CN116047171B/zh active Active
Patent Citations (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003297932A (ja) * | 2002-03-29 | 2003-10-17 | Toshiba Corp | 半導体装置 |
| CN200976035Y (zh) * | 2006-12-07 | 2007-11-14 | 比亚迪股份有限公司 | 功率场效应晶体管静态参数的测试装置 |
| JP2014154189A (ja) * | 2013-02-11 | 2014-08-25 | Kobe Univ | 抵抗変化型メモリカウンタベース読み出し回路 |
| WO2016117459A1 (ja) * | 2015-01-22 | 2016-07-28 | 富士電機株式会社 | 半導体素子駆動装置 |
| CN112147478A (zh) * | 2020-08-07 | 2020-12-29 | 北京交通大学 | 一种宽禁带半导体功率器件参数测试平台及方法 |
| CN214473741U (zh) * | 2021-01-26 | 2021-10-22 | 苏州爱德威电气有限公司 | 一种igbt动态性能分析仪 |
| CN215768857U (zh) * | 2021-05-13 | 2022-02-08 | 中山大学 | 一种用于测试半导体功率电子器件可靠性的装置 |
| CN113125930A (zh) * | 2021-05-13 | 2021-07-16 | 中山大学 | 一种用于半导体功率电子器件可靠性测试的装置 |
| CN113252987A (zh) * | 2021-07-05 | 2021-08-13 | 西安众力为半导体科技有限公司 | 一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路 |
| CN114646809A (zh) * | 2022-03-30 | 2022-06-21 | 北京华峰测控技术股份有限公司 | 一种氮化镓功率器件动态电阻的测试电路及测试方法 |
| CN114895166A (zh) * | 2022-04-01 | 2022-08-12 | 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） | GaN功率器件动态应力老化试验方法和*** |
| CN114720769A (zh) * | 2022-04-07 | 2022-07-08 | 中山大学 | 宽禁带功率半导体场效应晶体管动态特性测量装置及方法 |
| CN114740297A (zh) * | 2022-04-12 | 2022-07-12 | 湖南炬神电子有限公司 | 一种功率器件测试方法及*** |
| CN114935693A (zh) * | 2022-04-24 | 2022-08-23 | 湖南炬神电子有限公司 | 一种功率器件动态导通电阻的测试方法及*** |
| CN115372709A (zh) * | 2022-08-23 | 2022-11-22 | 湖南炬神电子有限公司 | 一种功率器件动态导通电阻测量装置 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| Low Turn-Off Loss 4H-SiC Insulated Gate Bipolar Transistor With a Trench Heterojunction Collector;YING WANG 等;《 IEEE Journal of the Electron Devices Society》;1010 - 1015 * |
| SiC MOSFET 和GaN HEMT 的导通电阻可靠性评估;蒋多晖等;《半导体技术》;936-940页 * |
| 增强型GaN功率器件的动态电阻测试及分析;李瑞;《中国优秀硕士学位论文全文数据库信息科技辑》;I135-58 * |
| 应用于高频开关电源GaN功率器件动态特性表征技术研究;赵智星等;《数据》;74-76 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116047171A (zh) | 2023-05-02 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN114720769A (zh) | 宽禁带功率半导体场效应晶体管动态特性测量装置及方法 | |
| CN109765470B (zh) | 温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法 | |
| CN111289799B (zh) | 一种GaN器件动态导通电阻测量电路 | |
| CN105811765A (zh) | 一种用于在线测量功率晶体管导通压降的电压钳位电路 | |
| CN206362890U (zh) | 电力电子开关器件结温在线监测装置、检测电路 | |
| CN112526312A (zh) | 一种igbt器件的多应力作用测试***及方法 | |
| CN113252987A (zh) | 一种GaN HEMT功率器件的动态电阻测试电路 | |
| CN111880069A (zh) | 一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测*** | |
| CN113933677B (zh) | 一种SiC MOSFET器件栅极老化监测电路及在线监测方法 | |
| CN115267466B (zh) | 一种氮化镓功率器件动态工况下特性研究的测试*** | |
| CN114740297B (zh) | 一种功率器件测试方法及*** | |
| CN113092975B (zh) | 功率mos器件的源漏击穿电压测试方法 | |
| CN116047171B (zh) | 一种功率半导体场效应晶体管动态导通电阻的表征方法及装置 | |
| CN112630544B (zh) | 一种高压SiC MOSFET漏源极间非线性电容测量及建模方法 | |
| CN115993514A (zh) | 一种SiC Mosfet阈值电压监测***及方法 | |
| CN113702824B (zh) | 一种阈值电压为负的开关器件的阈值电压测试方法及*** | |
| CN116203373B (zh) | 一种多功能半导体场效应晶体管测试电路与方法 | |
| CN110673009B (zh) | 一种用于高压下SiC MOS热阻测量的栅漏短路及栅压供给装置 | |
| CN114397553A (zh) | 一种高压、大电流高端悬浮驱动器电路测试方法 | |
| CN114895166A (zh) | GaN功率器件动态应力老化试验方法和*** | |
| CN115605769B (zh) | 用于测量氮化物基半导体器件的动态导通电阻的设备 | |
| CN220252096U (zh) | 一种测量mos器件闪烁噪声的装置 | |
| CN115469143A (zh) | 功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法 | |
| CN116449170B (zh) | 用于测试两脚器件和三脚器件的测试装置及测试方法 | |
| CN116087734B (zh) | 一种应用于GaN HEMT的高精度结温预测电路及其工作方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |