前言
為實(shí)現(xiàn)我國(guó)的‘碳達(dá)峰、碳中和’目標(biāo)，電氣化替代成為關(guān)鍵策略。
通過(guò)功率半導(dǎo)體，我們構(gòu)建了高效、可控的能源網(wǎng)絡(luò)，降低能耗和碳排放。功率半導(dǎo)體在計(jì)算機(jī)、交通、消費(fèi)電子和汽車(chē)電子等行業(yè)的應(yīng)用也逐漸廣泛。
隨著新能源的快速增長(zhǎng)，新能源汽車(chē)、風(fēng)電和光伏等領(lǐng)域?qū)β拾雽?dǎo)體的需求將大幅增加。
半導(dǎo)體材料已經(jīng)歷經(jīng)三個(gè)發(fā)展階段：
由此可見(jiàn)，第三代半導(dǎo)體在高壓、高頻、高速和低阻方面展現(xiàn)出了顯著優(yōu)勢(shì)，其擊穿電壓在某些應(yīng)用中甚至能夠達(dá)到1200-1700V。這些特點(diǎn)為其帶來(lái)了一系列新的特性：
A：極低的內(nèi)部電阻，與同類(lèi)型硅器件相比，效率提高了70%；
B：低電阻有助于改善熱性能，提高最高工作溫度，優(yōu)化散熱，從而實(shí)現(xiàn)更高的功率密度；
C：散熱的優(yōu)化還使得封裝更簡(jiǎn)潔，尺寸和重量大大減少；
D：其極短的關(guān)斷時(shí)間使得器件能在高開(kāi)關(guān)頻率下工作，且工作溫度更低。
這些特性在功率器件，尤其是MOSFET和IGBT上的應(yīng)用最為廣泛。
其中，功率器件以MOSFET、IGBT為代表，兩者均為電壓控制電流型功率開(kāi)關(guān)器件，MOSFET優(yōu)點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)速度快、工作頻率高，IGBT是由BJT和MOSFET組合成的復(fù)合器件，兼具兩者的優(yōu)點(diǎn)：速度快、能耗低、體積小、而且大功率、大電流、高電壓。
MOSFET以柵極（G）極電壓控制MOSFET開(kāi)關(guān)，當(dāng)VGS電壓大于閾值電壓VGS(th) 時(shí)，MOSFET導(dǎo)通。
IGBT同樣以柵極（G）極電壓控制IGBT開(kāi)關(guān)，當(dāng)VGE電壓大于閾值電壓VGE(th) 時(shí)，IGBT導(dǎo)通。
因此，在第三代半導(dǎo)體高速發(fā)展的同時(shí)，測(cè)量技術(shù)也面臨全面升級(jí)，特別是高電壓、大電流、高頻率測(cè)試，以及電容特性（CV）特性。
本方案用于解決MOSFET、IGBT單管器件、多個(gè)器件、模組器件的CV特性綜合解決。
在了解本方案之前，需先了解寄生電容、CV特性、柵極電阻Rg測(cè)試技術(shù)。
一、功率器件的米勒效應(yīng)、CV特性
1、MOS管的寄生電容
以臺(tái)灣育碧VBZM7N60為例MOS管具有三個(gè)內(nèi)在的寄生電容：Cgs、Cgd、Cds以及柵極電阻Rg。
三個(gè)等效電容是構(gòu)成串并聯(lián)組合的關(guān)系，它們并不是獨(dú)立的，而是相互影響，其中一個(gè)關(guān)鍵電容就是米勒電容Cgd。這個(gè)電容不是恒定的，它隨著柵極和漏極間電壓變化而迅速變化，同時(shí)會(huì)影響柵極和源極電容的充電。
規(guī)格書(shū)上對(duì)上述三個(gè)電容的CV特性描述為：在給定的工作條件下，這三個(gè)電容的電容值會(huì)隨著VDS電壓的增加而呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。
2、MOS管的米勒效應(yīng)
理想的MOS管驅(qū)動(dòng)波形應(yīng)是方波，當(dāng)Cgs達(dá)到門(mén)檻電壓之后， MOS管就會(huì)進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。實(shí)際上在MOS管的柵極驅(qū)動(dòng)過(guò)程中，由于米勒效應(yīng)，會(huì)存在一個(gè)米勒平臺(tái)。米勒平臺(tái)實(shí)際上就是MOS管處于“放大區(qū)”的典型標(biāo)志，所以導(dǎo)致開(kāi)通損耗很大。
3、寄生電容、CV特性、柵極電阻Rg測(cè)試技術(shù)
由前述知識(shí)可見(jiàn)，功率器件的寄生電容的測(cè)試，需要滿(mǎn)足下列幾點(diǎn)：
①由于寄生電容基本在pF級(jí)別至nF級(jí)別，測(cè)試頻率至少需要100kHz-1MHz，這些可由參數(shù)表找到；
②測(cè)試寄生電容時(shí)，用于測(cè)試的LCR或者阻抗分析儀至少需要2路直流電源，其中VDS需要電壓很高，由幾十V至幾百V，第三代半導(dǎo)體功率器件甚至需要幾千V；
③參數(shù)表中CV特性曲線(xiàn)，需要可變的VDS，因此DS電壓源需要可調(diào)電源。
具體幾個(gè)寄生電容極柵極電阻測(cè)試原理如下：
二、半導(dǎo)體功率器件CV特性測(cè)試痛點(diǎn)
現(xiàn)今，市場(chǎng)上功率器件CV特性測(cè)試儀器，普遍存在下列痛點(diǎn)：
1、進(jìn)口設(shè)備
進(jìn)口設(shè)備功能全、一體化集成度高、測(cè)試準(zhǔn)確，但是有如下缺點(diǎn)：
a) 價(jià)格昂貴，動(dòng)則幾十萬(wàn)甚至上百萬(wàn)的價(jià)格，一般企業(yè)很難承受。
b) 操作繁瑣，集成了太多功能加上大多英文化的操作界面，對(duì)于用戶(hù)操作并不友好。
c) 測(cè)試效率低，一臺(tái)設(shè)備可能完成動(dòng)態(tài)特性、靜態(tài)特性的全部測(cè)試，但是接線(xiàn)復(fù)雜、操作難度大，測(cè)試結(jié)果用時(shí)較長(zhǎng)， 測(cè)試效率無(wú)法保障。
2、國(guó)產(chǎn)設(shè)備
在進(jìn)口設(shè)備無(wú)法滿(mǎn)足用戶(hù)測(cè)試需求的情況下，國(guó)產(chǎn)設(shè)備應(yīng)運(yùn)而生，以相對(duì)功能單一、操作方便、價(jià)格低廉快速占領(lǐng)了一部分市場(chǎng)，但是，這些設(shè)備同樣也有如下缺點(diǎn)：
a） 體積龐大，大多數(shù)國(guó)產(chǎn)設(shè)備，由于沒(méi)有專(zhuān)業(yè)的電容測(cè)試經(jīng)驗(yàn)，通常是用幾臺(tái)電源、一臺(tái)LCR、工控機(jī)或者PLC、機(jī)箱、 測(cè)試工裝等組合而成，因此體積過(guò)大，無(wú)法適用于自動(dòng)化產(chǎn)線(xiàn)快速生產(chǎn)。
b） 漏源電壓VDS過(guò)低，大多最高只能達(dá)到1200V左右，已無(wú)法滿(mǎn)足第三代半導(dǎo)體功率器件測(cè)試需求。
c） 測(cè)量精度低，由于缺乏專(zhuān)業(yè)電容測(cè)量經(jīng)驗(yàn)，加上過(guò)多的轉(zhuǎn)接，導(dǎo)致電容特別是pF級(jí)別的小電容無(wú)法達(dá)到合適的測(cè)量精度。
d） 測(cè)試效率低，同樣由于組合儀器過(guò)多，加上需用工控機(jī)或PLC控制過(guò)多儀器，導(dǎo)致測(cè)試單個(gè)器件時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
e） 擴(kuò)展性差，由于設(shè)備過(guò)多，各種儀器不同的編程協(xié)議，很難開(kāi)放第三方接入以集成至客戶(hù)產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)化測(cè)試整體方案中。
三、同惠半導(dǎo)體功率器件CV特性解決方案
針對(duì)當(dāng)前測(cè)試痛點(diǎn)，同惠電子作為國(guó)產(chǎn)器件測(cè)量?jī)x器頭部企業(yè)，責(zé)無(wú)旁貸的擔(dān)負(fù)起進(jìn)口儀器國(guó)產(chǎn)化替代的責(zé)任，本著為客戶(hù)所想、為客戶(hù)分憂(yōu)的精神，契合市場(chǎng)熱點(diǎn)及需求，及時(shí)推出了針對(duì)半導(dǎo)體功率器件CV特性的一體化、系列化解決方案。
單管或者多個(gè)MOSFET、IGBT測(cè)試解決方案
單管器件或者多個(gè)單管器件測(cè)試相對(duì)簡(jiǎn)單，同惠提供了TH510系列半導(dǎo)體C-V特性分析儀即可滿(mǎn)足基本測(cè)試要求。TH510系列半導(dǎo)體半導(dǎo)體C-V特性分析儀基本情況如下：
四、多芯器件或模組MOSFET、IGBT測(cè)試方案
多芯器件、模組器件由于內(nèi)部集成多個(gè)MOSFET、IGBT芯片，而且內(nèi)部電路比較復(fù)雜，因此，測(cè)試相對(duì)復(fù)雜。
由上圖可見(jiàn)，部分多芯器件、模組器件由于腳位眾多、核心多、有貼片封裝、異形封裝等，如果用單機(jī)去測(cè)試，接線(xiàn)都很困難，而要完成整顆器件測(cè)試更是難上加難。因此，同惠為此開(kāi)發(fā)了針對(duì)模組式器件的測(cè)試系統(tǒng)：
整套系統(tǒng)基于TH510系列半導(dǎo)體CV特性分析儀，加上定制工裝、上位機(jī)軟件等組成了一套完整的測(cè)試、數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。
綜上所述，同惠功率器件CV特性測(cè)試解決方案為半導(dǎo)體測(cè)試帶來(lái)了一個(gè)精準(zhǔn)、高效、穩(wěn)定的測(cè)試選擇。未來(lái)，隨著技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，我們同惠將繼續(xù)為行業(yè)帶來(lái)更多的創(chuàng)新與突破，助力國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體行業(yè)的飛速發(fā)展。
