CN114295951A - 一种功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，包括测试板、上位机和外加电源。测试板包括电源转换模块、DSP模块、若干大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块以及若干大功率碳化硅MOSFET开关管。测试板上设有多个待测器件，大功率碳化硅MOSFET开关管用于控制各待测器件的导通与关闭。外加电源的高压直流电源用于给待测器件施加漏源电压，负低压电源用于给待测器件施加一个负的栅源电压。本发明可通过上位机选择具体某一个待测器件进行SEB测试，从而在人机交互界面实时显示出辐照时，器件在关断状态下，可获得器件的SEB阈值电压，从而为其辐射环境应用的选型及防护加固提供技术支持。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件测试技术领域，具体涉及一种功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台。
背景技术
功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)是通常使用的一类功率器件。它是由金属、氧化物及半导体三种材料制成的器件。功率MOSFET器件因其输入阻抗高、温度稳定性好、安全工作区大等优点，特别是在高频高压领域的明显优势，广泛应用于固态变压器、轨道交通、智能电网、高压传输、航天、核工业等领域。但是在核工业和空间应用中，功率MOSFET器件有可能会遭受到高能粒子的辐射，从而引起器件损毁、阈值偏移和性能退化等不可逆损伤，这将会严重影响器件的工作安全。单粒子效应(SEE)中的单粒子烧毁(SEB)对器件的危害尤其严重，当器件发生SEB烧毁是一种不可逆损伤，这将直接导致器件无法正常工作。因此，对功率MOSFET器件展开在地面模拟单粒子测试尤为重要，这将为在真实辐射环境应用中的器件选型和技术加固与屏蔽提供重要依据。
现有功率MOSFET器件地面SEB测试存在费用昂贵、重粒子加速器资源有限、普通测试板引接线过多易接错及手动切换测试器件繁琐等问题。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，可以实现功率MOSFET器件的批次化、快速、方便、精确、经济的SEB测试。
技术方案：一种功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，包括测试板、上位机和外加电源；所述上位机与所述测试板以及外加电源连接；
所述测试板包括电源转换模块、DSP模块、若干大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块以及若干大功率碳化硅MOSFET开关管；其中，所述电源转换模块用于为所述大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块供电，所述DSP模块根据从所述上位机接收到的信号控制所述大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块，所述大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块用于分别对应控制所述大功率碳化硅MOSFET开关管的导通与关闭，所述测试板上设有多个待测器件，所述大功率碳化硅MOSFET开关管用于对应控制各待测器件的导通与关闭；
所述外加电源包括一个高压直流电源和一个负低压电源；其中，所述高压直流电源用于给待测器件施加漏源电压Vds，所述负低压电源用于给待测器件施加一个负的栅源电压Vgs。
进一步的，所述高压直流电源的输出正极分别连接所述测试板上各待测器件的漏极引出的接插件，所述负低压电源的输出正极分别连接所述测试板上各待测器件的栅极引出的接插件，所述高压直流电源和负低压电源的输出负极均连接所述测试板的地，所述大功率碳化硅MOSFET开关管的漏极与所述测试板上对应待测器件的源极相连，所述大功率碳化硅MOSFET开关管的漏极接所述测试板的地。
进一步的，所述上位机通过信号采集卡连接所述外加电源。
进一步的，所述上位机包括存储执行如下步骤的存储介质；
步骤1：通过所述上位机选择待测器件的编号，并设定所述负低压电源的输出电压Vgs，使得待测器件保持关断；
步骤2：通过所述上位机设定所述高压直流电源的输出电压Vds，初始Vds选择小于所述待测器件的反向额定电压值的一个小电压；
步骤3：在辐射测试时，所述上位机得到器件的漏源电流随时间的变化曲线；
步骤4：根据所述漏源电流随时间的变化曲线判断器件是否发生烧毁；
步骤5：若器件未发生烧毁，且此时所述高压直流电源的输出电压Vds小于器件的反向额定电压值，则逐步提高所述高压直流电源的输出电压Vds，再返回执行步骤3；
若器件未发生烧毁，若器件未发生烧毁，且此时所述高压直流电源的输出电压Vds大于等于器件的反向额定电压值，则判定该器件在测试条件下不会发生SEB；
若器件发生了烧毁，则此时的所述高压直流电源输出电压Vds即为该器件在测试条件下的SEB阈值电压；
步骤6：返回执行步骤1，通过所述上位机换选其他待测器件进行测试。
进一步的，所述上位机的存储介质还包括存储执行如下步骤：在所述上位机上设置外加电源的最大输出电流。
进一步的，所述上位机包括LabVIEW RT实时操作系统。
有益效果：本发明的一种功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，可以将多个待测器件放在同一个测试板上分别进行在线SEB测试，并通过LabVIEW RT实时操作系统的人机交互界面选择具体某一个待测器件进行测试，从而在人机交互界面实时显示出辐照时，器件在关断状态下，固定栅源电压Vgs和漏源电压Vds条件下的漏源电流Ids随时间t的变化曲线Ids-t，从而可获得器件的SEB阈值电压，从而为其辐射环境应用的选型及防护加固提供技术支持。
相对现有技术，本发明适合用来测试多个待测器件的SEB，可以极大的节省时间和避免人工出错率，从而也在很大程度上降低了SEB测试带来的经济成本。通过比对有无粒子辐射对器件电学性能的影响，可以为其辐射环境应用提供技术支持。
附图说明
图1为本发明测试平台的结构示意图；
图2为本发明的测试流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，包括测试板、上位机和外加电源。上位机与测试板以及外加电源连接，上位机安装LabVIEW RT实时操作系统，利用装LabVIEW RT实时操作系统可以控制整个测试平台，并实现上位机对外加电源输出的控制与数据读取。
测试板包括电源转换模块、DSP模块、若干大功率碳化硅(SiC)MOSFET栅极驱动模块以及若干大功率碳化硅(SiC)MOSFET开关管，测试板上设置多个待测器件。其中，上位机与测试板通过通用串行总线(USB)相连接，将控制程序通过仿真器烧录至DSP模块中，DSP模块的供电由上位机的USB口提供。电源转换模块用于将市电交流220V转为直流±15V，为大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块供电。DSP模块从上位机接收到的信号，DSP模块的输出为不同外部IO口的高低电平，各IO口分别对应连接各大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块的输入。各大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块的输出分别作为对应大功率碳化硅MOSFET开关管栅极的输入，当栅极驱动模块输出为负压时大功率碳化硅MOSFET开关管关闭，当栅极驱动模块输出为正压时大功率碳化硅MOSFET开关管开启。大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块选用光耦器件，可以起到驱动大功率碳化硅MOSFET开关管的作用及隔离高压和干扰。
外加电源包括一个高压直流电源和一个负低压电源。其中，高压直流电源用于给待测器件施加漏源电压Vds，负低压电源用于给待测器件施加一个负的栅源电压Vgs。具体的，高压直流电源的输出正极分别连接测试板上各待测器件的漏极引出的接插件，负低压电源的输出正极分别连接测试板上各待测器件的栅极引出的接插件，高压直流电源和负低压电源的输出负极均连接测试板的地；各大功率碳化硅MOSFET开关管的漏极分别与测试板上对应待测器件的源极相连，各大功率碳化硅MOSFET开关管的漏极均接测试板的地。大功率碳化硅MOSFET开关管用于对应控制各待测器件的导通与关闭。
如图2所示，使用本发明测试平台进行功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试时：
步骤1：根据需要SEB测试的功率MOSFET器件产品手册，找到器件对应的反向额定电压值和器件的栅源电压区间；然后，根据反向额定电压值和栅源电压的工作区间，分别选择可以输出反向额定电压值的高压直流电源和可以输出栅源电压工作区间下限的负低压电源。
步骤2：将上位机与外加电源、测试板组网，上位机通过信号采集卡连接所述外加电源，上位机与测试板通过通用串行总线(USB)相连接；并将控制程序通过仿真器烧录至DSP中，然后将测试板放入重离子加速器装置内。
步骤3：在LabVIEW人机交互界面选择待测器件的编号，并设定对应的负低压电源的输出电压Vgs，使得待测器件保持关断。
步骤4：在LabVIEW人机交互界面设定高压直流电源的输出电压Vds，初始Vds选择小于待测器件的反向额定电压值的一个小电压，使器件不发生SEB。
步骤5：加压完成后，在固定的Vgs和Vds条件下，开始辐射测试，上位机通过信号采集卡将外加电源的模拟信号转换为数字信号，从而能够得到器件的漏源电流Ids随时间t的变化曲线Ids-t。
步骤6：根据漏源电流随时间的变化曲线Ids-t判断器件是否发生烧毁，具体为：当器件的漏源电流Ids急剧增大且电流曲线出现双峰并在后续时刻漏源电流Ids未下降到正常漏电流同一数量级，可判定器件发生了烧毁；当器件的漏源电流Ids在测试时长内未出现上述情况，则可判断器件未发生烧毁。
步骤7：若器件未发生烧毁，且此时高压直流电源的输出电压Vds小于器件的反向额定电压值，则逐步提高高压直流电源的输出电压Vds，再返回执行步骤5。
若器件未发生烧毁，若器件未发生烧毁，且此时高压直流电源的输出电压Vds大于等于器件的反向额定电压值，则判定该器件在测试条件下不会发生SEB；
若器件发生了烧毁，则此时的高压直流电源输出电压Vds即为该器件在测试条件下的SEB阈值电压。
步骤7：待一个器件测试完成后，返回执行步骤1，通过LabVIEW人机交互界换选其他待测器件进行测试，这样就得到了不同待测器件的SEB阈值电压。通过这种方式完成了在上位机上切换待测器件的功能，避免了多个器件出线多易接错的隐患，也方便了测试人员操作。通过测试得到辐射时器件的SEB阈值电压，可以为分析辐射对器件的单粒子效应提供数据支撑，这将为其在辐射环境中的工程应用提供技术支持。
进一步的，还可以通过LabVIEW人机交互界设置外加电源的最大输出电流，以此来防止电流急剧增大对电源本身和上位机的危害。
本发明的测试平台可以安全、有效、稳定、快捷的得到不同测试器件的SEB阈值电压。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，其特征在于，包括测试板、上位机和外加电源；所述上位机与所述测试板以及外加电源连接；
所述测试板包括电源转换模块、DSP模块、若干大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块以及若干大功率碳化硅MOSFET开关管；其中，所述电源转换模块用于为所述大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块供电，所述DSP模块根据从所述上位机接收到的信号控制所述大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块，所述大功率碳化硅MOSFET栅极驱动模块用于分别对应控制所述大功率碳化硅MOSFET开关管的导通与关闭，所述测试板上设有多个待测器件，所述大功率碳化硅MOSFET开关管用于对应控制各待测器件的导通与关闭；
所述外加电源包括一个高压直流电源和一个负低压电源；其中，所述高压直流电源用于给待测器件施加漏源电压Vds，所述负低压电源用于给待测器件施加一个负的栅源电压Vgs。
2.根据权利要求1所述的功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，其特征在于，所述高压直流电源的输出正极分别连接所述测试板上各待测器件的漏极引出的接插件，所述负低压电源的输出正极分别连接所述测试板上各待测器件的栅极引出的接插件，所述高压直流电源和负低压电源的输出负极均连接所述测试板的地，所述大功率碳化硅MOSFET开关管的漏极与所述测试板上对应待测器件的源极相连，所述大功率碳化硅MOSFET开关管的漏极接所述测试板的地。
3.根据权利要求1所述的功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，其特征在于，所述上位机通过信号采集卡连接所述外加电源。
4.根据权利要求1-3任一所述的功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，其特征在于，所述上位机包括存储执行如下步骤的存储介质；
步骤1：通过所述上位机选择待测器件的编号，并设定所述负低压电源的输出电压Vgs，使得待测器件保持关断；
步骤2：通过所述上位机设定所述高压直流电源的输出电压Vds，初始Vds选择小于所述待测器件的反向额定电压值的一个小电压；
步骤3：在辐射测试时，所述上位机得到器件的漏源电流随时间的变化曲线；
步骤4：根据所述漏源电流随时间的变化曲线判断器件是否发生烧毁；
步骤5：若器件未发生烧毁，且此时所述高压直流电源的输出电压Vds小于器件的反向额定电压值，则逐步提高所述高压直流电源的输出电压Vds，再返回执行步骤3；
若器件未发生烧毁，若器件未发生烧毁，且此时所述高压直流电源的输出电压Vds大于等于器件的反向额定电压值，则判定该器件在测试条件下不会发生SEB；
若器件发生了烧毁，则此时的所述高压直流电源输出电压Vds即为该器件在测试条件下的SEB阈值电压；
步骤6：返回执行步骤1，通过所述上位机换选其他待测器件进行测试。
5.根据权利要求4所述的功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，其特征在于，所述上位机的存储介质还包括存储执行如下步骤：在所述上位机上设置外加电源的最大输出电流。
6.根据权利要求4所述的功率场效应晶体管器件单粒子烧毁测试平台，其特征在于，所述上位机包括LabVIEW RT实时操作系统。
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