CN115469143A - 功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法 - Google Patents

功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115469143A
CN115469143A CN202211086538.XA CN202211086538A CN115469143A CN 115469143 A CN115469143 A CN 115469143A CN 202211086538 A CN202211086538 A CN 202211086538A CN 115469143 A CN115469143 A CN 115469143A
Authority
CN
China
Prior art keywords
switch
dut
threshold voltage
power cycle
under test
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211086538.XA
Other languages
English (en)
Inventor
邓二平
谢露红
张泽健
吴立信
黄永章
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Huadian Yantai Power Semiconductor Technology Research Institute Co ltd
Original Assignee
Huadian Yantai Power Semiconductor Technology Research Institute Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Huadian Yantai Power Semiconductor Technology Research Institute Co ltd filed Critical Huadian Yantai Power Semiconductor Technology Research Institute Co ltd
Priority to CN202211086538.XA priority Critical patent/CN115469143A/zh
Publication of CN115469143A publication Critical patent/CN115469143A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16504—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the components employed
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/165—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values
    • G01R19/16533—Indicating that current or voltage is either above or below a predetermined value or within or outside a predetermined range of values characterised by the application

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)

Abstract

本发明公开了功率循环过程中阈值电压的测量电路，涉及电压检测技术领域，包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和待测器件DUT，所述开关S1的一端连接开关S2、待测器件DUT的源极、开关S4和开关S5，开关S2的另一端连接开关S3和待测器件DUT的栅极，开关S3的另一端连接开关S1的另一端、开关S4的另一端、开关S5的另一端和待测器件DUT的漏极，本发明的测试方法结合了快速脉冲法和弛豫法的优点，能实现在功率循环过程中实时且快速地测量待测器件的阈值电压漂移，操作简单，准确性高。

Description

功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法
技术领域
本发明涉及电压检测技术领域，具体是功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法。
背景技术
SiC材料凭借其高热导率，高禁带宽度，高临界击穿场强等优点正被广泛应用于制造第三代半导体器件中。其中，SiC MOSFET作为典型的宽禁带半导体器件，影响其可靠性的重要问题是阈值电压(Vth)的稳定性。要想解决这个难题，找到合适的测试方法来实现精确测量阈值电压漂移是不可或缺的一个环节。
现阶段，测试SiC MOSFET器件阈值电压漂移的方法主要有三种类型，即电压扫描法，快速脉冲法和非弛豫法。其中，电压扫描法是广泛应用于Si器件阈值电压测量的传统方法，已经是一项相对成熟的技术，操作简单，分别给待测器件栅极加正压和负压后，通过测量两次加压后漏极电流-栅极电压(Ids-Vgs)转移特性曲线来提取正、负栅压下阈值电压漂移值。其实验原理如图1所示。但在应用于SiC MOSFET中，由于SiC材料本身特性的影响，该种方法测试速度慢并存在扫描延迟的特点成为影响SiC MOSFET阈值电压测试精度的主要因素，且该种方法无法实现功率循环中的在线监测。
为了弥补传统电压扫描法的缺点，提出了非弛豫法和快速脉冲法。非弛豫法的工作原理是在给栅极加压Vgs使Vgs>Vth,器件工作在开通状态，实时测量漏极电压Vds和漏极电流Ids的值，再利用线性区的萨支唐方程来间接得到阈值电压的实时值，如式(1)所示。其中，W，μn，Cox，L为器件的特征参数，是固定值。任意时刻下的Vth与初始时刻下的阈值电压Vth(0)相减即为阈值电压漂移值。
Figure BDA0003835374760000011
非弛豫法利用公式转换思想，实现了阈值电压的实时测量，解决了传统电压扫描法需要在栅压去除后才可以扫描的问题。但需要注意的是，由于这种测试方法需要使器件一直工作在开通状态，不适用于功率循环，且会对器件产生一定程度的损害。
快速脉冲法是在传统电压扫描法的基础上，用脉冲电压信号替代直流电压信号，通过脉冲测量Ids-Vgs转移曲线来提取阈值电压漂移信息，实验原理如图2所示。相比于传统扫描法，脉冲信号缩短了测试时间，测量结果也更为准确，减少了对器件的损伤，但是该种测量方法不能实现在线监测。
发明内容
本发明的目的在于提供功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
功率循环过程中阈值电压的测量电路，包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和待测器件DUT，所述开关S1的一端连接开关S2、待测器件DUT的源极、开关S4和开关S5，开关S2的另一端连接开关S3和待测器件DUT的栅极，开关S3的另一端连接开关S1的另一端、开关S4的另一端、开关S5的另一端和待测器件DUT的漏极。
作为本发明的进一步技术方案：所述开关S1控制负载电流IL是否流过待测器件DUT。
作为本发明的进一步技术方案：所述开关S2控制栅压VGS是否接入待测器件DUT。
作为本发明的进一步技术方案：所述开关S3控制待测器件DUT的栅极与漏极是否短路。
作为本发明的进一步技术方案：所述开关S4控制测量电流Im是否流过待测器件DUT的体内二极管。
作为本发明的进一步技术方案：所述开关S5控制小电流IGSth是否流入待测器件DUT漏极。
作为本发明的进一步技术方案：所述开关S4的控制时序与开关S3的控制时序相反。
作为本发明的进一步技术方案：所述开关S5的控制时序与开关S3的控制时序相同。
功率循环过程中阈值电压的测量方法，采用上述的电路，具体方法如下：在开关S1开通时间ton内，开关S1闭合，负载电流流过待测器件DUT，待测器件DUT已经提前td1处于开通状态，即VGS＝15V且开关S2闭合，此时开关S4闭合，Im流过体二极管，开关S3与开关S5断开，在开关S1关断时间toff内，待测器件DUT也延迟td1关断，在下一周期开始前的0.01S时，开关S4由开通切换为关断，开关S3与开关S5由关断切换为开通，此时待测器件DUT的栅漏极短路，Im不再流入待测器件DUT，转而由IGSth从漏极流入，源极流出，开始测量阈值电压，测量持续时间为1mS，经历1mS时间后，开关S4，开关S3，开关S5回到初始状态。
作为本发明的进一步技术方案：所述td1设置≤100uS。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的测试方法结合了快速脉冲法和弛豫法的优点，能实现在功率循环过程中实时且快速地测量待测器件的阈值电压漂移，操作简单，准确性高。
附图说明
图1为电压扫描法测试原理图。
图2为快速脉冲法测量原理图。
图3为本发明的电路原理图。
图4为各个开关的时序控制图。
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做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1，功率循环过程中阈值电压的测量电路，如图3所示，包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和待测器件DUT，所述开关S1的一端连接开关S2、待测器件DUT的源极、开关S4和开关S5，开关S2的另一端连接开关S3和待测器件DUT的栅极，开关S3的另一端连接开关S1的另一端、开关S4的另一端、开关S5的另一端和待测器件DUT的漏极。
其中，开关S1控制负载电流IL是否流过待测器件DUT。开关S2控制栅压VGS是否接入待测器件DUT。开关S3控制待测器件DUT的栅极与漏极是否短路。开关S4控制测量电流Im是否流过待测器件DUT的体内二极管。开关S5控制小电流IGSth是否流入待测器件DUT漏极。开关S4的控制时序与开关S3的控制时序相反。开关S5的控制时序与开关S3的控制时序相同。各个开关的控制时序图如图4所示。
本发明还公开了功率循环过程中阈值电压的测量方法，采用上述的电路，具体方法如下：在开关S1开通时间ton内，开关S1闭合，负载电流流过待测器件DUT，待测器件DUT已经提前td1处于开通状态，即VGS＝15V且开关S2闭合，此时开关S4闭合，Im流过体二极管，开关S3与开关S5断开，在开关S1关断时间toff内，待测器件DUT也延迟td1关断，td1一般设置≤100us，在下一周期开始前的0.01S时，开关S4由开通切换为关断，开关S3与开关S5由关断切换为开通，此时待测器件DUT的栅漏极短路，Im不再流入待测器件DUT，转而由IGSth从漏极流入，源极流出，开始测量阈值电压，测量持续时间为1mS，经历1mS时间后，开关S4，开关S3，开关S5回到初始状态。
本发明所提出的测量方法目的是在SiC MOSFET的功率循环的动态过程中测量阈值电压，因此是在SiC MOSFET功率循环测试电路的基础上，通过时序控制在不影响结温测量的前提上进行阈值电压的测量，实现在功率循环过程中对阈值电压的实时监测。
因此开关S2、S3和S4的设置正是实现在功率循环过程中监测阈值电压的关键，通过对S2、S3和S4的时序控制可以在不影响SiC功率循环过程的同时监测阈值电压，并且排除了器件结温对阈值电压的影响。
以往想要监测功率循环过程中SiC器件的阈值电压漂移情况，只能将功率循环停下，将器件从功率循环测试平台上拆下来进行阈值电压的测量，然后再将器件重新装回去继续跑功率循环。在器件拆下和重新装回去的过程必然会有因为存在安装误差导致器件与散热器接触热阻不一样，从而改变了SiC的功率循环条件。因此通过对开关S2、S3和S4设置及时序控制可以避免对SiC功率循环条件的改变，还可以测量得到阈值电压的变化。
因此，开关S2、S3和S4设置及时序控制策略正是本专利所提方法的创新点。
有文献经过实验验证表明在保证SiC MOSFET的栅源电压Vgs、SiC MOSFET导通时间ton和SiC MOSFET关断时间toff满足上述应力平衡关系式，可以将阈值电压的漂移降到最低。
上述平衡式也可写作Vgs_on*ton＝Vgs_off*toff,也就是满足ton时刻内栅-源电压Vgs_on与ton的乘积与toff时刻内栅-源电压Vgs_off与toff的乘积相等时，可以将一个循环周期内(ton+toff)的阈值电压漂移降至最低。因此已将测量时间缩短是1ms，测量时间在下一周期开启前的0.01s进行电路切换，进而进行阈值电压的采集。阈值电压采集的时间缩短至1ms，可以避免由于阈值电压测量过程使栅极在一周期的应力失去平衡，造成采集到的阈值电压偏差大的问题。
综上所述，本发明的测试方法结合了快速脉冲法和弛豫法的优点，能实现在功率循环过程中实时且快速地测量待测器件的阈值电压漂移，操作简单，准确性高。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.功率循环过程中阈值电压的测量电路，包括开关S1、开关S2、开关S3、开关S4、开关S5和待测器件DUT，其特征在于，所述开关S1的一端连接开关S2、待测器件DUT的源极、开关S4和开关S5，开关S2的另一端连接开关S3和待测器件DUT的栅极，开关S3的另一端连接开关S1的另一端、开关S4的另一端、开关S5的另一端和待测器件DUT的漏极。
2.根据权利要求1所述的功率循环过程中阈值电压的测量电路，其特征在于，所述开关S1控制负载电流IL是否流过待测器件DUT。
3.根据权利要求2所述的功率循环过程中阈值电压的测量电路，其特征在于，所述开关S2控制栅压VGS是否接入待测器件DUT。
4.根据权利要求3所述的功率循环过程中阈值电压的测量电路，其特征在于，所述开关S3控制待测器件DUT的栅极与漏极是否短路。
5.根据权利要求4所述的功率循环过程中阈值电压的测量电路，其特征在于，所述开关S4控制测量电流Im是否流过待测器件DUT的体内二极管。
6.根据权利要求5所述的功率循环过程中阈值电压的测量电路，其特征在于，所述开关S5控制小电流IGSth是否流入待测器件DUT漏极。
7.根据权利要求6所述的功率循环过程中阈值电压的测量电路，其特征在于，所述开关S4的控制时序与开关S3的控制时序相反。
8.根据权利要求7所述的功率循环过程中阈值电压的测量电路，其特征在于，所述开关S5的控制时序与开关S3的控制时序相同。
9.功率循环过程中阈值电压的测量方法，其特征在于，采用权利要求1-8任一项所述的电路，具体方法如下：在开关S1开通时间ton内，开关S1闭合，负载电流流过待测器件DUT，待测器件DUT已经提前td1处于开通状态，即VGS＝15V且开关S2闭合，此时开关S4闭合，Im流过体二极管，开关S3与开关S5断开，在开关S1关断时间toff内，待测器件DUT也延迟td1关断，在下一周期开始前的0.01S时，开关S4由开通切换为关断，开关S3与开关S5由关断切换为开通，此时待测器件DUT的栅漏极短路，Im不再流入待测器件DUT，转而由IGSth从漏极流入，源极流出，开始测量阈值电压，测量持续时间为1mS，经历1mS时间后，开关S4，开关S3，开关S5回到初始状态。
10.根据权利要求9所述的功率循环过程中阈值电压的测量方法，其特征在于，所述td1设置≤100uS。
CN202211086538.XA 2022-09-07 2022-09-07 功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法 Pending CN115469143A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211086538.XA CN115469143A (zh) 2022-09-07 2022-09-07 功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211086538.XA CN115469143A (zh) 2022-09-07 2022-09-07 功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115469143A true CN115469143A (zh) 2022-12-13

Family

ID=84369204

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211086538.XA Pending CN115469143A (zh) 2022-09-07 2022-09-07 功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115469143A (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110763972A (zh) * 2019-10-31 2020-02-07 上海华力集成电路制造有限公司 Mosfet的阈值电压的测量方法
CN110988639A (zh) * 2019-11-08 2020-04-10 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） 一种恒定电场应力偏压温度不稳定性的测试方法和装置
CN111638437A (zh) * 2020-06-09 2020-09-08 山东阅芯电子科技有限公司 可测量阈值电压的高温栅偏试验方法及装置
CN113702824A (zh) * 2021-09-18 2021-11-26 大连芯冠科技有限公司 一种阈值电压为负的开关器件的阈值电压测试方法及系统
CN114325286A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 浙江大学杭州国际科创中心 一种SiC MOSFET功率循环测试电路及其控制方法
CN114720769A (zh) * 2022-04-07 2022-07-08 中山大学 宽禁带功率半导体场效应晶体管动态特性测量装置及方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110763972A (zh) * 2019-10-31 2020-02-07 上海华力集成电路制造有限公司 Mosfet的阈值电压的测量方法
CN110988639A (zh) * 2019-11-08 2020-04-10 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） 一种恒定电场应力偏压温度不稳定性的测试方法和装置
CN111638437A (zh) * 2020-06-09 2020-09-08 山东阅芯电子科技有限公司 可测量阈值电压的高温栅偏试验方法及装置
CN113702824A (zh) * 2021-09-18 2021-11-26 大连芯冠科技有限公司 一种阈值电压为负的开关器件的阈值电压测试方法及系统
CN114325286A (zh) * 2021-12-31 2022-04-12 浙江大学杭州国际科创中心 一种SiC MOSFET功率循环测试电路及其控制方法
CN114720769A (zh) * 2022-04-07 2022-07-08 中山大学 宽禁带功率半导体场效应晶体管动态特性测量装置及方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104181462B (zh) 一种半导体开关器件导通压降的测量电路
CN106771951A (zh) 电力电子开关器件结温在线监测装置、检测电路及测试方法
CN104155587A (zh) 一种igbt模块工作结温的在线检测系统及检测方法
CN109765470B (zh) 温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法
CN114720769A (zh) 宽禁带功率半导体场效应晶体管动态特性测量装置及方法
CN106443401A (zh) 一种功率mos器件温升和热阻构成测试装置和方法
CN108318796B (zh) 一种三端口碳化硅基功率器件界面态测试方法
CN109814020A (zh) 功率半导体器件功率循环测试系统
CN113933677B (zh) 一种SiC MOSFET器件栅极老化监测电路及在线监测方法
CN111289799B (zh) 一种GaN器件动态导通电阻测量电路
CN112526312A (zh) 一种igbt器件的多应力作用测试系统及方法
CN205679732U (zh) 一种大电流冲击试验装置
CN206362890U (zh) 电力电子开关器件结温在线监测装置、检测电路
CN114839499A (zh) 基于动态阈值电压的功率器件结温在线监测系统
Brandelero et al. Online junction temperature measurements for power cycling power modules with high switching frequencies
Wang et al. Monitoring bond wire defects of IGBT module using module transconductance
Xie et al. Online gate-oxide degradation monitoring of planar SiC MOSFETs based on gate charge time
Qiao et al. Online junction temperature monitoring for SiC MOSFETs using turn-on delay time
Rashed et al. On-line [T J, V ce] monitoring of IGBTs stressed by fast power cycling tests
Degrenne et al. On-line health monitoring of wire-bonded IGBT power modules using on-state voltage at zero-temperature-coefficient
CN113092975B (zh) 功率mos器件的源漏击穿电压测试方法
CN112114237B (zh) 基于门极电荷变化的igbt模块内部缺陷监测方法及电路
CN115469143A (zh) 功率循环过程中阈值电压的测量电路及方法
CN209746082U (zh) 功率半导体器件功率循环测试系统
Chen et al. Degradation assessment of 1.2-kV SiC MOSFETs and comparative study with 1.2-kV Si IGBTs under power cycling

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination