【導讀】提到動(dòng)態(tài)特性，大家的第一反應一定是開(kāi)關(guān)特性，這確實(shí)是功率器件的傳統核心動(dòng)態(tài)特性。由于其是受到器件自身參數影響的，故器件研發(fā)人員可以根據開(kāi)關(guān)波形評估器件的特性，并有針對性地進(jìn)行優(yōu)化。另外，電源工程師還可以基于測試結果對驅動(dòng)電路和功率電路設計進(jìn)行評估和優(yōu)化。
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(shí)也對其動(dòng)態(tài)特性測試帶來(lái)了挑戰，現階段存在的主要問(wèn)題有以下三點(diǎn)：
第一點(diǎn)是，都講碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性測試很難，但動(dòng)態(tài)特性到底包含哪些，測試難點(diǎn)是什么？并沒(méi)有被系統地梳理過(guò)，也沒(méi)有形成行業(yè)共識。
第二點(diǎn)是，得到的測試結果是否滿(mǎn)足需求，或者說(shuō)“測得對不對”，還沒(méi)有判定標準。這主要源自大部分工程師對碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性還不夠了解，不具備解讀測試結果的能力。
第三點(diǎn)是，芯片研發(fā)、封裝設計與測試、系統應用等各個(gè)環(huán)節的人員之間掌握的知識存在鴻溝，又缺乏交流，會(huì )導致測試結果能發(fā)揮的作用非常有限，同時(shí)下游的問(wèn)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：碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性
提到動(dòng)態(tài)特性，大家的第一反應一定是開(kāi)關(guān)特性，這確實(shí)是功率器件的傳統核心動(dòng)態(tài)特性。由于其是受到器件自身參數影響的，故器件研發(fā)人員可以根據開(kāi)關(guān)波形評估器件的特性，并有針對性地進(jìn)行優(yōu)化。另外，電源工程師還可以基于測試結果對驅動(dòng)電路和功率電路設計進(jìn)行評估和優(yōu)化。
當SiC MOSFET應用在半橋電路時(shí)就會(huì )遇到串擾問(wèn)題，可能會(huì )導致橋臂短路和柵極損傷。SiC MOSFET的開(kāi)關(guān)速度快、柵極負向耐壓能力差，使得串擾問(wèn)題是影響SiC MOSFET安全運行的棘手問(wèn)題和限制充分發(fā)揮其高開(kāi)關(guān)速度的主要障礙之一。所以我們認為串擾特性應該算作碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性的一部分，這既能體現開(kāi)關(guān)過(guò)程的影響，又能體現現階段碳化硅器件相對于硅器件的特殊性。
最后，在整流輸出和MOS-Diode橋式電路中往往都會(huì )出現SiC Diode或SiC MOSFET體二極管的反向恢復過(guò)程，發(fā)生反向恢復也是與開(kāi)關(guān)過(guò)程伴生的，也是功率二極管的傳統核心動(dòng)態(tài)特性。
綜上所述，碳化硅器件的動(dòng)態(tài)特性應該包含開(kāi)關(guān)特性、串擾特性和反向恢復特性三個(gè)部分。串擾和反向恢復是與開(kāi)關(guān)過(guò)程伴生的，這也就意味著(zhù)，碳化硅動(dòng)態(tài)特性的三個(gè)部分可以采用統一的測試方法，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?，驅動(dòng)電路向QL發(fā)送雙脈沖控制信號，各個(gè)波形都呈現出兩個(gè)脈沖的形態(tài)，故稱(chēng)之為雙脈沖測試。QL在t2時(shí)刻開(kāi)通，t3時(shí)刻關(guān)斷，此時(shí)可以觀(guān)測到QL的關(guān)斷過(guò)程和QH的關(guān)斷串擾。QL在t4時(shí)刻再次開(kāi)通，此時(shí)可以觀(guān)測到QL的開(kāi)通過(guò)程和QH的開(kāi)通串擾和反向恢復。
開(kāi)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_(kāi)通和關(guān)斷波形，可以獲得很多開(kāi)關(guān)特性的參數，包括：開(kāi)關(guān)延時(shí)、開(kāi)關(guān)時(shí)間、開(kāi)關(guān)能量、開(kāi)關(guān)速度、開(kāi)通電流尖峰、關(guān)斷電壓尖峰。根據陪測管類(lèi)型和被測器件的位置，可以得到四種測試電路，根據需求和實(shí)際應用情況選擇即可。
開(kāi)關(guān)特性受到多方面因素的影響，包括器件參數、外圍電路和工況等。這對我們有兩點(diǎn)啟發(fā)：第一是，器件研發(fā)人員可以將開(kāi)關(guān)過(guò)程測試結果和器件其他參數綜合在一起進(jìn)行評估，對器件參數的優(yōu)化有指導意義；第二是，即使是同一型號的器件，其開(kāi)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果差異很大，往往與規格書(shū)上的數值也存在很大偏差。
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包括：反向恢復時(shí)間、反向恢復電流、反向恢復電荷、反向恢復能量。與開(kāi)關(guān)特性一樣，有四種反向恢復特性測試電路，器件參數、外圍電路和工況也同樣會(huì )影響其反向恢復特性的測試結果。
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(guò)程的分析?；诘玫降拇當_波形，可以獲得的串擾特性的參數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(kāi)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、外圍電路和工況的影響。
Part 2：測試需求及對測試結果的要求
現階段遇到的一個(gè)難題是“如何判斷測試結果是否符合要求”，而要求一定來(lái)自具體的測試場(chǎng)景和測試需求。需要進(jìn)行碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性測試的場(chǎng)景非常多：在器件廠(chǎng)商，在進(jìn)行產(chǎn)品調研分析、工程樣品驗證、規格書(shū)制作時(shí)需要測試；在封裝廠(chǎng)商，在進(jìn)行封裝設計、出廠(chǎng)測試、裸片篩選時(shí)需要測試；在系統應用廠(chǎng)商，在進(jìn)行來(lái)料檢測、器件認證、器件選型、損耗計算、驅動(dòng)設計、功能調試時(shí)需要測試；在科研機構，無(wú)論是做器件研究還是應用研究，也都需要進(jìn)行測試?？梢哉f(shuō)，碳化硅器件的動(dòng)態(tài)特性測試橫跨產(chǎn)業(yè)和學(xué)術(shù)領(lǐng)域、涵蓋器件產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)環(huán)節、貫穿器件完整生命周期，從這一點(diǎn)上也能夠看出其具有重要意義。
在針對每一個(gè)測試需求給出對測試結果的要求之前，我們先回到測量的本質(zhì)要求，即準確度和精確度。測試結果越接近芯片上的實(shí)際值，即上方的紅點(diǎn)越接近圓心，則其準確度越高。相同的測試條件下進(jìn)行多次測量的一致性越好，即上方的紅點(diǎn)越集中，則精確度越高。按照準確度和精確度，可分為四種情況。低準確度、低精確度和高準確度、低精確度的測試結果毫無(wú)價(jià)值；低準確度、高精確度比較容易達到，這樣的測試結果適合用于考察器件的一致性；高準確度、高精確度的測試結果可用于器件特性分析、損耗計算、封裝設計、串擾抑制研究。
在關(guān)注動(dòng)態(tài)過(guò)程時(shí)，準確度的優(yōu)先級更高；在關(guān)注器件參數一致性時(shí)，精確度的優(yōu)先級更高。研發(fā)、應用、生產(chǎn)對動(dòng)態(tài)測試的要求依次從高到低降低。
根據前面的分析，表格中給出了各產(chǎn)業(yè)環(huán)節中的不同測試場(chǎng)景需要進(jìn)行的碳化硅器件動(dòng)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)、功率模塊設計以及學(xué)術(shù)研究時(shí)，非常關(guān)注動(dòng)態(tài)特性的過(guò)程，對波形的形態(tài)和幅值斤斤計較，故要求最高，準確度和精準度的要求都是5顆星。而在出貨測試和來(lái)料檢驗時(shí)，只要測試足夠穩定、偏差很固定，測試結果在給定的范圍內即可，其要求最低，精確度和精準度的要求都是1顆星。在使用SiC MOSFET時(shí)，串擾問(wèn)題的影響非常大，則對其準確度的要求是5顆星。其他場(chǎng)景就不再一一列舉了。
Part 3：測試技術(shù)面臨的挑戰
雙脈沖測試系統的結構很簡(jiǎn)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)的挑戰最終都可以轉化為對測試系統中各個(gè)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(mǎn)足要求的評判標準是在確定測量環(huán)節無(wú)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(guò)器件電壓等級、器件誤導通、出現不符合理論的震蕩等等現象。
這就需要測試電路在以下幾點(diǎn)進(jìn)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(guò)器件耐壓值而導致器件損壞；驅動(dòng)回路電感需要盡量小，以免發(fā)生不必要的驅動(dòng)波形震蕩；驅動(dòng)電路需要能夠方便地進(jìn)行改變參數，其電流輸出能力需要滿(mǎn)足要求，同時(shí)需要考慮增加各類(lèi)保護功能；負載電感需要做到電阻小、等效并聯(lián)電容??；母線(xiàn)電容需要控制在合理范圍內。
測量?jì)x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?jì)x器是否滿(mǎn)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?jì)x器使用方法正確的情況下，測量結果滿(mǎn)足此時(shí)測試需求對測試結果的要求。因為是沒(méi)有絕對真實(shí)值作為評判標準，只能通過(guò)正確選擇儀器類(lèi)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?jì)x器導致的偏差，同時(shí)通過(guò)分析波形的主要特征的合理性進(jìn)行判斷。
下邊給出的波形說(shuō)明了選擇合適的測量?jì)x器重要性。例如，測量電流時(shí)，使用羅氏線(xiàn)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(xiàn)圈的帶寬過(guò)低，不能滿(mǎn)足碳化硅高開(kāi)關(guān)速度的需求。測量上橋臂器件驅動(dòng)波形時(shí)，采用高壓差分探頭測得的結果呈現出欠阻尼和過(guò)阻尼的狀態(tài)，只有采用光隔離探頭才得到方波狀驅動(dòng)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動(dòng)波形。
另外一個(gè)沒(méi)有形成共識，但受到大家關(guān)注的就是雙脈沖測試參數如何設定。不同規格的器件，測試條件不同，參數設定自然不同，但依然可以提出一些原則。
雙脈沖型號寬度有第一脈寬τ1、第二脈寬τ3、脈沖間隔τ2。它們的時(shí)長(cháng)下限都是需要滿(mǎn)足波形震蕩完全結束，以能夠完整觀(guān)測波形，且不影響接下來(lái)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。第一脈寬τ1的上限制約條件是母線(xiàn)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。第二脈寬τ3的上限制約條件是電流不會(huì )過(guò)高導致關(guān)斷電壓尖峰過(guò)高。
這里需要注意的是，第一脈寬τ1時(shí)長(cháng)可由測試電流、負載電感、測試電壓確定。母線(xiàn)電容的最小值由負載電感、測試電流、母線(xiàn)電壓、允許的母線(xiàn)電壓跌落比例確定。負載電感由脈沖間隔τ2、續流二極管壓降、測試電流、允許的測量電流跌落比例確定。由此可見(jiàn)，第一脈寬τ1、脈沖間隔τ2、母線(xiàn)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的過(guò)程會(huì )比較復雜。
Part 4：測試點(diǎn)間寄生參數的影響
最后一個(gè)問(wèn)題是有關(guān)測量準確度的，也是我們一直忽略的問(wèn)題，那就是測量點(diǎn)間寄生參數的影響。
SiC MOSFEF分立器件最常見(jiàn)的封裝形式是TO-247-4PIN和TO-247-3PIN，通過(guò)其內部結構圖可以看出，兩者的差異是TO-247-4PIN有一根專(zhuān)用于驅動(dòng)的KS引腳，實(shí)現了主功率回路和驅動(dòng)回路的解耦，而TO-247-3PIN是主功率回路和驅動(dòng)回路共用S引腳。
在測量分立器件電壓時(shí)，電壓探頭只能夾在引腳上，那么一部分引腳、bonding線(xiàn)、SiC MOSFET芯片內部柵極電阻都被包含進(jìn)了電壓測量點(diǎn)之間。我們通過(guò)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(shí)實(shí)際所需要的驅動(dòng)波形，是真正有用的信號，VGS(M)是我們能測得的結果，它們之間存在寄生參數，VDS和VDS(M)同理。而驅動(dòng)電流IG、負載電流IDS會(huì )在這些寄生參數上產(chǎn)生壓降，也被電壓探頭測得，與芯片上的真實(shí)信號相加，共同構成了測量結果。
可以很容易得到測量值與真實(shí)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受寄生參數的影響的不同在于，TO-247-3PIN器件電壓測量結果會(huì )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(huì )。其原因就是剛剛提到的兩者結構上的差異。
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(gè)功率模塊，打開(kāi)其外殼可以觀(guān)察到其內部結構?？梢钥吹?，從芯片到模塊端子有金屬走線(xiàn)和bonding線(xiàn)，距離端子越遠的芯片，走線(xiàn)越長(cháng)。另外，為了避免并聯(lián)的芯片之間發(fā)生柵極震蕩，會(huì )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(huì )被計入測量結果中。
首先來(lái)看一下寄生參數對開(kāi)關(guān)特性的影響。實(shí)線(xiàn)為芯片上真實(shí)值，虛線(xiàn)為測量結果，可以看到實(shí)線(xiàn)和虛線(xiàn)具有明顯差異。
在開(kāi)關(guān)過(guò)程之初，VGS虛線(xiàn)測量結果在一開(kāi)始呈現幾乎垂直變化，而不是CR充放電過(guò)程；在開(kāi)通過(guò)程，當VGS虛線(xiàn)測量結果超過(guò)閾值電壓時(shí)，仍然沒(méi)有電流流過(guò)；在關(guān)斷過(guò)程，當VGS虛線(xiàn)測量結果低于閾值電壓，IDS仍然很高。這些都是與理論嚴重不符的，足以證明VGS虛線(xiàn)測量結果的錯誤。而對于TO-247-3PIN器件，VGS虛線(xiàn)測量結果出現一個(gè)向上的尖峰，使用過(guò)3PIN器件的工程師一定被這個(gè)尖峰折磨過(guò)，擔心其影響器件柵極的安全。但這個(gè)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(jiàn)，由于寄生參數的影響使得測得的波形偏離了真實(shí)的波形，如果基于錯誤的測量結果進(jìn)行開(kāi)關(guān)過(guò)程分析、損耗計算、安全判定，那就把會(huì )把我們帶進(jìn)溝里。
現在我們來(lái)看一下寄生參數對串擾特性的影響。對于TO-247-4PIN器件，VGS虛線(xiàn)測量結果總是低于VGS實(shí)線(xiàn)芯片真實(shí)值。也就是說(shuō)，測量結果低估了串擾的嚴重程度。對于TO-247-3PIN器件，VGS虛線(xiàn)測量結果與VGS實(shí)線(xiàn)芯片真實(shí)值之間存在巨大偏差，存在非?？鋸埖恼鹗?，按VGS虛線(xiàn)測量結果分析，既會(huì )發(fā)生橋臂直通，也會(huì )發(fā)生柵極擊穿。
由此可見(jiàn)，由于寄生參數的影響，錯誤的測量會(huì )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(kāi)關(guān)和串擾波形與芯片真實(shí)值的偏差不會(huì )像TO-247-3PIN器件那么離譜。
測量結果是否接近芯片上的真實(shí)值，屬于測量準確度的一方面。當我們關(guān)注開(kāi)關(guān)過(guò)程、串擾的絕對值時(shí)，就需要盡量排除掉寄生參數的影響，獲得芯片上真實(shí)的波形。
最后，我們再回到準確度和精確度上來(lái)。在為了獲得更靠譜的碳化硅器件動(dòng)態(tài)過(guò)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?jì)x器穩定性、提高硬件電路穩定性、提高測試點(diǎn)連接穩定性是在精確度上做工作?，F在業(yè)內的狀態(tài)是，精確度高、準確度半高的狀態(tài)，還差排除點(diǎn)測量點(diǎn)間寄生參數的影響這一步驟。
對以上內容進(jìn)行小結，我們得到四個(gè)重要結論：
1）碳化硅功率器件動(dòng)態(tài)特性包括：開(kāi)關(guān)特性、反向恢復特性、串擾特性
2）動(dòng)態(tài)特性測試需求種類(lèi)多樣，對準確度和精確度要求具有明顯差異
3）測試電路板和測量?jì)x器是獲得正確測試結果的保障，需合理設計和選型
4）測量點(diǎn)間寄生參數是獲得芯片上真實(shí)電壓信號的瓶頸，具有顯著(zhù)的負面影響
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