TWI764509B - 用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置及方法 - Google Patents

用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置及方法

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Abstract

一種用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置，包含一電源端、一接地端、一上側開關、一下側開關及一可調電源。該上側開關、該下側開關與該可調電源依序串接於該電源端與該接地端間，且該上側開關與該下側開關之連接點電連接一待側件之第一端，該可調電源與該接地端之連接點電連接該待側件之第二端，該上側開關與該下側開關各自受控制而切換導通狀態，以提供電壓及電流至該待側件。藉此，可以提供包括高溫工作壽命等各種測試環境，可達到較低的功率消耗、可一次進行多顆該待側件測試，並在測試頻率及占空比具有較大的可調整空間。

Description

用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置及方法
本發明是有關於一種測試裝置及方法，特別是指一種用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置及方法。
第三代半導體材料是基於寬帶隙複合材料(Wide Bandgap compound material)，以碳化矽(SiC)以及氮化鎵(GaN)為代表，由於其卓越的材料性能、高載子遷移率(carrier mobility)和高帶隙(band-gap)，例如，GaN元件的FOM比Si元件高5到10倍，這使它們具有在高電壓和高功率應用中替代Si元件的巨大潛力，而可應用在更高階的高壓功率元件以及高頻通訊元件領域。
儘管GaN元件已經通過了基於Si元件的JEDEC可靠性標準，但仍需要花費時間來建立系統現場測試的信心，並證明GaN元件在應用中的穩固性。目前，由於第三代半導體材料之元件從靜態(Static condition)到動態(Dynamic conditions)的表現不同，現有關於GaN元件之系統級可靠性(system-level reliability)測試多是著重於硬開關操作(hard switching operation)上。然而，這些已知的測試都無法預測GaN元件在各種不同應用中的壽命。
硬開關測試裝置 (Hard Switching Test Vehicle) Panasonic ( 圖1) TI ( 圖2) Transphorm ( 圖3)
設置 (Setup) LR負載 L負載 升壓轉換器 (Boost Convertor)
功率消耗 (Power consumption) 高(＞100W) 中等(＞10W) 高(400W)
多被測件( 樣本數) (Multi-DUT (sample size)) 限制 V 限制
加速靈活性 (Acceleration Flexibility) 溫度 (Temperature) V V V
電壓 (Voltage) V V V
電流 (Current) V V V
頻率 (Frequency) 限制 限制 限制
佔 空比 (Duty) 限制 限制 限制
表1
請參閱圖1、圖2、圖3及上表1，表1為Panasonic、TI、Transphorm所公布的測試裝置之列表，該等測試裝置適用於對一被測件19(Device Under Test，縮寫為DUT)進行測試。其中，Panasonic公司藉由使用RL負載下降工作之佔空比(on-duty)與限制頻率，以使系統功率可以降低至100W，然而，低至3%的工作佔空比導致無法代表系統實際運作狀態。TI公司僅使用L負載下降工作之佔空比與頻率，以得到較低的功率消耗，但同樣導致了較低的工作佔空比及頻率限制。Transphorm公司使用升壓轉換器進行測試，但其功耗高達400W，導致了單次可測試樣本數的限制。
因此，本發明之目的，即在提供一種可解決上述問題的用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置。
於是，本發明用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置，適用於對一待側件進行測試，該待側件至少包括一第一端及一第二端，該通用開關操作裝置包含一電源端、一接地端、一上側開關、一下側開關，及一可調電源。
該上側開關、該下側開關與該可調電源依序串接於該電源端與該接地端間，且該上側開關與該下側開關之連接點適用於電連接該待側件之第一端，該可調電源與該接地端之連接點適用於電連接該待側件之第二端，該上側開關與該下側開關各自受控制而切換導通狀態，以提供電壓及電流至該待側件。
因此，本發明之目的，即在提供一種可解決上述問題的用以測試元件動態特性之通用開關操作方法。
於是，本發明用以測試元件動態特性之通用開關操作方法，適用於如上述的通用開關操作裝置，並包含下列步驟：
(A)控制切換該上側開關之導通狀態，並控制切換該下側開關之導通狀態，使該下側開關之導通狀態實質上反向於該上側開關之導通狀態。
(B)控制切換該待側件之導通狀態，使該待側件之導通狀態實質上跟隨該下側開關之導通狀態。
本發明之功效在於：藉由設置該通用開關操作裝置，並搭配該通用開關操作方法，可以提供包括高溫工作壽命等各種測試環境，並且，可以達到較低的功率消耗、可一次進行多顆該待側件測試，並在測試頻率及占空比具有較大的可調整空間。
在本發明被詳細描述前，應當注意在以下的說明內容中，類似的元件是以相同的編號來表示。
參閱圖4，本發明用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置之一實施例，適用於對一待側件9進行測試，該待側件9可為一電晶體(transistor)，包括一第一端91(汲極，Drain)、一第二端92(源極，Source)及一控制端93(閘極，Gate)，或如圖6為一整流二極體(rectifier diode)，包括一第一端91(陰極端，Cathode) ，及一第二端92(陽極端，Anode)。
參閱圖4，該通用開關操作裝置包含一電源端Vdd、一接地端Gnd，及依序串接於該電源端Vdd與該接地端Gnd間的一上側開關21、一下側開關22與一可調電源3。該通用開關操作裝置較佳是還包含一量測電阻41、一量測電容42、一電容模組5，及一負載電阻6。
該上側開關21具有一經該負載電阻6電連接該電源端Vdd的第一端211(汲極，Drain)、一電連接該待側件9之第一端91的第二端212(源極，Source)，及一控制端213(閘極，Gate)，該控制端213接收一上控制信號而使該第一端211與該第二端212間導通及不導通。
該下側開關22具有一電連接該上側開關21之第二端212的第一端221(汲極，Drain)、一第二端222(源極，Source)及一控制端223(閘極，Gate)，該控制端223接收一下控制信號而使該第一端221與該第二端222間導通及不導通。
該上側開關21與該下側開關22皆為開關元件，各自受控制而切換導通狀態，以提供電壓及電流至該待側件9。該上側開關21與該下側開關22較佳是使用SiC材料製作的MOSFET元件，該等開關元件之選擇重點在於其開關速度需要能跟上第三代半導體材料(例如，GaN)之應用電壓及開關速度(例如，800V、500kHz)。
該可調電源3具有一電連接該下側開關22之第二端222且作為供電正端的第一端31，及一電連接該接地端Gnd且作為供電負端的第二端32。該可調電源3可使用一電源供應器(power supply)實施。藉由設置該可調電源3，可以測量該待側件9的導通電流(conduction current)。
該量測電容42並聯於該可調電源3，其作用在於搭配該電源供應器，而形成一可提供快速變化之電流的理想(ideal)電源。
該量測電阻41電連接於該待側件9之第二端92與該接地端Gnd間，其作用在於搭配一示波器(圖未示)進行量測時，可以提供該示波器作為量測該待側件9之一測試電流It之感測元件，即，可提供該示波器藉由量測該量測電阻41之電壓而得知該測試電流It。
該電容模組5之兩端分別電連接該電源端Vdd與該上側開關21的第二端212，並包括並聯的一負載電容51及一負載二極體52。其中，該電容模組5用以提供電容以調整該測試電流It的峰值(peak)，可使用單一個負載電容51、或單一個負載二極體52，或兩者之並聯組合實施。其中，該負載二極體52較佳是使用蕭特基二極體(Schottky diode)實施，以獲得較快的切換速度及較低的導通電壓。
該負載電阻6電連接於該電源端Vdd與該上側開關21之第一端211間，其電阻值用以控制該待側件9的關閉速度(turn-off speed)，電阻值越低，則關閉速度越高。
參閱圖4、圖7及圖8，本發明用以測試元件動態特性之通用開關操作方法，適用於如上述的通用開關操作裝置，並包含下列步驟：
步驟71：輸出該上控制信號控制切換該上側開關21之導通狀態，並輸出該下控制信號控制切換該下側開關22之導通狀態，使該下側開關22之導通狀態實質上反向於該上側開關21之導通狀態。
於本實施例中，由於該上側開關21與該下側開關22皆為N型MOSFET，因此，是藉由使該下控制信號基本上反向於該上控制信號，而達到使該下側開關22之導通狀態實質上反向於該上側開關21之導通狀態。
步驟72：控制切換該待側件9之導通狀態，使該待側件9之導通狀態實質上跟隨該下側開關22之導通狀態。
該通用開關操作方法較佳還包含下列步驟：
步驟73：調整該可調電源3輸出之電壓值。
其中，於實際測試時，可漸次調整該可調電源3之大小並進行步驟71、72之測試，如此，可提供能逐階增加該待側件9的導通電流大小之測試環境。
本實施例藉由上述架構，可以提供各種測量環境，以下分別敘述：
1. 電晶體之硬開關(Hard switching) 及順向導通(Forward conduction)之測試環境：
如圖4、圖7及圖8所示，於此測試環境中，使該可調電源3之正端電連接至該下側開關22，該可調電源3之負端電連接至該接地端Gnd(即，使該電源供應器提供正電壓)。
其中，該示波器適用於量測該待側件9之第一端91與該第二端92的電壓差作為一測試電壓Vt，此處該測試電壓Vt即為該待側件9的汲極-源極電壓(Vds)，該測試電流It即為該待側件9的汲極-源極電流(Ids)。
其中，於步驟71中，輸出該下控制信號以控制該下側開關22於該上側開關21切換至不導通後再切換為導通，並於該上側開關21切換至導通時切換為不導通。
於步驟72中，輸出一測試信號至該待側件9之控制端93，以控制該待側件9於該上側開關21切換至不導通後、且該下側開關22切換為導通前切換為導通，並於該上側開關21切換至導通時切換為不導通。
於此測試環境中，適用於測試關閉狀態(Off-state)、硬開關導通(HSW turn-on)、動態導通電阻(Rdson)、動態臨界電壓(Vth)、暫態關閉(turn-off transient)等參數表現。
2. 電晶體之軟開關(Soft switching)及順向導通之測試環境：
請參閱圖4、圖7及圖9，此測試環境基本相同於上述電晶體之硬開關及順向導通之測試環境，其差異在於：
於步驟72中，輸出該測試信號至該待側件9之控制端93，以控制該待側件9於該上側開關21切換至不導通後、且該下側開關22切換為導通後切換為導通，並於該上側開關21切換至導通時切換為不導通。
於此測試環境中，同樣適用於測試關閉狀態(Off-state)、硬開關導通(HSW turn-on)、動態導通電阻(Rdson)、動態臨界電壓(Vth)、暫態關閉(turn-off transient)等參數表現。
3. 電晶體之軟開關及反向導通(reverse conduction)之測試環境：
請參閱圖5、圖7及圖10，於此測試環境中，使該可調電源3之負端電連接至該下側開關22，該可調電源3之正端電連接至該接地端Gnd(即，使該電源供應器提供負電壓)。
其中，該示波器適用於量測該待側件9之第一端91與該第二端92的電壓差作為該測試電壓Vt，此處該測試電壓Vt為該待側件9的汲極-源極電壓(Vds)，該測試電流It即為該待側件9的源極-汲極電流(Isd)。
其中，於步驟71中，輸出該下控制信號以控制該下側開關22於該上側開關21切換至不導通後再切換為導通，並於該上側開關21切換至導通時切換為不導通。
於步驟72中，輸出該測試信號至該待側件9之控制端93，以控制該待側件9於該上側開關21切換至不導通後、且該下側開關22切換為導通後切換為導通，並於該上側開關21切換至導通時切換為不導通。
於此測試環境中，適用於測試動態導通電阻(Rsdon)、動態臨界電壓(Vth)、動態導通電壓(Vsd)、關閉狀態(Off-state)、軟開關導通(ZVS turn-on)等參數表現。
4. 整流二極體之軟開關及順向導通之測試環境：
請參閱圖6、圖7及圖11，於此測試環境中，使該可調電源3之負端電連接至該下側開關22，該可調電源3之正端電連接至該接地端Gnd(即，使該電源供應器提供負電壓)。並且，此處該待側件9為整流二極體，該第一端91為陰極端，該第二端92為陽極端。
其中，於步驟71中，輸出該下控制信號以控制該下側開關22於該上側開關21切換至不導通後再切換為導通，並於該上側開關21切換至導通時切換為不導通。
於此測試環境中，適用於測試動態順向電壓(V F)、動態逆回復時間(reverse recovery time，縮寫為Trr)、動態逆回復電荷(reverse recovery charge，縮寫為Qrr)、反向狀態(Reverse)、順向暫態(Forward transient)等參數表現。
由於本領域中具有通常知識者根據以上說明可以推知相關測試的擴充細節，因此不多加說明。
經由以上的說明，本實施例的功效如下：
藉由設置該通用開關操作裝置，並搭配該通用開關操作方法，可以提供電壓及電流至該待側件9以進行測試，並且，由圖8~圖11之該測試電流It可以看出，該待側件9導通時之該測試電流It是由低壓的該可調電源3提供而非由高壓的該電源端Vdd提供，因此，相較於習知技術，本實施可以達到較低的功率消耗，所以可以一次進行多顆該待側件9的測試，且無須擔心較大的電流會導致系統損耗功率隨電流線性增加。並且，由於本實施例並無使用L負載，因此，相較於習知技術，本實施例在測試頻率及占空比亦具有較大的可調整空間。藉此，本實施例可以提供高溫工作壽命(High-temperature operating life，縮寫為HTOL)的類系統壓力狀態(System-like stress condition)、加速測試的靈活性(Flexibility of acceleration test)(可調整溫度、電壓、電流、頻率和占空比)、較低的功耗、較高的測試樣品數，並且，還具有易於設置及控制的優點。
綜上所述，本發明用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置及方法，確實能達成本發明的目的。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
21:上側開關 211:第一端 212:第二端 213:控制端 22:下側開關 221:第一端 222:第二端 223:控制端 3:可調電源 31:第一端 32:第二端 41:量測電阻 42:量測電容 5:電容模組 51:負載電容 52:負載二極體 6:負載電阻 71~73:步驟 9:待側件 91:第一端 92:第二端 93:控制端 Vdd:電源端 Gnd:接地端 Vt:測試電壓 It:測試電流
本發明之其他的特徵及功效，將於參照圖式的實施方式中清楚地呈現，其中： 圖1~圖3分別為Panasonic、TI、Transphorm公司的測試裝置之電路圖； 圖4為本發明用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置的一實施例的一電路圖； 圖5、圖6為該實施例於不同應用時的變化樣態； 圖7為本發明用以測試元件動態特性之通用開關操作方法之一實施例的一流程圖； 圖8~圖10為該實施例於不同之測試環境所提供之一上控制信號、一下控制信號、一測試信號，及所量測之一測試電流與一測試電壓的波形示意圖；及 圖11為該實施例於一整流二極體之測試環境所提供之一上控制信號、一下控制信號，及所量測之一測試電流與一測試電壓的波形示意圖。
21:上側開關
211:第一端
212:第二端
213:控制端
22:下側開關
221:第一端
222:第二端
223:控制端
3:可調電源
31:第一端
32:第二端
41:量測電阻
42:量測電容
5:電容模組
51:負載電容
52:負載二極體
6:負載電阻
9:待側件
91:第一端
92:第二端
93:控制端
Vdd:電源端
Gnd:接地端
Vt:測試電壓
It:測試電流

Claims (11)

  1. 一種用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置，適用於對一待側件進行測試，該待側件至少包括一第一端及一第二端，該通用開關操作裝置包含：一電源端及一接地端；一上側開關、一下側開關，及一可調電源，依序串接於該電源端與該接地端間，且該上側開關與該下側開關之連接點適用於電連接該待側件之第一端，該可調電源與該接地端之連接點適用於電連接該待側件之第二端，該上側開關與該下側開關各自受控制而切換導通狀態，以提供電壓及電流至該待側件。
  2. 如請求項1所述的用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置，還包含一電容模組，該上側開關包括一電連接該電源端的第一端，及一電連接該下側開關的第二端，並受控制而切換該第一端與該第二端間導通或不導通，該電容模組之兩端分別電連接該電源端與該上側開關的第二端。
  3. 如請求項2所述的用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置，還包含一串接於該電源端與該上側開關之第一端間的負載電阻。
  4. 如請求項2所述的用以測試元件動態特性之通用開關操作裝置，其中，該電容模組為一電容、一二極體，或兩者之並聯組合。
  5. 如請求項1所述的用以測試元件動態特性之通用開關操 作裝置，還包含一並聯於該可調電源的量測電容，及一電連接於該待側件之第二端與該接地端間的量測電阻。
  6. 一種用以測試元件動態特性之通用開關操作方法，適用於如請求項1至5中任一項所述的通用開關操作裝置，並包含下列步驟：(A)控制切換該上側開關之導通狀態，並控制切換該下側開關之導通狀態，使該下側開關之導通狀態反向於該上側開關之導通狀態；及(B)控制切換該待側件之導通狀態，使該待側件之導通狀態跟隨該下側開關之導通狀態。
  7. 如請求項6所述的用以測試元件動態特性之通用開關操作方法，還包含下列步驟：(C)調整該可調電源輸出之電壓值。
  8. 如請求項6所述的用以測試元件動態特性之通用開關操作方法，還包含下列步驟：(D)使該可調電源之正端電連接至該下側開關，該可調電源之負端電連接至該接地端；其中：於步驟(A)中，控制該下側開關於該上側開關切換至不導通後再切換為導通，並於該上側開關切換至導通時切換為不導通；於步驟(B)中，輸出一測試信號以控制該待側件於該上側開關切換至不導通後、且該下側開關切換為導通前切換為導通，並於該上側開關切換至導通時切換為不導 通。
  9. 如請求項6所述的用以測試元件動態特性之通用開關操作方法，還包含下列步驟：(D)使該可調電源之正端電連接至該下側開關，該可調電源之負端電連接至該接地端；其中：於步驟(A)中，控制該下側開關於該上側開關切換至不導通後再切換為導通，並於該上側開關切換至導通時切換為不導通；於步驟(B)中，輸出一測試信號以控制該待側件於該上側開關切換至不導通後、且該下側開關切換為導通後切換為導通，並於該上側開關切換至導通時切換為不導通。
  10. 如請求項6所述的用以測試元件動態特性之通用開關操作方法，還包含下列步驟：(E)使該可調電源之負端電連接至該下側開關，該可調電源之正端電連接至該接地端；其中：於步驟(A)中，控制該下側開關於該上側開關切換至不導通後再切換為導通，並於該上側開關切換至導通時切換為不導通。
  11. 如請求項10所述的用以測試元件動態特性之通用開關操作方法，其中：於步驟(B)中，輸出一測試信號以控制該待側件於該 上側開關切換至不導通後、且該下側開關切換為導通後切換為導通，並於該上側開關切換至導通時切換為不導通。
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