碳化硅功率器件

    碳化硅功率器件作為新一代功率半導(dǎo)體器件，以其優(yōu)異的特性獲得了廣泛的應(yīng)用，同時(shí)也對(duì)其動(dòng)態(tài)特性測(cè)試帶來(lái)了挑戰(zhàn)，現(xiàn)階段存在的主要問題有以下三點(diǎn)：

    一點(diǎn)是，每個(gè)人都在講碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性測(cè)試很難，但動(dòng)態(tài)特性到底包含哪些，測(cè)試難點(diǎn)是什么？并沒有被系統(tǒng)地梳理過，也沒有形成行業(yè)共識(shí)。

    第二點(diǎn)是，得到的測(cè)試結(jié)果是否滿足需求，或者說“測(cè)得對(duì)不對(duì)"，還沒有判定標(biāo)準(zhǔn)。這主要源自大部分工程師對(duì)碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性還不夠了解，不具備解讀測(cè)試結(jié)果的能力。

    第三點(diǎn)是，芯片研發(fā)、封裝設(shè)計(jì)與測(cè)試、系統(tǒng)應(yīng)用等各個(gè)環(huán)節(jié)的人員之間掌握的知識(shí)存在鴻溝，又缺乏交流，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果能發(fā)揮的作用非常有限，同時(shí)下游的問題不能在上游就暴露并解決，對(duì)加快產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán)速度造成負(fù)面影響。

Part.1

    我們先對(duì)碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行簡(jiǎn)單的定義和介紹。

    提到動(dòng)態(tài)特性，大家的一反應(yīng)一定是開關(guān)特性，這確實(shí)是功率器件的傳統(tǒng)核心動(dòng)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(píng)估器件的特性，并有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化。另外，電源工程師還可以基于測(cè)試結(jié)果對(duì)驅(qū)動(dòng)電路和功率電路設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化。

    當(dāng)SiC MOSFET應(yīng)用在半橋電路時(shí)就會(huì)遇到串?dāng)_問題，可能會(huì)導(dǎo)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?dāng)_測(cè)試結(jié)果進(jìn)行下一步工作。SiC MOSFET的開關(guān)速度快、柵極負(fù)向耐壓能力差，使得串?dāng)_問題是影響SiC MOSFET安全運(yùn)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(shí)，串?dāng)_問題是開關(guān)過程的產(chǎn)物。所以我們認(rèn)為串?dāng)_特性應(yīng)該算作碳化硅器件動(dòng)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(duì)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(huì)出現(xiàn)SiC Diode或SiC MOSFET體二極管的反向恢復(fù)過程，發(fā)生反向恢復(fù)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(dòng)態(tài)特性。

    綜上所述，碳化硅器件的動(dòng)態(tài)特性應(yīng)該包含開關(guān)特性、串?dāng)_特性和反向恢復(fù)特性三個(gè)部分。

    剛才我們提到，串?dāng)_和反向恢復(fù)是與開關(guān)過程伴生的，這也就意味著，碳化硅動(dòng)態(tài)特性的三個(gè)部分可以采用統(tǒng)一的測(cè)試方法，即雙脈沖測(cè)試。

    雙脈沖測(cè)試采用的是電感負(fù)載半橋電路，右邊是測(cè)試波形示意圖?？梢钥吹?，驅(qū)動(dòng)電路向QL發(fā)送雙脈沖控制信號(hào)，各個(gè)波形都呈現(xiàn)出兩個(gè)脈沖的形態(tài)，故稱之為雙脈沖測(cè)試。QL在t2時(shí)刻開通，t3時(shí)刻關(guān)斷，此時(shí)可以觀測(cè)到QL的關(guān)斷過程和QH的關(guān)斷串?dāng)_。QL在t4時(shí)刻再次開通，此時(shí)可以觀測(cè)到QL的開通過程和QH的開通串?dāng)_和反向恢復(fù)。

    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(shí)、開關(guān)時(shí)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(cè)管類型和被測(cè)器件的位置，可以得到四種測(cè)試電路，根據(jù)需求和實(shí)際應(yīng)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(xì)展開了。但這一點(diǎn)對(duì)我們有兩點(diǎn)啟發(fā)：一是，器件研發(fā)人員可以將開關(guān)過程測(cè)試結(jié)果和器件其他參數(shù)綜合在一起進(jìn)行評(píng)估，對(duì)器件參數(shù)的優(yōu)化有指導(dǎo)意義；第二是，即使是同一型號(hào)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(cè)試平臺(tái)上測(cè)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(fù)波形包括端電壓VF、端電流IF?；诘玫降姆聪蚧謴?fù)波形，可以獲得的反向恢復(fù)特性的參數(shù)包括：反向恢復(fù)時(shí)間、反向恢復(fù)電流、反向恢復(fù)電荷、反向恢復(fù)能量。與開關(guān)特性一樣，有四種反向恢復(fù)特性測(cè)試電路，器件參數(shù)、外圍電路和工況也同樣會(huì)影響其反向恢復(fù)特性的測(cè)試結(jié)果。

    串?dāng)_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?dāng)_過程的分析?；诘玫降拇?dāng)_波形，可以獲得的串?dāng)_特性的參數(shù)是串?dāng)_正向和負(fù)向尖峰。由于串?dāng)_只發(fā)生在MOS-MOS半橋電路中，故只有兩種測(cè)試電路，與開關(guān)和反向恢復(fù)測(cè)試電路不同。而串?dāng)_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(gè)難題是“如何判斷測(cè)試結(jié)果是否符合要求"，而要求一定來(lái)自具體的測(cè)試場(chǎng)景和測(cè)試需求。

    需要進(jìn)行碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性測(cè)試的場(chǎng)景非常多：在器件廠商，在進(jìn)行產(chǎn)品調(diào)研分析、工程樣品驗(yàn)證、規(guī)格書制作時(shí)需要測(cè)試；在封裝廠商，在進(jìn)行封裝設(shè)計(jì)、出廠測(cè)試、裸片篩選時(shí)需要測(cè)試；在系統(tǒng)應(yīng)用廠商，在進(jìn)行來(lái)料檢測(cè)、器件認(rèn)證、器件選型、損耗計(jì)算、驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)、功能調(diào)試時(shí)需要測(cè)試；在科研機(jī)構(gòu)，無(wú)論是做器件研究還是應(yīng)用研究，也都需要進(jìn)行測(cè)試。可以說，碳化硅器件的動(dòng)態(tài)特性測(cè)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(jié)、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(duì)每一個(gè)測(cè)試需求給出對(duì)測(cè)試結(jié)果的要求之前，我們先回到測(cè)量的本質(zhì)要求，即準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度。

    測(cè)試結(jié)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(zhǔn)確度越高。相同的測(cè)試條件下進(jìn)行多次測(cè)量的一致性越好，即上方的紅點(diǎn)越集中，則精準(zhǔn)度越高。按照準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度，可分為四種情況。低準(zhǔn)確度、低精準(zhǔn)度和高準(zhǔn)確度、低精準(zhǔn)度的測(cè)試結(jié)果毫無(wú)價(jià)值；低準(zhǔn)確度、高精準(zhǔn)度比較容易達(dá)到，這樣的測(cè)試結(jié)果適合用于考察器件的一致性；高準(zhǔn)確度、高精準(zhǔn)度的測(cè)試結(jié)果可用于器件特性分析、損耗計(jì)算、封裝設(shè)計(jì)、串?dāng)_抑制研究。

    在關(guān)注動(dòng)態(tài)過程時(shí)，準(zhǔn)確度的優(yōu)先級(jí)更高；在關(guān)注器件參數(shù)一致性時(shí)，精準(zhǔn)度的優(yōu)先級(jí)更高。研發(fā)、應(yīng)用、生產(chǎn)對(duì)動(dòng)態(tài)測(cè)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(cè)試場(chǎng)景需要進(jìn)行的碳化硅器件動(dòng)態(tài)特性測(cè)試項(xiàng)目及相對(duì)的要求高低，星號(hào)越多則要求越高。

    在器件研發(fā)、功率模塊設(shè)計(jì)以及學(xué)術(shù)研究時(shí)，非常關(guān)注動(dòng)態(tài)特性的過程，對(duì)波形的形態(tài)和幅值斤斤計(jì)較，故要求高，準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度的要求都是5顆星。而在出貨測(cè)試和來(lái)料檢驗(yàn)時(shí)，只要測(cè)試足夠穩(wěn)定、偏差很固定，測(cè)試結(jié)果在給定的范圍內(nèi)即可，其要求低，精準(zhǔn)度和精準(zhǔn)度的要求都是1顆星。在使用SiC MOSFET時(shí)，串?dāng)_問題的影響非常大，則對(duì)其準(zhǔn)確度的要求是5顆星。其他場(chǎng)景就不再一一列舉了。

Part.3

接下來(lái)我們一起看看測(cè)試技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)

     雙脈沖測(cè)試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，主要部件包括測(cè)試電路、負(fù)載電感、信號(hào)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(cè)試技術(shù)的挑戰(zhàn)都可以轉(zhuǎn)化為對(duì)測(cè)試系統(tǒng)中各個(gè)部件的要求。

       測(cè)試電路的作用是向被測(cè)器件提供運(yùn)行條件，確保其工作在正確的工況下。

       測(cè)試電路是否滿足要求的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是在確定測(cè)量環(huán)節(jié)無(wú)誤和被測(cè)器件特性正常的情況下，測(cè)得波形不存在異常，如關(guān)斷電壓尖峰超過器件電壓等級(jí)、器件誤導(dǎo)通、出現(xiàn)不符合理論的震蕩等等現(xiàn)象。

       這就需要測(cè)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)斷電壓尖峰超過器件耐壓值而導(dǎo)致器件損壞；驅(qū)動(dòng)回路電感需要盡量小，以免發(fā)生不必要的驅(qū)動(dòng)波形震蕩；驅(qū)動(dòng)電路需要能夠方便地進(jìn)行改變參數(shù)，其電流輸出能力需要滿足要求，同時(shí)需要考慮增加各類保護(hù)功能；負(fù)載電感需要做到電阻小、等效并聯(lián)電容??；母線電容需要控制在合理范圍內(nèi)。

       測(cè)量?jī)x器的作用是獲取被測(cè)器件上所關(guān)注的電壓和電流波形。

       測(cè)量?jī)x器是否滿足要求的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)是在測(cè)試電路符合要求、被測(cè)器件特性正常、測(cè)量?jī)x器使用方法正確的情況下，測(cè)量結(jié)果滿足此時(shí)測(cè)試需求對(duì)測(cè)試結(jié)果的要求。因?yàn)槭菦]有真實(shí)值作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，只能通過正確選擇儀器類型和指標(biāo)，采用正確的使用方法和連接方式，盡量避免由測(cè)量?jī)x器導(dǎo)致的偏差，同時(shí)通過分析波形的主要特征的合理性進(jìn)行判斷。

    下邊給出的波形說明了選擇合適的測(cè)量?jī)x器重要性。例如，測(cè)量電流時(shí)，使用羅氏線圈測(cè)得的波形相比于使用同軸電阻測(cè)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(cè)量上橋臂器件驅(qū)動(dòng)波形時(shí)，采用高壓差分探頭測(cè)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(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(cè)量含有高壓高速跳變的共模電壓的驅(qū)動(dòng)波形。

    另外一個(gè)沒有形成共識(shí)，但受到大家關(guān)注的就是雙脈沖測(cè)試參數(shù)如何設(shè)定。不同規(guī)格的器件，測(cè)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(hào)寬度有一脈寬τ1、第二脈寬τ3、脈沖間隔τ2。它們的時(shí)長(zhǎng)下限都是需要滿足波形震蕩結(jié)束，以能夠完整觀測(cè)波形，且不影響接下來(lái)的動(dòng)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(huì)過高導(dǎo)致關(guān)斷電壓尖峰過高。

    這里需要注意的是，一脈寬τ1時(shí)長(zhǎng)可由測(cè)試電流、負(fù)載電感、測(cè)試電壓確定。母線電容的小值由負(fù)載電感、測(cè)試電流、母線電壓、允許的母線電壓跌落比例確定。負(fù)載電感由脈沖間隔τ2、續(xù)流二極管壓降、測(cè)試電流、允許的測(cè)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(fù)載電感、測(cè)試電壓和電流之間是互相制約的，這也使得確定雙脈沖測(cè)試參數(shù)的過程會(huì)比較復(fù)雜。

Part.4

     一個(gè)問題是有關(guān)測(cè)量準(zhǔn)確度的，也是我們一直忽略的問題，那就是測(cè)量點(diǎn)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(dòng)的KS引腳，實(shí)現(xiàn)了主功率回路和驅(qū)動(dòng)回路的解耦，而TO-247-3PIN是主功率回路和驅(qū)動(dòng)回路共用S引腳。

    在測(cè)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、SiC MOSFET芯片內(nèi)部柵極電阻都被包含進(jìn)了電壓測(cè)量點(diǎn)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(shí)實(shí)際所需要的驅(qū)動(dòng)波形，是真正有用的信號(hào)，VGS(M)是我們能測(cè)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(dòng)電流IG、負(fù)載電流IDS會(huì)在這些寄生參數(shù)上產(chǎn)生壓降，也被電壓探頭測(cè)得，與芯片上的真實(shí)信號(hào)相加，共同構(gòu)成了測(cè)量結(jié)果。

    可以很容易得到測(cè)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(shù)的影響的不同在于，TO-247-3PIN器件電壓測(cè)量結(jié)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(jié)構(gòu)上的差異。

    對(duì)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(yuǎn)的芯片，走線越長(zhǎng)。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(dú)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(jì)入測(cè)量結(jié)果中。

    先來(lái)看一下寄生參數(shù)對(duì)開關(guān)特性的影響。實(shí)線為芯片上真實(shí)值，虛線為測(cè)量結(jié)果，可以看到實(shí)線和虛線具有明顯差異。

   在開關(guān)過程之初，VGS虛線測(cè)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(dāng)VGS虛線測(cè)量結(jié)果超過閾值電壓時(shí)，仍然沒有電流流過；在關(guān)斷過程，當(dāng)VGS虛線測(cè)量結(jié)果低于閾值電壓，IDS仍然很高。這些都是與理論嚴(yán)重不符的，足以證明VGS虛線測(cè)量結(jié)果的錯(cuò)誤。而對(duì)于TO-247-3PIN器件，VGS虛線測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)一個(gè)向上的尖峰，使用過3PIN器件的工程師一定被這個(gè)尖峰折磨過，擔(dān)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(jì)入了。

    由此可見，由于寄生參數(shù)的影響使得測(cè)得的波形偏離了真實(shí)的波形，如果基于錯(cuò)誤的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行開關(guān)過程分析、損耗計(jì)算、安全判定，那就把會(huì)把我們帶進(jìn)溝里。

    現(xiàn)在我們來(lái)看一下寄生參數(shù)對(duì)串?dāng)_特性的影響。對(duì)于TO-247-4PIN器件，VGS虛線測(cè)量結(jié)果總是低于VGS實(shí)線芯片真實(shí)值。也就是說，測(cè)量結(jié)果低估了串?dāng)_的嚴(yán)重程度。對(duì)于TO-247-3PIN器件，VGS虛線測(cè)量結(jié)果與VGS實(shí)線芯片真實(shí)值之間存在巨大偏差，存在非?？鋸埖恼鹗?，按VGS虛線測(cè)量結(jié)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，由于寄生參數(shù)的影響，錯(cuò)誤的測(cè)量會(huì)使我們對(duì)串?dāng)_情況做出誤判，而TO-247-3PIN器件更為嚴(yán)重。這也是更加推薦使用TO-247-4PIN器件的原因，測(cè)得的開關(guān)和串?dāng)_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(cè)量結(jié)果是否接近芯片上的真實(shí)值，屬于測(cè)量準(zhǔn)確度的一方面。當(dāng)我們關(guān)注開關(guān)過程、串?dāng)_的值時(shí)，就需要盡量排除掉寄生參數(shù)的影響，獲得芯片上真實(shí)的波形。

    我們?cè)倩氐綔?zhǔn)確度和精準(zhǔn)度上來(lái)。在為了獲得更靠譜的碳化硅器件動(dòng)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(cè)量系統(tǒng)帶寬、提高探頭共模抑制比、改善測(cè)量連接方式都是在準(zhǔn)確度上做工作；提高測(cè)量?jī)x器穩(wěn)定性、提高硬件電路穩(wěn)定性、提高測(cè)試點(diǎn)連接穩(wěn)定性是在精準(zhǔn)度上做工作?，F(xiàn)在業(yè)內(nèi)的狀態(tài)是，精準(zhǔn)度高、準(zhǔn)確度半高的狀態(tài)，還差排除點(diǎn)測(cè)量點(diǎn)間寄生參數(shù)的影響這一步驟。

對(duì)以上內(nèi)容進(jìn)行小結(jié)，我們得到四個(gè)重要結(jié)論：

1）碳化硅功率器件動(dòng)態(tài)特性包括：開關(guān)特性、反向恢復(fù)特性、串?dāng)_特性

2）動(dòng)態(tài)特性測(cè)試需求種類多樣，對(duì)準(zhǔn)確度和精準(zhǔn)度要求具有明顯差異

3）測(cè)試電路板和測(cè)量?jī)x器是獲得正確測(cè)試結(jié)果的保障，需合理設(shè)計(jì)和選型

4）測(cè)量點(diǎn)間寄生參數(shù)是獲得芯片上真實(shí)電壓信號(hào)的瓶頸，具有顯著的負(fù)面影響