iwatsu curve tracer

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功率半导体分立器件动态特性评价Evaluation of dynamic parameters of semiconductor

■ 双脉冲测试（高频差分探头）□ 温度老化试验□ CURVE TRACER系列□ ON-WAFER 测试方案

王向阳 130 8051 0866联系方式：[email protected]

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电能变换的核心: Power Devices

■ 家用电器是目前GaN功率器件应用的主要场景。

■ 电动汽车 600V/300A SiC,GaN,IGBT model

■ 太阳能，风能等 1700V/800A Hi-power IGBT module

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电能变换的核心: Power Devices

Inverter

Converter and Inverter

Converter

3phase 2-level Inverter Output image of the inverter

DC AC

Average waveform

Actual waveform

波形

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GaN及SiC器件应用的场景

电源高频，小型化趋势随着SiC/GaN的应用越来越近。

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GaN及SiC器件发展

电源高频，小型化趋势随着SiC/GaN的应用越来越近。

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如何评价器件的性能

评价器件静态参数，如：

■最高结间耐压，Vds,Vgs等■最大饱和导通电流Ids■饱和导通压降Vds(sat)■导通电阻 Rds（on）■输出I-V曲线（Vgs/Ids/Vds）■门极阀值电压Vth等

评价器件动态参数，如：Td-on,Td-off,Tr,Tf,Ciss,Coss,Crss，结温等

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功率器件的静态参数评价

IWATSU 公司的Curve Tracer能评价SiC/GaN/Si IGBT/MOSDIODE/LED等所有半导体器件的静态参数，可以提供最高12KV耐压，1500A导通电流，1pA 漏电分辨率的测试能力。

CS-3100 CS-3200 CS-3300

Collector Supply

Mode

HighVoltage

AC, +/-Rectified sine, +/-DC, +/-LEAKAGE

HighCurrent

－ High current mode (Max. 40V pulse)

HV mode

Max. peak current(Max. peak pulse current)

Max. peak voltage

75mA (150mA)3000V

※2500V at AC

750mA (1.5A) 300V

7.5A (15A) 30V

HC mode(for pulse only)

－

Max. peak current

Max. peak Voltage

Max. peak current

Max. peak Voltage

400A 40V 1000A 40V40A 40V 400A 40V

40A 40V

1700V/600AIGBT module

Using CS-3000 series can measure voltage and current with sufficient margin

Ex:

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IWATSU CS-3000/CS-5000 Curve Tracer

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GaN,SiC器动态性能评价

器件动态特性定义：

☆ 1、器件Td-on, Td-off, Tr, Tf, Ciss, Coss, Crss，结温等动态参数通常由器件生产厂家通过专业仪器（固定外围参数）得出，仅有参考意义。

★ 2、器件在电路中真实工作状态的参数，观察对象为器件开启或关断的Vge驱动波形，Vds及Ids 波形。

★ 3、双脉冲等准动态测试是应用工程师评价器件使用最多的方法。

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氮化镓(GaN)，碳化硅SiC等宽禁带功率开关器件与应用广泛的MOSFET等硅功率器件相比，GaN功率器件具有更高的效率和更强的功耗处理能力，并且可以显著减小电源的体积，这些优势正是当下高功耗高密度系统、服务器和计算机所需要的，越来越多的电源方案正采用GaN器件做为开关器件。

图1 GaN器件建立在硅衬底上，有一个二维横向的电子通道(2DEG)和AlGaN/GaN异位外延结构，提供了极高的电荷密度和迁移率。当门级电压为零(左图)时，晶体管截止，当门级电压超过阈值电压时(中间和右图)，晶体管导通。(来源: GaN Systems)

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GaN的导通电阻非常低，这使得静态功耗显著降低，提高了效率。另外，GaN FET的结构使其输入电容非常低，提高了开关速度。GaN器件可以在纳秒内电压上升到几百伏，支持几MHz频率的大电流转换。(最新一代的器件可以应用在几百MHz的场合)。这意味着GaN具有更高的效率，并可以使用更少的电磁学和被动元件。因为器件开关频率相比于传统的硅器件要高得多，通常GaN器件的实际应用开关频率将会达到500Khz左右，对于正确评价器件在电路中的动态参数将是非常大的挑战；另外增强型GaN器件的栅源电压是6V，大约是MOSFET的一半，对于半桥应用或更复杂的多电平应用的GaN驱动设计与正确评价都是非常大的挑战

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动态测量的难点：

1、GaN 开关频率多为数百Khz，研究型的电源开关频率达数Mhz。

2、GaN 的结间电容非常低。

3、GaN 器件可以工作在非常宽的温度区间。

4、GaN器件的驱动电压非常低，通常在6V左右。

5、GaN器件在半桥或多电平应用时，上管的S端浮地并且为负载端，共模噪声很大。

6、GaN器件开关电流di/dt极大,电流高且频率达数百Khz。

高频响应探头

低输入电容探头

高低温探头

精度高延时低探头

高CMRR探头

高响应电流探头

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主角是高频差分探头及高频电流探头

400Mhz，2KVrms，2pF输入电容高性能差分探头，德国PMK出品。

100Mhz，600Apk，标准示波器兼容高性能电流探头，日本IWATSU出品。

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BumbleBEE 大黄蜂高频高压差分探头

PMK BumbleBee 大黄蜂高压差分探头

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BumbleBee 的性能特点：

■具有高达400MHz的通频带宽（延时为875pS）■ 2000Vrms/6000Vpk的耐压测量能力■超低输入电容2pF

■高达80dB的CMRR@DC, >62dB@1Mhz

■50:1, 100:1, 250:1, 500:1 手动或联机软件可调■ 高达+/- 4V的offset 偏置（15bit）■ 上位机软件可以远程调整探头offset及变比值等参数。■ 德国原产，品质一流。

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IWATSU 高频罗氏电流探头

高达100MHZ 的频率带宽，最大电流测试能力为600A

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IWATSU 高频罗氏电流探头

功率器件开启和关断时的电流变化需要良好响应（低延时）的电流探头，如果是双脉冲测试则要求更高。

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实测案例

●GaN器件工作频率150Khz● Vds 电压300V● 测试波形为上管及下管驱动波形●同时监测器件导通电流波形● PMK BumbleBee 宽频高压差分探头测上管Vgs●Tektronix THDP0200 宽频高压差分探头测试下管Vgs

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实测案例

THDP0200 ,200MHZ@1500Vpk

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实测案例

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实测案例

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实测案例

结论：1、Tektronix THDP0200 200MHz的高压差分探头测量下管Vgs对应的波形CH2 （蓝色）出现明显的米勒平台并且在波形转折点出现非常高的噪声波形，这种因为仪器或探头导致的测量误差可能导致整个GaN电源设计评价失败。

2、PMK BumbleBee 400MHZ 2000Vrms 高压差分探头测量上管Vgs对应的波形CH3(紫色)驱动波形非常完整，无明显失真，波形转折处噪声非常低，可能良好的展示GaN器件驱动波形。

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