碳化硅功率器件
碳化硅功率器件作為新一代功率半導體器件,，以其優(yōu)異的特性獲得了廣泛的應用，同時也對其動態(tài)特性測試帶來了挑戰(zhàn),，現(xiàn)階段存在的主要問題有以下三點：
一點是,，每個人都在講碳化硅器件動態(tài)特性測試很難，但動態(tài)特性到底包含哪些,，測試難點是什么,？并沒有被系統(tǒng)地梳理過，也沒有形成行業(yè)共識,。
第二點是,，得到的測試結(jié)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(tài)特性還不夠了解,，不具備解讀測試結(jié)果的能力,。
第三點是，芯片研發(fā),、封裝設(shè)計與測試,、系統(tǒng)應用等各個環(huán)節(jié)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(jié)果能發(fā)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(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)速度造成負面影響。
Part.1
我們先對碳化硅器件動態(tài)特性進行簡單的定義和介紹,。
提到動態(tài)特性,，大家的一反應一定是開關(guān)特性，這確實是功率器件的傳統(tǒng)核心動態(tài)特性,。由于其是受到器件自身參數(shù)影響的,，故器件研發(fā)人員可以根據(jù)開關(guān)波形評估器件的特性，并有針對性地進行優(yōu)化,。另外,，電源工程師還可以基于測試結(jié)果對驅(qū)動電路和功率電路設(shè)計進行評估和優(yōu)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,。同樣的，器件研發(fā)人員和電源工程師都需要根據(jù)串擾測試結(jié)果進行下一步工作,。SiC MOSFET的開關(guān)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(fā)揮其高開關(guān)速度的主要障礙之一,。同時,，串擾問題是開關(guān)過程的產(chǎn)物。所以我們認為串擾特性應該算作碳化硅器件動態(tài)特性的一部分,，這樣既能體現(xiàn)開關(guān)過程的影響,，又能體現(xiàn)現(xiàn)階段碳化硅器件相對于硅器件的特殊性。
在整流輸出和MOS-Diode橋式電路中往往都會出現(xiàn)SiC Diode或SiC MOSFET體二極管的反向恢復過程,，發(fā)生反向恢復也是與開關(guān)過程伴生的,，也是功率二極管的傳統(tǒng)核心動態(tài)特性。
綜上所述,，碳化硅器件的動態(tài)特性應該包含開關(guān)特性,、串擾特性和反向恢復特性三個部分。
剛才我們提到,，串擾和反向恢復是與開關(guān)過程伴生的,，這也就意味著，碳化硅動態(tài)特性的三個部分可以采用統(tǒng)一的測試方法,，即雙脈沖測試,。
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,?？梢钥吹剑?qū)動電路向QL發(fā)送雙脈沖控制信號，各個波形都呈現(xiàn)出兩個脈沖的形態(tài),，故稱之為雙脈沖測試,。QL在t2時刻開通，t3時刻關(guān)斷,，此時可以觀測到QL的關(guān)斷過程和QH的關(guān)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(guān)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(guān)斷波形，可以獲得很多開關(guān)特性的參數(shù),，包括：開關(guān)延時,、開關(guān)時間、開關(guān)能量,、開關(guān)速度,、開通電流尖峰、關(guān)斷電壓尖峰,。
根據(jù)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(jù)需求和實際應用情況選擇即可,。
開關(guān)特性受到多方面因素的影響,，包括器件參數(shù)、外圍電路和工況,，這里就不再詳細展開了,。但這一點對我們有兩點啟發(fā)：一是，器件研發(fā)人員可以將開關(guān)過程測試結(jié)果和器件其他參數(shù)綜合在一起進行評估,，對器件參數(shù)的優(yōu)化有指導意義,；第二是，即使是同一型號的器件,，其開關(guān)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(jié)果差異很大，往往與規(guī)格書上的數(shù)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(shù)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(guān)特性一樣,，有四種反向恢復特性測試電路,，器件參數(shù)、外圍電路和工況也同樣會影響其反向恢復特性的測試結(jié)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(shù)是串擾正向和負向尖峰,。由于串擾只發(fā)生在MOS-MOS半橋電路中,，故只有兩種測試電路，與開關(guān)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(shù),、外圍電路和工況的影響。
Part.2
剛才我們提到,，現(xiàn)階段遇到的一個難題是“如何判斷測試結(jié)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(tài)特性測試的場景非常多：在器件廠商,，在進行產(chǎn)品調(diào)研分析,、工程樣品驗證、規(guī)格書制作時需要測試,；在封裝廠商,，在進行封裝設(shè)計、出廠測試,、裸片篩選時需要測試,；在系統(tǒng)應用廠商，在進行來料檢測,、器件認證,、器件選型、損耗計算,、驅(qū)動設(shè)計,、功能調(diào)試時需要測試；在科研機構(gòu),，無論是做器件研究還是應用研究,，也都需要進行測試,。可以說,，碳化硅器件的動態(tài)特性測試橫跨產(chǎn)業(yè)和學術(shù)領(lǐng)域,、涵蓋器件產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)、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,。
在針對每一個測試需求給出對測試結(jié)果的要求之前，我們先回到測量的本質(zhì)要求,，即準確度和精準度,。
測試結(jié)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,，則精準度越高,。按照準確度和精準度，可分為四種情況,。低準確度,、低精準度和高準確度、低精準度的測試結(jié)果毫無價值,；低準確度,、高精準度比較容易達到，這樣的測試結(jié)果適合用于考察器件的一致性,；高準確度,、高精準度的測試結(jié)果可用于器件特性分析、損耗計算,、封裝設(shè)計,、串擾抑制研究。
在關(guān)注動態(tài)過程時,，準確度的優(yōu)先級更高,；在關(guān)注器件參數(shù)一致性時，精準度的優(yōu)先級更高,。研發(fā),、應用、生產(chǎn)對動態(tài)測試的要求依次從高到低降低,。
根據(jù)前面的分析,，表格中給出了各產(chǎn)業(yè)環(huán)節(jié)中的不同測試場景需要進行的碳化硅器件動態(tài)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(fā),、功率模塊設(shè)計以及學術(shù)研究時,，非常關(guān)注動態(tài)特性的過程，對波形的形態(tài)和幅值斤斤計較,，故要求高,，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(wěn)定、偏差很固定,，測試結(jié)果在給定的范圍內(nèi)即可,，其要求低，精準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
接下來我們一起看看測試技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)
雙脈沖測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很簡單，主要部件包括測試電路,、負載電感,、信號發(fā)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(shù)的挑戰(zhàn)都可以轉(zhuǎn)化為對測試系統(tǒng)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(huán)節(jié)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(guān)斷電壓尖峰超過器件電壓等級,、器件誤導通,、出現(xiàn)不符合理論的震蕩等等現(xiàn)象。
這就需要測試電路在以下幾點進行優(yōu)化：主功率回路電感需要盡量小,，以免關(guān)斷電壓尖峰超過器件耐壓值而導致器件損壞,；驅(qū)動回路電感需要盡量小，以免發(fā)生不必要的驅(qū)動波形震蕩,；驅(qū)動電路需要能夠方便地進行改變參數(shù),，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(lián)電容?。荒妇€電容需要控制在合理范圍內(nèi),。
測量儀器的作用是獲取被測器件上所關(guān)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(jié)果滿足此時測試需求對測試結(jié)果的要求。因為是沒有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(guān)速度的需求,。測量上橋臂器件驅(qū)動波形時,，采用高壓差分探頭測得的結(jié)果呈現(xiàn)出欠阻尼和過阻尼的狀態(tài)，只有采用光隔離探頭才得到方波狀驅(qū)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(qū)動波形。
另外一個沒有形成共識,，但受到大家關(guān)注的就是雙脈沖測試參數(shù)如何設(shè)定,。不同規(guī)格的器件，測試條件不同,，參數(shù)設(shè)定自然不同,，但依然可以提出一些原則。
雙脈沖型號寬度有一脈寬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結(jié)束,，以能夠完整觀測波形，且不影響接下來的動態(tài)過程,。一脈寬τ1的上限制約條件是母線電壓跌落小,，器件自發(fā)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(nèi)。第二脈寬τ3的上限制約條件是電流不會過高導致關(guān)斷電壓尖峰過高,。
這里需要注意的是,，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(xù)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，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(shù)的過程會比較復雜。
Part.4
一個問題是有關(guān)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(shù)的影響。
SiC MOSFEF分立器件常見的封裝形式是TO-247-4PIN和TO-247-3PIN,，通過其內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖可以看出,，兩者的差異是TO-247-4PIN有一根專用于驅(qū)動的KS引腳，實現(xiàn)了主功率回路和驅(qū)動回路的解耦,，而TO-247-3PIN是主功率回路和驅(qū)動回路共用S引腳,。
在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(nèi)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(qū)動波形,，是真正有用的信號,，VGS(M)是我們能測得的結(jié)果,，它們之間存在寄生參數(shù)，VDS和VDS(M)同理,。而驅(qū)動電流IG,、負載電流IDS會在這些寄生參數(shù)上產(chǎn)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(gòu)成了測量結(jié)果。
可以很容易得到測量值與真實值之間的關(guān)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(shù)的影響的不同在于,，TO-247-3PIN器件電壓測量結(jié)果會受到IDS在S極封裝寄生電感上產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(nèi)部結(jié)構(gòu)?？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(lián)的芯片之間發(fā)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(jié)果中。
先來看一下寄生參數(shù)對開關(guān)特性的影響,。實線為芯片上真實值,，虛線為測量結(jié)果，可以看到實線和虛線具有明顯差異,。
在開關(guān)過程之初,，VGS虛線測量結(jié)果在一開始呈現(xiàn)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(jié)果超過閾值電壓時，仍然沒有電流流過；在關(guān)斷過程,，當VGS虛線測量結(jié)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(jié)果的錯誤,。而對于TO-247-3PIN器件，VGS虛線測量結(jié)果出現(xiàn)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(chǎn)生的電壓的被誤計入了,。
由此可見，由于寄生參數(shù)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(jié)果進行開關(guān)過程分析,、損耗計算、安全判定,，那就把會把我們帶進溝里,。
現(xiàn)在我們來看一下寄生參數(shù)對串擾特性的影響。對于TO-247-4PIN器件,，VGS虛線測量結(jié)果總是低于VGS實線芯片真實值,。也就是說,，測量結(jié)果低估了串擾的嚴重程度,。對于TO-247-3PIN器件，VGS虛線測量結(jié)果與VGS實線芯片真實值之間存在巨大偏差,，存在非?？鋸埖恼鹗帲碫GS虛線測量結(jié)果分析,，既會發(fā)生橋臂直通,，也會發(fā)生柵極擊穿。
由此可見,，由于寄生參數(shù)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(guān)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(jié)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(guān)注開關(guān)過程、串擾的值時，就需要盡量排除掉寄生參數(shù)的影響,，獲得芯片上真實的波形,。
我們再回到準確度和精準度上來。在為了獲得更靠譜的碳化硅器件動態(tài)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(tǒng)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(wěn)定性,、提高硬件電路穩(wěn)定性、提高測試點連接穩(wěn)定性是在精準度上做工作?，F(xiàn)在業(yè)內(nèi)的狀態(tài)是,，精準度高、準確度半高的狀態(tài),，還差排除點測量點間寄生參數(shù)的影響這一步驟,。
對以上內(nèi)容進行小結(jié)，我們得到四個重要結(jié)論：
1）碳化硅功率器件動態(tài)特性包括：開關(guān)特性,、反向恢復特性,、串擾特性
2）動態(tài)特性測試需求種類多樣，對準確度和精準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(jié)果的保障,，需合理設(shè)計和選型
4）測量點間寄生參數(shù)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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