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1、半导体功率器件MOSFET/IGBT 动态参数的分析及测试 电话：13901057965 邮箱: lwenbh 梁闻 国内研究现状国内研究现状 目前国内很多半导体功率器件的生产厂家或检测中心以及器件的使用单 位很少测动态参数，一来是国内缺少此类测试设备，二来是测试规范也 不完整。 动态参数的优良决定着器件的开关性能。影响开关性能的参数有很多 ，但最重要的是由于栅极/漏极、栅极/源极及漏极/源极电容的存在。这 些电容会在器件中产生开关损耗，因为在每次开关时都要对它们充电。 IGBT的开关速度因此被降低，器件效率也下降。为计算开关过程中器件 的总损耗，设计人员必须计算开通过程中的损耗(Eon)和关
2、闭过程中的损 耗(Eoff)。最后进行实测验证。MOSFET开关的总功率可用如下方程表达 ：Psw=(Eon+Eoff)开关频率。而栅极电荷(Qgd)对开关性能的影响最 大。 国内的一些研究机构也引进了若干进口设备，进行测试，如：中国运 载火箭研究院检测中心当年就是忽略了某个动态参数的测试，使得整机 的性能下降。所以该中心目前对器件的动态参数进行全面的测试。 本讲座就是针对存在的问题进行讨论。 所以本论文研究与测试的内容就是以下各动态参数所以本论文研究与测试的内容就是以下各动态参数 ?1. td(on)：导通延迟时间 ( Turn on delay time)， ?2. tr：电流上升时间 (
3、Current Rise Time ) ?3. tdoff：截止延迟时间 ( Turn-off delay time tdoff) ?4. Tf：下降时间 (Fall Time tf) ?5. Qg：栅极总电荷, ?6. Qgs:栅源充电电量, ?7. Qgd:栅漏充电电量 ?8. Vgp，又称平台电压 ?9.输入电容Ciss、输出电容Coss、反向转移电容Crss。 ?10. Rg：栅极串联等效电阻, ?11. Trr: 二极管反向恢复时间 , ?12. Qrr: 二极管反向恢复充电电量, ?13.di/dt：二极管反向恢复时电流变化率， ?14.dv/dt：二极管反向恢复时电压变化率. ?
4、15.EAS/EAR :单脉冲/重复脉冲雪崩耐量测试. ?16.Eon/Eoff：是指当IGBT导通时或关断时的能量损耗 ?17.Isc:集电极短路电流 ?18. RJC ：结到管壳的热阻， ?19.RJA：结到空气的热阻 ?20.SOA:安全工作区 21.power cycle：功率循环及老化试验 静态特性 漏极电流ID和栅源间电压UGS的关系称为MOSFET的转移特性 ?IAR：雪崩电流。对于某些器件，雪崩击穿过程中芯片 上电流集边的倾向要求对雪崩电流IAR进行限制。这样， 雪崩电流变成雪崩击穿能量规格的“精细阐述”；其 揭示了器件真正的能力。 ?DF:线性衰减因子（W/ C) ?EAR：
5、重复雪崩能量 ?dV/dt: 二极管恢复速度，正向到反向的电压恢复速度 ?TJ:最大工作结温。器件设计的工作条件下须确应避免 超过这个温度,并留有一定裕量. ?TSTG：存储温度范围 动态参数 Parameter Min. Typ. Max . Unit s Conditions QgTotal Gate Charge 71 nC ID = 16A VDS = 80V VGS = 10V, See Fig. 6 and 13 QgsGate-to-Source Charge 14 Qgd Gate-to-Drain (“Miller“) Charge 21 td(on) Turn-On Del
6、ay Time 11 ns VDD = 50V ID = 16A RG = 5.1 VGS = 10V tr Rise Time 35 td(off) Turn-Off Delay Time 39 tfFall Time 35 LD Internal Drain Inductance 4.5 nH Between lead, 6mm (0.25in.) from package and center of die contact S D G LS Internal Source Inductance 7.5 Ciss Input Capacitance 1960 pF VGS = 0V VDS
7、 = 25V = 1.0MHzCoss Output Capacitance 250 Crss Reverse Transfer Capacitance 40 EAS Single Pulse Avalanche Energy700185mJIAS = 16A, L =1.5mH 1.开关时间参数的测试：依美军标MIL-STD 750/3472.输入输出响应 依美军标阻性负载开关时间的定义 ?Td（on）:导通延迟时间.从有输入电压上升到 10% 开始 到 VDS 上升到其幅值 10% 的时间 ?Tr: 上升时间。输出电压 VDS 从 10% 上升到其幅值 90% 的时间 开启时间为：Ton=
8、 Td（on）+Tr， ?Td（off）:关断延迟时间.输入电压下降到 10% 开始到 VDS 下降到其 90% 的时间. ?Tf:下降时间。输出电压 VDS 从 90% 下降到其幅值 10% 的时间 关断时间为：Toff=Td(off)+Tf 美军标给出开关时间测试电路图 Power MOSFET 的开通过程 ?Power MOSFET 的开通过程： 由于Power MOSFET 有输入电容，因此当脉冲电压Vp的上 升沿到来时，输入电容有一个充电过程，栅极电压Vgs按指数 曲线上升。当Vgs上升到开启电压Vt时，开始形成导电沟道并 出现漏极电流Id。从Vp前沿时刻到Vgs=VT，且开始出现I
9、d的 时刻，这段时间称为开通延时时间td(on)。此后，Id随Vgs的 上升而上升，Vgs从开启电压VT上升到Power MOSFET临近 饱和区的栅极电压Vgsp这段时间，称为上升时间tr。这样 Power MOSFET的开通时间 ton=td(on)+tr Power MOSFET的关断过程 ?Power MOSFET的关断过程： 当Vp信号电压下降到0时，栅极输入电容上储存的电荷通过 电阻RS和RG放电，使栅极电压按指数曲线下降，当下降到 Vgsp继续下降，Id才开始减小，这段时间称为关断延时时间 td(off)。此后，输入电容继续放电，Vgs继续下降，Id也继续 下降，到VgsT时导电
10、沟道消失，Id=0，这段时间称为下降时 间tf。这样Power MOSFET 的关断时间 toff=td(off)+tf 实测CS28N10器件的数据 波形响应图 实测波形上升沿 2.感性负载条件下关断损耗测试的测试：依美军标 MIL-STD750/3477 根据此基本的测试电路和波形来定义 待测IGBT器件的总开关损耗 ?驱动IGBT的测试电流是由电感生成的。当器件关断时，电 流流经齐纳二极管。在这一点上通过开启和关闭DUT开始测 试开关时间和开关能量的损耗 ?1.开启时的能量损耗计算公式 ?2.关断时的能量损耗计算公式 用ITC57300测试感性负载开关时间和开关损耗的数据 用ITC573
11、00测试感性负载开关时间的波形 用ITC57300测试感性负载开关时间和开关损耗的 数据及测试条件 3.栅电荷的测试 栅源电压和栅电荷的函数曲线 定义 ?Qg:栅极总充电电量. MOSFET 是电压型驱动器件,驱动的过程就是栅极电 压的建立过程,这是通过对栅源及栅漏之间的电容充电来实现的 ?Qgs:栅源充电电量 ?Qgd:栅漏充电电量 栅电荷测试结果 ITCIRF640N04/14/109AHIRF640N dutqgthqgonvgpqgsqgdVDDPOLADPIGIGTVGTLGOVSRC 13.234.46.17.317.1160N1112.51510R 23.334.56.17.51
12、7.5160N1112.51510R 33.234.26.17.517.5160N1112.51510R 43.334.46.17.617.3160N1112.51510R 53.234.36.17.317.2160N1112.51510R 实测栅电荷波形 利用串联谐振的方法测定Rg。即测试机给定输入电感值L,调整正弦 波的频率使其回路发生串联谐振，最后测出Rg的值。 1560157015801590160016101620 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1 1.12 1.14 1.16 1.18 1.191 1 Zf() Z1f() 1.6210 3 1.5610 3 f
13、Zf()Rg 2 2 fL 1 2 fC 2 +:= 例如：L = 5uH, C = 2,000pF, Cond 1: Rg = 1 , Cond 2: Rg = 1.01 美国美国ITC59100测试仪测试测试仪测试IRF530的栅极等效串联电阻的栅极等效串联电阻Res的值的值 7.寄生续流二极管Trr/Qrr的测试的测试依美军标MIL- STD750/3473 Parameter Min. Typ. Max. Units Conditions IS Continuous Source Current (Body Diode) 33 A S D GMOSFET symbol showing
14、the integral reverse p-n junction diode. ISM Pulsed Source Current (Body Diode) 110 VSD Diode Forward Voltage 1.2 V TJ = 25C, IS = 16A, VGS = 0V trr Reverse Recovery Time 115 170 ns TJ = 25C, IF = 16A di/dt = 100A/s Qrr Reverse Recovery Charge 505 760 nC ton Forward Turn-On Time Intrinsic turn-on ti
15、me is negligible (turn-on is dominated by LS+LD) 有的器件还要求测ta和tb：无锡新洁能MOTO-25N120- IGBT.pdf TRR实测波形图 实测数据 ITC5722IRF640N04/09/109AHIRF640N dutirmtatbtrrqrrdi/dtVDDIFMDI/DT 1-11.6102.830.1132.90.745100.55011100 2-11.299.234.1133.30.741100.95011100 通过测试结果可判断只要测出的BVds值大于VDD则该器件的雪崩值在此条件 合格，否则的话EAS就会出现负值，该
16、器件就会雪崩击穿。 以上的雪崩能量测试电路是早期的电路。从图87和图88的波形看出VDD电压 始终参与能量的释放，那么就会带来以下的问题。 1.如果VDD一直加在能量释放环路中是很危险的,器件如果短路坏掉,环路中的 电流就会无限变大.虽然机器会设一些过流保护,但难免也会有爆器件的危险 隐患. 2.当VDD参与能量的释放的话,那么能量的精度就会受VDD的影响.VDD如果不 准了的话,器件受到的能量就会随着VDD的电压变化而变化. 3. 根据公式（4.24）可看出VDD电压是不可以设任意值的，当施加的VDD值趋 近于或大于BVDSS值时，定会发生雪崩击穿，把器件打坏。 现在用新型的测试系统解决了以上问题，就是在回路中加入一个高速开关，在 栅驱动电压断开的同时，高速开关将VDD
