作者丨鼎陽(yáng)科技 陳嘉明
引言
近年來(lái),隨著工業(yè)控制市場(chǎng)、新能源汽車(chē)市場(chǎng)、新能源發(fā)電領(lǐng)域的需求增長(zhǎng),功率器件的相關(guān)需求也在不斷增加,對(duì)功率器件的性能要求也在逐漸提高。功率器件是半導(dǎo)體器件的重要分支,主要用于處理高電壓和電流的電能轉(zhuǎn)換和控制,能承受較大的功率。
01 功率器件
功率器件目前主要包括以下幾種:
二極管:
利用其單向?qū)ㄐ?,用于電路的整流與穩(wěn)壓等方面。
晶體管:
典型的晶體管有雙極性晶體管(BJT)和場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)等,廣泛用于放大器、音頻放大器、電源調(diào)節(jié)器等器件中,用于功率放大和開(kāi)關(guān)電路。
晶閘管:
有普通晶閘管(SCR)、雙向晶閘管(TRIAC)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)等,用于交流調(diào)壓和可控整流中。
MOSFET:
單極型器件,具有開(kāi)關(guān)速度快、驅(qū)動(dòng)功率低、輸入阻抗高的特點(diǎn),適合高頻應(yīng)用,常用于高頻開(kāi)關(guān)電源、DC-DC轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等對(duì)開(kāi)關(guān)速度要求較高的場(chǎng)合。
絕緣柵雙極型晶體管(IGBT):
由MOSFET和雙極型晶體管(BJT)組合而成的復(fù)合器件,具有MOSFET的高輸入阻抗和BJT低導(dǎo)通壓降的優(yōu)點(diǎn)同時(shí)有著較強(qiáng)的耐壓能力,適用于高壓應(yīng)用,同時(shí)在電力電子領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。
新型碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)功率器件:
新型寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的功率器件,有著高耐壓、低導(dǎo)通電阻、高開(kāi)關(guān)頻率、耐高溫的特點(diǎn),廣泛用于新能源汽車(chē)、充電樁、太陽(yáng)能逆變器、工業(yè)電源等領(lǐng)域。其中在高壓快充的趨勢(shì)下電動(dòng)車(chē)是新型功率器件最重要的應(yīng)用場(chǎng)景,800V SiC平臺(tái)的應(yīng)用也在帶動(dòng)SiC功率器件的發(fā)展。
02 難點(diǎn)與挑戰(zhàn)
如今,MOSFET和IGBT在各個(gè)領(lǐng)域中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,如何有效地進(jìn)行MOSFET和IGBT相關(guān)參數(shù)的測(cè)試是困擾許多工程師的難題。
IGBT的導(dǎo)通與關(guān)斷設(shè)計(jì)的過(guò)程較多,對(duì)其開(kāi)關(guān)特性的準(zhǔn)確測(cè)量和分析帶來(lái)了一定的難度。同時(shí)IGBT的安全工作區(qū)(SOA)的確定需要考慮多個(gè)因素,如電壓、電流、時(shí)間等。
在測(cè)量中,同樣容易受到寄生參數(shù)的影響,器件封裝和測(cè)試電路中存在的寄生電感、電容等參數(shù)在高頻和高速開(kāi)關(guān)測(cè)試中會(huì)對(duì)結(jié)果造成顯著影響導(dǎo)致信號(hào)失真與測(cè)量誤差。同時(shí),MOSFET和IGBT的開(kāi)關(guān)速度快,對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性測(cè)試時(shí)需要高精度的測(cè)試設(shè)備和快速的響應(yīng)時(shí)間,選擇合適的測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)試顯得格外重要。
在這些功率器件的測(cè)試中,需要多種測(cè)量?jī)x器與設(shè)備協(xié)同工作,以更好地表征器件的參數(shù),功率器件中常見(jiàn)的測(cè)試項(xiàng)目包括以下幾個(gè)方面:
1. 靜態(tài)參數(shù)測(cè)試:
導(dǎo)通電阻(Rds(on)):對(duì)于MOSFET等器件,測(cè)量在導(dǎo)通狀態(tài)下漏極與源極之間的電阻。
閾值電壓(Vth):器件開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)的柵極電壓。
擊穿電壓(BV):測(cè)量器件能夠承受的最大電壓,如漏極擊穿電壓(BVDSS)、柵極擊穿電壓(BVGSS)。
漏電流(Idss、Igss):特定條件下測(cè)量的漏極與源極之間的漏電流或柵極與源極之間的漏電流。
2. 動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)試:
開(kāi)關(guān)時(shí)間(ton、toff):測(cè)量器件從導(dǎo)通到截止或從截止到導(dǎo)通的時(shí)間。
開(kāi)關(guān)延遲時(shí)間(td(on)、td(off)):功率器件開(kāi)關(guān)過(guò)程中,從控制信號(hào)開(kāi)始施加/下降到器件開(kāi)始導(dǎo)通/關(guān)斷之間的時(shí)間間隔。
損耗(Eon、Eoff):測(cè)量開(kāi)關(guān)過(guò)程中的電壓和電流以計(jì)算器件在開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)的能量損耗。
電流上升下降時(shí)間(tr、tf):待測(cè)電流從10%上升到90%額定值所用時(shí)間。