CN114755553B - 一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统，涉及电子技术领域。器件测试模块测量流经外部栅极电阻的总电荷量，计算目标SiC MOSFET器件（以下称目标器件）的栅极泄漏电流；环境测试模块采集目标器件的声发射AE信号，计算目标器件的环境老化参数；老化估计模块，用于根据栅极泄漏电流和环境老化参数估计目标器件的老化程度。通过测量外部栅极电阻的总电荷量，间接计算目标器件的栅极泄漏电流，无需采用高频采样电路，降低了测试方法的功耗、提高了采集目标器件参数的精度，并根据栅极泄漏电流和环境老化参数综合估计目标器件的老化程度，更加合理地评估目标器件当前的性能。

Description

一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统。
背景技术
SiC作为半导体材料具有优异的性能，尤其是用于功率元器件。与传统硅器件相比可以实现低导通电阻、高速开关和耐高温高压工作，因此在电源、汽车、铁路、工业设备和家用消费电子设备中备受欢迎。
现有技术中对于SiC MOSFET器件老化的测试方法，通过测试SiC MOSFET的器件参数，例如栅极泄漏电流、栅极阈值电压、导通状态漏源电阻、结温、外壳温度等，判断SiCMOSFET的老化程度。但是上述方法通常需要采用高频采样电路，即复杂的电路和用于诊断的高频、高分辨率模数转换器(ADC)采样才能实现，导致测试方法的功耗过大、采集器件参数的精度低，且仅能判断SiC MOSFET器件内部的老化情况，未考虑环境因素对于SiCMOSFET器件性能的影响。
发明内容
本发明的目的就在于解决上述背景技术的问题，而提出一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
本发明实施例提供了一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统，包括：器件测试模块、环境测试模块和老化估计模块；其中：
所述器件测试模块，用于测量在多个开关周期内流经外部栅极电阻的总电荷量，根据所述总电荷量计算目标SiC MOSFET器件的栅极泄漏电流；所述外部栅极电阻与所述目标SiC MOSFET器件的栅极连接；
所述环境测试模块，用于采集所述目标SiC MOSFET器件的声发射AE信号，计算所述AE信号的绝对能量值和AE计数，通过所述绝对能量值和所述AE计数计算所述目标SiCMOSFET器件的环境老化参数；所述环境老化参数用于表示所述目标SiC MOSFET器件的焊锡劣化程度；
所述老化估计模块，用于根据所述栅极泄漏电流和所述环境老化参数估计所述目标SiC MOSFET器件的老化程度。
可选地，所述器件测试模块包括测试电路、参考电路和采样计算子模块；所述测试电路包括仪表放大器、第一精密整流器和第一积分器；所述参考电路包括第二精密整流器和第二积分器；
所述测试电路，用于采集所述外部栅极电阻的差分电压，将差分电压依次经过所述仪表放大器、所述第一精密整流器和所述第一积分器的处理得到所述总电荷量；
所述参考电路，用于采集所述目标SiC MOSFET器件的输出电压，将输出电压依次经过所述第二精密整流器和所述第二积分器的处理得到参考电荷量；
所述采样计算子模块，所述总电荷量和所述参考电荷量计算所述栅极泄漏电流。
可选地，所述采样计算子模块具体用于：
按照预设周期同时对所述第一积分器和所述第二积分器进行采样，获取所述总电荷量和所述参考电荷量；
计算所述栅极泄漏电流：
Figure 591305DEST_PATH_IMAGE002
其中，V1(T)和V2(T)分别为在预设周期T获取的所述总电荷量和所述参考电荷量，G1和G2分别为第一精密整流器和第二精密整流器的精密整流器增益，Von为所述目标SiCMOSFET器件在导通状态的栅源电压，R为所述外部栅极电阻。
可选地，所述仪表放大器输入端连接有第一二极管钳位电路，所述第一二极管钳位电路连接外部电源；所述外部电源的电压大小与Von相同。
可选地，所述仪表放大器输入端通过第二二极管钳位电路与所述外部栅极电阻相连。
可选地，所述环境测试模块包括声发射监测AEM模块、AE计数模块、绝对能量值模块和环境老化参数计算模块；
所述AEM模块，用于采集所述目标SiC MOSFET器件的所述AE信号；
所述AE计数模块，用于统计AE信号超过预设阈值的次数，作为所述AE计数；
所述绝对能量值模块，用于计算所述AE信号的绝对能量值：
Figure 180549DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 84920DEST_PATH_IMAGE006
为所述AE信号；
所述环境老化参数计算模块，用于计算环境老化参数：
Figure 824337DEST_PATH_IMAGE008
其中，C为所述AE计数，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 996299DEST_PATH_IMAGE010
为预设参数。
可选地，所述老化估计模块具体用于：
根据所述栅极泄漏电流和所述环境老化参数计算所述目标SiC MOSFET器件的老化指数：
Figure 287603DEST_PATH_IMAGE012
其中，H为所述环境老化参数，I为所述栅极泄漏电流，Hmax为所述目标SiC MOSFET器件的临界环境老化参数，Imax为所述目标SiC MOSFET器件的临界栅极泄漏电流；在所述临界环境老化参数或者临界栅极泄漏电流时，所述目标SiC MOSFET器件处于无法工作的临界点；
将所述老化指数与预设阈值对比，确定所述目标SiC MOSFET器件的老化程度。
基于本发明实施例提供的一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统，包括：器件测试模块、环境测试模块和老化估计模块；其中：器件测试模块，用于测量在多个开关周期内流经外部栅极电阻的总电荷量，根据总电荷量计算目标SiC MOSFET器件的栅极泄漏电流；外部栅极电阻与目标SiC MOSFET器件的栅极连接；环境测试模块，用于采集目标SiCMOSFET器件的声发射AE信号，计算AE信号的绝对能量值和AE计数，通过绝对能量值和所述AE计数计算目标SiC MOSFET器件的环境老化参数；环境老化参数用于表示目标SiC MOSFET器件的焊锡劣化程度；老化估计模块，用于根据栅极泄漏电流和环境老化参数估计目标SiCMOSFET器件的老化程度。通过测量外部栅极电阻的总电荷量，间接计算目标SiC MOSFET器件的栅极泄漏电流，无需采用高频采样电路，降低了测试方法的功耗、提高了采集器件参数的精度，并根据栅极泄漏电流和环境老化参数综合估计目标SiC MOSFET器件的老化程度，更加合理地评估目标SiC MOSFET器件当前的性能。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明实施例提供的一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统的系统框图。
图2为本发明实施例提供的器件测试模块的电路原理图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供了一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统。参见图1，图1为本发明实施例提供的一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统的系统框图，其特征在于，包括：器件测试模块、环境测试模块和老化估计模块；其中：
器件测试模块，用于测量在多个开关周期内流经外部栅极电阻的总电荷量，根据总电荷量计算目标SiC MOSFET器件的栅极泄漏电流；外部栅极电阻与目标SiC MOSFET器件的栅极连接；
环境测试模块，用于采集目标SiC MOSFET器件的声发射AE信号，计算AE信号的绝对能量值和AE计数，通过绝对能量值和AE计数计算目标SiC MOSFET器件的环境老化参数；
老化估计模块，用于根据栅极泄漏电流和环境老化参数估计目标SiC MOSFET器件的老化程度。
基于本发明实施例提供的一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统，通过测量外部栅极电阻的总电荷量，间接计算目标SiC MOSFET器件的栅极泄漏电流，无需采用高频采样电路，降低了测试方法的功耗、提高了采集器件参数的精度，并根据栅极泄漏电流和环境老化参数综合估计目标SiC MOSFET器件的老化程度，更加合理地评估目标SiC MOSFET器件当前的性能。
一种实现方式中，器件测试模块并不直接测量目标SiC MOSFET器件栅极泄漏电流，而是通过测量外部栅极电阻的总电荷量计算目标SiC MOSFET器件的栅极泄漏电流。避免了由于目标SiC MOSFET器件在开关时的瞬时栅极电流对栅极泄漏电流的影响，提高了采集栅极泄漏电流精度，且无需采用高频采样电路即可测量栅极泄漏电流。
参见图2，图2为本发明实施例提供的器件测试模块的电路原理图。
目标SiC MOSFET器件的栅极连接外部栅极电阻（R），测试电路包括仪表放大器（A1）、第一精密整流器（A2）和第一积分器（A3），参考电路包括第二精密整流器（A4）和第二积分器（A5）。
在一个实施例中，器件测试模块包括测试电路、参考电路和采样计算子模块；测试电路包括仪表放大器、第一精密整流器和第一积分器；参考电路包括第二精密整流器和第二积分器；
测试电路，用于采集外部栅极电阻的差分电压，将差分电压依次经过仪表放大器、第一精密整流器和第一积分器的处理得到总电荷量；
参考电路，用于采集目标SiC MOSFET器件的输出电压，将输出电压依次经过第二精密整流器和第二积分器的处理得到参考电荷量；
采样计算子模块，根据总电荷量和参考电荷量计算栅极泄漏电流。
一种实现方式中，仪表放大器可以将高频、宽动态范围、双极性的差分电压转化为以电路接地为参考的低频、单极性信号，使得在后续信号处理过程中可以通过更低的频率进行采样获取总电荷量，降低了测试方法的电路复杂度和能耗。
一种实现方式中，使用总电荷量计算栅极泄漏电流需要确定目标SiC MOSFET器件的占空比，通过参考电路踪可以跟踪目标SiC MOSFET器件的导通时间确定目标SiC MOSFET器件的占空比。
在一个实施例中，采样计算子模块具体用于：
按照预设周期同时对第一积分器和第二积分器进行采样，获取总电荷量和参考电荷量；
计算栅极泄漏电流：
Figure 210429DEST_PATH_IMAGE002
（1）
其中，V1(T)和V2(T)分别为在预设周期T获取的所述总电荷量和所述参考电荷量，G1和G2分别为第一精密整流器和第二精密整流器的精密整流器增益，Von为所述目标SiCMOSFET器件在导通状态的栅源电压，R为所述外部栅极电阻。
一种实现方式中，第一精密整流器的精密整流器增益G1为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，第二精密整流器的 精密整流器增益G2为
Figure 301007DEST_PATH_IMAGE014
。
一种实现方式中，根据上述图2的电路原理图在预设周期T获取的总电荷量为：
Figure 173148DEST_PATH_IMAGE016
（2）
其中，D为目标SiC MOSFET器件的占空比，C2和r3第一积分器的电容和电阻。
根据上述图2的电路原理图在预设周期T获取的参考电荷量为：
Figure 87883DEST_PATH_IMAGE018
（3）
可以将第一积分器和第二积分器的电阻和电容设置相同的参数，即C1=C2且r3=r6。结合公式（2）和（3）即可得到公式（1）。
一种实现方式中，Von为目标SiC MOSFET器件在导通状态的栅源电压，根据目标SiCMOSFET器件的型号即可确定Von。
在一个实施例中，仪表放大器输入端连接有第一二极管钳位电路，第一二极管钳位电路连接外部电源；外部电源的电压大小与Von相同。
一种实现方式中，第一二极管钳位电路可以降低外部栅极电阻的差分电压的高共模摆幅，防止由于外部栅极电阻的差分电压的高共模摆幅导致仪表放大器的输出波形失真。连接外部电源且电源的电压大小与Von相同，可以限制了开关期间的最大差分电压，提高检测的精准度。
在一个实施例中，仪表放大器输入端通过第二二极管钳位电路与外部栅极电阻相连。
在一个实施例中，环境测试模块包括声发射监测AEM模块、AE计数模块、绝对能量值模块和环境老化参数计算模块；
AEM模块，用于采集目标SiC MOSFET器件的AE信号；
AE计数模块，用于统计AE信号超过预设阈值的次数，作为AE计数；
绝对能量值模块，用于计算AE信号的绝对能量值：
Figure 779896DEST_PATH_IMAGE020
（4）
其中，
Figure 405656DEST_PATH_IMAGE022
为AE信号；
环境老化参数计算模块，用于计算环境老化参数：
Figure 256937DEST_PATH_IMAGE024
（5）
其中，C为AE计数，
Figure 483519DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 413560DEST_PATH_IMAGE010
为预设参数。
一种实现方式中，通过采集分析目标SiC MOSFET器件的AE信号可以估计目标SiCMOSFET器件的焊锡劣化程度。焊锡劣化程度作为目标SiC MOSFET器件最重要的环境因素，可以直接影响目标SiC MOSFET器件的性能。
一种实现方式中，AE计数和绝对能量值都可以反映焊锡劣化程度，可以结合两个 参数量化焊锡劣化程度，
Figure 95208DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 456788DEST_PATH_IMAGE010
为预设参数可以由技术人员根据实际情况进行设置，
Figure 464059DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 612887DEST_PATH_IMAGE010
都大于0且
Figure DEST_PATH_IMAGE025
。
在一个实施例中，老化估计模块具体用于：
根据栅极泄漏电流和环境老化参数计算目标SiC MOSFET器件的老化指数：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
（6）
其中，H为所述环境老化参数，I为所述栅极泄漏电流，Hmax为所述目标SiC MOSFET器件的临界环境老化参数，Imax为所述目标SiC MOSFET器件的临界栅极泄漏电流；在所述临界环境老化参数或者临界栅极泄漏电流时，所述目标SiC MOSFET器件处于无法工作的临界点；
将老化指数与预设阈值对比，确定目标SiC MOSFET器件的老化程度。
一种实现方式中，栅极泄漏电流可以表示目标SiC MOSFET器件的老化程度，环境老化参数可以表示目标SiC MOSFET器件的焊锡劣化程度。结合栅极泄漏电流和环境老化参数即可确定目标SiC MOSFET器件整体的老化程度。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

Claims (5)

1.一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统，其特征在于，包括：器件测试模块、环境测试模块和老化估计模块；其中：
所述器件测试模块，用于测量在多个开关周期内流经外部栅极电阻的总电荷量，根据所述总电荷量计算目标SiC MOSFET器件的栅极泄漏电流；所述外部栅极电阻与所述目标SiC MOSFET器件的栅极连接；
所述环境测试模块，用于采集所述目标SiC MOSFET器件的声发射AE信号，计算所述AE信号的绝对能量值和AE计数，通过所述绝对能量值和所述AE计数计算所述目标SiC MOSFET器件的环境老化参数；所述环境老化参数用于表示所述目标SiC MOSFET器件的焊锡劣化程度；
所述老化估计模块，用于根据所述栅极泄漏电流和所述环境老化参数估计所述目标SiC MOSFET器件的老化程度；
所述环境测试模块包括声发射监测AEM模块、AE计数模块、绝对能量值模块和环境老化参数计算模块；
所述AEM模块，用于采集所述目标SiC MOSFET器件的所述AE信号；
所述AE计数模块，用于统计AE信号超过预设阈值的次数，作为所述AE计数；
所述绝对能量值模块，用于计算所述AE信号的绝对能量值：
Figure 460766DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 846748DEST_PATH_IMAGE004
为所述AE信号；
所述环境老化参数计算模块，用于计算环境老化参数：
Figure 219961DEST_PATH_IMAGE006
其中，
Figure 84011DEST_PATH_IMAGE008
为所述AE计数，
Figure 491859DEST_PATH_IMAGE010
和
Figure 783163DEST_PATH_IMAGE012
为预设参数；
所述老化估计模块具体用于：
根据所述栅极泄漏电流和所述环境老化参数计算所述目标SiC MOSFET器件的老化指数：
Figure 909251DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 576993DEST_PATH_IMAGE016
为所述环境老化参数，
Figure 839347DEST_PATH_IMAGE018
为所述栅极泄漏电流，
Figure 301552DEST_PATH_IMAGE020
为所述目标SiC MOSFET器件的临界环境老化参数，
Figure 664005DEST_PATH_IMAGE022
为所述目标SiC MOSFET器件的临界栅极泄漏电流；在所述临界环境老化参数或者临界栅极泄漏电流时，所述目标SiC MOSFET器件处于无法工作的临界点；
将所述老化指数与预设阈值对比，确定所述目标SiC MOSFET器件的老化程度。
2.基于权利要求1所述的一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统，其特征在于，所述器件测试模块包括测试电路、参考电路和采样计算子模块；所述测试电路包括仪表放大器、第一精密整流器和第一积分器；所述参考电路包括第二精密整流器和第二积分器；
所述测试电路，用于采集所述外部栅极电阻的差分电压，将差分电压依次经过所述仪表放大器、所述第一精密整流器和所述第一积分器的处理得到所述总电荷量；
所述参考电路，用于采集所述目标SiC MOSFET器件的输出电压，将输出电压依次经过所述第二精密整流器和所述第二积分器的处理得到参考电荷量；
所述采样计算子模块，所述总电荷量和所述参考电荷量计算所述栅极泄漏电流。
3.基于权利要求2所述的一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统，其特征在于，所述采样计算子模块具体用于：
按照预设周期同时对所述第一积分器和所述第二积分器进行采样，获取所述总电荷量和所述参考电荷量；
计算所述栅极泄漏电流：
Figure 197755DEST_PATH_IMAGE024
其中，
Figure 189981DEST_PATH_IMAGE026
和
Figure 213301DEST_PATH_IMAGE028
分别为在预设周期
Figure 923768DEST_PATH_IMAGE030
获取的所述总电荷量和所述参考电荷量，
Figure 57946DEST_PATH_IMAGE032
和
Figure 170259DEST_PATH_IMAGE034
分别为第一精密整流器和第二精密整流器的精密整流器增益，
Figure 98900DEST_PATH_IMAGE036
为所述目标SiC MOSFET器件在导通状态的栅源电压，
Figure 296664DEST_PATH_IMAGE038
为所述外部栅极电阻。
4.基于权利要求3所述的一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统，其特征在于，所述仪表放大器输入端连接有第一二极管钳位电路，所述第一二极管钳位电路连接外部电源；所述外部电源的电压大小与
Figure DEST_PATH_IMAGE040
相同。
5.基于权利要求4所述的一种低功耗屏蔽栅半导体功率器件的测试系统，其特征在于，所述仪表放大器输入端通过第二二极管钳位电路与所述外部栅极电阻相连。
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