CN116087736A - 一种碳化硅器件功率循环测试电路及控制方法 - Google Patents

一种碳化硅器件功率循环测试电路及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路及控制方法，针对MOSFET加热(正向电流加热)、体二极管测温(反向电流测温)方式，同时实现加热电流和测量电流的快速响应以及稳定输出，克服现有技术中由于加热电流和测量电流断续，所造成的电流恢复速度慢、大电流冲击以及测温不准等问题。

Description

一种碳化硅器件功率循环测试电路及控制方法
技术领域
本发明属于功率半导体领域，具体涉及一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路及控制方法。
背景技术
热敏感电参数(TSEP)指的是与温度存在一定函数关系的器件电参数，通过事先标定热敏感电参数与温度的关系，即可以通过测量热敏感电参数的方法来反算器件结温。功率半导体器件，如二极管、场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等的功率循环测试，就是通过热敏感电参数的方法来获得芯片结温。常用的热敏感电参数包括导通压降、阈值电压等。为了不使器件发热，一般情况下TSEP均是小电流(10mA～100mA)流过器件产生的电压信号，呈负温系数。MOSFET器件由于正向导通电阻小，一般不采用正向导通压降作为热敏感电参数，而是选择阈值电压或体二极管压降作为TSEP。与硅(Si)基MOSFET器件不同，碳化硅(SiC)基MOSFET器件属于化合物半导体，除了Si元素还有C元素，在其栅极加工过程中，无法避免的产生C元素残留，C团簇的存在导致SiC器件栅氧层内的陷阱电荷数量，较硅器件高1～2个数量级，栅极电压、沟道电流以及温度，均会对栅氧层电荷分布产生较大的影响，且存在明显的迟滞特征。比如施加正栅压时，栅氧层陷阱电荷会捕获电子，导致器件的阈值电压升高，阈值电压的升高又会引起正向压降的升高；当不再施加栅压后，器件参数需要很长的时间，才能恢复到栅压施加前的状态。SiC器件的这个特点，导致无法像Si基器件那样使用正向阈值电压作为热敏参数进行功率循环试验，只能通过体二极管压降来测量结温。
现有研究成果表明，SiCMOSFET器件只能通过MOSFET加热(正向电流加热)、体二极管测温(反向电流测温)或者体二极管加热(反向电流加热)、体二极管测温(反向电流测温)两种方式，实现结温的准确测量。可见，实现SiC器件功率循环测试的关键是“反向电流测温”。相较于常规的正向电流测温，要实现反向电流测温，一方面需要精确控制器件的栅极电压，使栅压按照严格的时序在正栅压和负栅压之间不断切换；另一方面，还要精确控制加热电流和测量电流的时序，当加热时，只启动加热电流，当需要测量时，为了保证结温测量的准确性，必须在数微秒内快速关断加热电流，并在数微秒内快速接通测量电流。以上功能，对电源响应速度、控制算法、数据采集速度和精度等均提出了较高的要求。
由于前述体二极管加热、体二极管测温的方式与普通二极管功率循环的实现方式基本一致，唯一不同的是，只需要把SiCMOSFET器件的栅压设置为负电压，如-6V以下，即可把SiCMOSFET的正向沟道彻底关闭，此时器件就可以完全当做二极管进行测试，技术实现难度相对较低。但是这种方式的不足是，首先反向通流不是器件的主要工作方式，所产生的各种应力与正向通流存在差异；另外，在这种加热方式下，器件发热呈现负温度系数，即温度越高发热越小，随着器件退化的加剧，反向加热方式会“自动”降低发热，减缓退化过程。而正向加热方法的发热呈现正温度系数，随着器件退化的加剧，正向加热方式会“自动”增大发热，加速退化。由于正向加热方式相较于反向加热方式更为严酷，且更贴近实际工作环境，因此行业内均倾向于采用“正向加热”方式对SiC MOSFET器件进行功率循环试验，以便更真实的反映器件可靠性。
发明内容
本发明针对MOSFET加热(正向电流加热)、体二极管测温(反向电流测温)方式，提出一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路及控制方法，可以同时实现加热电流和测量电流的快速响应以及稳定输出，克服现有技术中由于加热电流和测量电流断续，所造成的电流恢复速度慢、大电流冲击以及测温不准等问题。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路，由加热电源、测量电流源、第一支路加热开关、第一支路测量开关、第二支路加热开关、第二支路测量开关以及若干被测件组成；
所述第一支路加热开关的一端分别与第二支路加热开关的一端和加热电源的正极相连，第一支路加热开关的另一端分别与第一支路测量开关的一端和第一被测件的漏极相连；第一支路测量开关的另外一端分别与测量电流源的负极和第二支路测量开关的一端相连；第一被测件、第二被测件和第三被测件首尾串联组成第一支路，第三被测件的源极分别与测量电流源的正极、第六被测件的源极以及加热电源的负极相连；
第二支路加热开关的一端分别与第一支路加热开关的一端和加热电源的正极相连，第二支路加热开关的另一端分别与第二支路测量开关的一端和第四被测件的漏极相连；第二支路测量开关的另外一端分别与测量电流源的负极和第一支路测量开关的一端相连；第四被测件、第五被测件和第六被测件首尾串联组成第二支路，第六被测件的源极分别与测量电流源的正极、第三被测件的源极以及加热电源的负极相连。
本发明还提供另外一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路，由加热电源、测量电流源、第一支路加热开关、第一支路测量开关、第二支路加热开关、第二支路测量开关以及若干被测件组成；第一支路加热开关的一端分别与第二支路加热开关的一端和加热电源的负极相连，第一支路加热开关的另一端分别与第一支路测量开关的一端和第三被测件的源极相连；第一支路测量开关的另外一端分别与测量电流源的正极和第二支路测量开关的一端相连；第一被测件、第二被测件和第三被测件自左向右首尾串联组成第一支路，第一被测件的漏极分别与测量电流源的负极、第四被测件的漏极以及加热电源的正极相连；
第二支路加热开关的一端分别与第一支路加热开关的一端和加热电源的负极相连，第二支路加热开关的另一端分别与第二支路测量开关的一端和第六被测件的源极相连。第二支路测量开关的另外一端分别与测量电流源的正极和第一支路测量开关的一端相连；第四被测件、第五被测件和第六被测件自左向右首尾串联组成第二支路，第四被测件的漏极分别与测量电流源的负极、第一被测件的漏极以及加热电源的正极相连。
进一步地，设置第三支路加热开关、第三支路测量开关、第四支路加热开关、第四支路测量开关、另一测量电流源以及第七～第十二被测件。
本发明还提供一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路的控制方法，包括如下步骤：
步骤(1)对第一支路上的所有被测件施加正栅压，使被测件处于正向导通状态，接着闭合第一支路加热开关，加热电源产生的加热电流流过第一支路，使第一支路上的所有被测件发热；
步骤(2)当第一支路上的所有被测件处于加热状态的同时，关闭第二支路加热开关和第一支路测量开关，且对第二支路上的所有被测件施加负栅压，使第二支路被测件处于正向阻断状态，接着闭合第二支路测量开关，使得测量电流源向第二支路被测件的体二极管施加测量电流，分别检测测量电流流过第二支路被测件的体二极管所产生的电压信号，即可根据事先标定的温敏参数曲线，获得第二支路上的所有被测件的温度曲线；
步骤(3)当设置的第一支路加热时间结束时，立即断开第一支路加热开关和第二支路测量开关，切断第一支路加热，接着闭合第二支路加热开关，同时，对第二支路上的所有被测件施加正栅压，使第二支路被测件处于正向导通状态，加热电源产生的加热电流流过第二支路上的所有被测件，第二支路加热开始；
步骤(4)当第二支路加热开始后，立即对第一支路上的所有被测件进行测温，此时，对第一支路上的所有被测件同时施加负栅压，使第一支路被测件处于正向阻断状态，接着闭合第一支路测量开关，使得测量电流源向第一支路被测件的体二极管施加测量电流，分别检测测量电流流过第一支路被测件的体二极管所产生的电压信号，即可根据事先标定的温敏参数曲线，获得第一支路被测件的温度曲线；
步骤(5)当设置的第二支路加热时间结束时，立即断开第二支路加热开关和第一支路测量开关，切断第二支路加热；接着闭合第一支路加热开关和第二支路测量开关，按步骤(1)～步骤(2)再次对第一支路加热，并测量第二支路上所有被测件的温度曲线；
步骤(6)不断重复步骤(1)～步骤(5)，对所有被测件进行往复加热和测温，直至达到预设的结束条件，完成功率循环测试。
有益效果：
本发明通过采用不少于两组通流支路并联的方式，并设置多个切换开关，使得加热电源和测量电流源始终保持稳定输出状态，克服了现有技术中因电流存在断续状态，所带来的电流恢复速度慢、大电流冲击以及测温不准等不足。
附图说明
图1为场效应晶体管器件结构示意图；
图2为第一实施例的功率循环测试电路原理图；
图3为第二实施例的功率循环测试电路原理图；
图4为功率循环测试电路控制逻辑图；
图5为第三实施例的功率循环测试电路原理图。
具体实施方式
本发明通过采用不少于两组通流支路并联的方式，并设置多个切换开关，使得加热电源和测量电流源始终保持稳定输出状态，克服了现有技术中因电流存在断续状态，所带来的电流恢复速度慢、大电流冲击以及测温不准等不足。
以下结合附图和具体实施方式进一步说明本发明。
图1为典型的场效应晶体管DUT的结构示意图，场效应晶体管DUT共有三个电极，分别为栅极G，漏极D和源极S，漏极D和源极S之间寄生有体二极管。栅极G与源S之间施加一定的正电压后，器件内部的正向导电沟道开启，电流可以从漏极D流向源极S，形成正向电流；当栅极G与源S之间施加一定的负电压后，器件内部的正向导电沟道关闭，电流只能从源极S流向漏极D，形成反向电流。
本发明第一实施例所使用的功率循环测试电路如图2所示，所述的功率循环测试电路由第一支路加热开关HS1、第一支路测量开关SS1、第二支路加热开关HS2、第二支路测量开关SS2、测量电流源Im1、加热电源Ih1以及第一～第六被测件DUT1～DUT6组成。其中第一支路由第一～第三被测件DUT1～DUT3串联组成，第二支路由第四～第六被测件DUT4～DUT6串联组成。各个支路上所串联的被测件数量可以根据需要进行调整，本实施例中被测件数量为6只。
如图2所示，本发明所使用的功率循环测试电路中，第一支路加热开关HS1的一端分别与第二支路加热开关HS2的一端和加热电源Ih1的正极相连，第一支路加热开关HS1的另一端分别与第一支路测量开关SS1的一端和第一被测件DUT1的漏极相连。第一支路测量开关SS1的另外一端分别与测量电流源Im1的负极和第二支路测量开关SS2的一端相连；第一被测件DUT1、第二被测件DUT2和第三被测件DUT3自左向右首尾串联组成第一支路，第三被测件DUT3的源极分别与测量电流源Im1的正极、第六被测件DUT6的源极以及加热电源Ih1的负极相连。
第二支路加热开关HS2的一端分别与第一支路加热开关HS1的一端和加热电源Ih1的正极相连，第二支路加热开关HS2的另一端分别与第二支路测量开关SS2的一端和第四被测件DUT4的漏极相连。第二支路测量开关SS2的另外一端分别与测量电流源Im1的负极和第一支路测量开关SS1的一端相连；第四被测件DUT4、第五被测件DUT5和第六被测件DUT6自左向右首尾串联组成第二支路，第六被测件DUT6的源极分别与测量电流源Im1的正极、第三被测件DUT3的源极以及加热电源Ih1的负极相连。
本发明第二实施例所使用的功率循环测试电路如图3所示。第一支路加热开关HS1的一端分别与第二支路加热开关HS2的一端和加热电源Ih1的负极相连，第一支路加热开关HS1的另一端分别与第一支路测量开关SS1的一端和第三被测件DUT3的源极相连。第一支路测量开关SS1的另外一端分别与测量电流源Im1的正极和第二支路测量开关SS2的一端相连；第一被测件DUT1、第二被测件DUT2和第三被测件DUT3自左向右首尾串联组成第一支路，第一被测件DUT1的漏极分别与测量电流源Im1的负极、第四被测件DUT4的漏极以及加热电源Ih1的正极相连。
第二支路加热开关HS2的一端分别与第一支路加热开关HS1的一端和加热电源Ih1的负极相连，第二支路加热开关HS2的另一端分别与第二支路测量开关SS2的一端和第六被测件DUT6的源极相连。第二支路测量开关SS2的另外一端分别与测量电流源Im1的正极和第一支路测量开关SS1的一端相连；第四被测件DUT4、第五被测件DUT5和第六被测件DUT6自左向右首尾串联组成第二支路，第四被测件DUT4的漏极分别与测量电流源Im1的负极、第一被测件DUT1的漏极以及加热电源Ih1的正极相连。
本发明的功率循环测试电路的控制方法包括如下步骤：
步骤(1)首先对第一被测件DUT1、第二被测件DUT2、第三被测件DUT3同时施加正栅压，使上述三只被测件处于正向导通状态，接着闭合第一支路加热开关HS1，加热电源Ih1产生的加热电流流过DUT1～DUT3，开始加热第一支路上的三只被测件；
步骤(2)当第一支路开始加热后，立即关闭第二支路加热开关HS2和第一支路测量开关SS1，同时对第四被测件DUT4、第五被测件DUT5、第六被测件DUT6施加负栅压，使上述三只被测件处于正向阻断状态，接着闭合第二支路测量开关SS2，使得测量电流源Im1向DUT4～DUT6的体二极管施加测量电流，分别检测测量电流流过DUT4～DUT6的体二极管所产生的电压信号，即可根据事先标定的温敏参数曲线，获得DUT4～DUT6的温度曲线；
步骤(3)当设置的第一支路加热时间结束时，立即断开第一支路加热开关HS1和第二支路测量开关SS2，切断第一支路加热，接着闭合第二支路加热开关HS2，同时，对第四被测件DUT4、第五被测件DUT5、第六被测件DUT6施加正栅压，使上述三只被测件处于正向导通状态，加热电源Ih1产生的加热电流流过DUT4～DUT6，第二支路加热开始；由于第一支路加热开关HS1断开后，第二支路立即“开通”，因此加热电源Ih1的输出电流不会出现断续状态，而是始终保持稳定的电流输出，避免了现有技术中加热电流先断后通所导致的大电流冲击，这种大电流冲击会对器件造成额外的损伤。
步骤(4)当第二支路加热开始后，要立即对第一支路上的所有被测件进行测温，此时，对第一被测件DUT1、第二被测件DUT2、第三被测件DUT3施加负栅压，使上述三只被测件处于正向阻断状态，接着闭合第一支路测量开关SS1，使得测量电流源Im1向DUT1～DUT3的体二极管施加测量电流，分别检测测量电流流过DUT1～DUT3的体二极管所产生的电压信号，即可根据事先标定的温敏参数曲线，获得DUT1～DUT3的温度曲线；由于第二支路测量开关SS2断开后，第一支路测量开关SS1立即闭合，因此测量电流源Im1的输出电流也不会出现断续状态，而是始终保持稳定的电流输出，避免了现有技术中测量电流先断后通所引起的电流恢复速度慢的问题，电流恢复速度慢会直接导致无法准确测量被测件加热电流切断瞬间的最高温度。通常测量电流的恢复时间不应超过0.5毫秒；
步骤(5)当设置的第二支路加热时间结束时，立即断开第二支路加热开关HS2和第一支路测量开关SS1，切断第二支路加热；接着闭合第一支路加热开关HS1和第二支路测量开关SS2，按步骤(1)～(2)再次对第一支路加热，并测量第二支路上所有被测件的温度曲线；
步骤(6)不断重复步骤(1)～(5)，对所有被测件进行往复加热和测温，直至达到预设的结束条件，完成功率循环测试。
本发明实施例功率循环测试电路的控制逻辑如图4所示，其中“1”表示开关(HS1、HS2、SS1、SS2)闭合或被测件(DUT1～DUT6)开通，“0”表示开关(HS1、HS2、SS1、SS2)断开或被测件(DUT1～DUT6)关断。
进一步需要说明是，为了尽可能的增加被测器件数量，除了采用前述的在两条支路上串联更多的被测件的方式外，还可以通过增加加热支路的方式实现扩容，具体实施方式如图5所示。图5相较图2增加了第三支路加热开关HS3、第三支路测量开关SS3、第四支路加热开关HS4、第四支路测量开关SS4、另一测量电流源Im2以及第七～第十二被测件DUT7～DUT12，所增加元件的连接方式与图2类似。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路，其特征在于：由加热电源、测量电流源、第一支路加热开关、第一支路测量开关、第二支路加热开关、第二支路测量开关以及若干被测件组成；
所述第一支路加热开关的一端分别与第二支路加热开关的一端和加热电源的正极相连，第一支路加热开关的另一端分别与第一支路测量开关的一端和第一被测件的漏极相连；第一支路测量开关的另外一端分别与测量电流源的负极和第二支路测量开关的一端相连；第一被测件、第二被测件和第三被测件首尾串联组成第一支路，第三被测件的源极分别与测量电流源的正极、第六被测件的源极以及加热电源的负极相连；
第二支路加热开关的一端分别与第一支路加热开关的一端和加热电源的正极相连，第二支路加热开关的另一端分别与第二支路测量开关的一端和第四被测件的漏极相连；第二支路测量开关的另外一端分别与测量电流源的负极和第一支路测量开关的一端相连；第四被测件、第五被测件和第六被测件首尾串联组成第二支路，第六被测件的源极分别与测量电流源的正极、第三被测件的源极以及加热电源的负极相连。
2.一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路，其特征在于：由加热电源、测量电流源、第一支路加热开关、第一支路测量开关、第二支路加热开关、第二支路测量开关以及若干被测件组成；第一支路加热开关的一端分别与第二支路加热开关的一端和加热电源的负极相连，第一支路加热开关的另一端分别与第一支路测量开关的一端和第三被测件的源极相连；第一支路测量开关的另外一端分别与测量电流源的正极和第二支路测量开关的一端相连；第一被测件、第二被测件和第三被测件自左向右首尾串联组成第一支路，第一被测件的漏极分别与测量电流源的负极、第四被测件的漏极以及加热电源的正极相连；
第二支路加热开关的一端分别与第一支路加热开关的一端和加热电源的负极相连，第二支路加热开关的另一端分别与第二支路测量开关的一端和第六被测件的源极相连。第二支路测量开关的另外一端分别与测量电流源的正极和第一支路测量开关的一端相连；第四被测件、第五被测件和第六被测件自左向右首尾串联组成第二支路，第四被测件的漏极分别与测量电流源的负极、第一被测件的漏极以及加热电源的正极相连。
3.根据权利要求2所述的一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路，其特征在于：设置第三支路加热开关、第三支路测量开关、第四支路加热开关、第四支路测量开关、另一测量电流源以及第七～第十二被测件。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种碳化硅MOSFET器件功率循环测试电路的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(1)对第一支路上的所有被测件施加正栅压，使被测件处于正向导通状态，接着闭合第一支路加热开关，加热电源产生的加热电流流过第一支路，使第一支路上的所有被测件发热；
步骤(2)当第一支路上的所有被测件处于加热状态的同时，关闭第二支路加热开关和第一支路测量开关，且对第二支路上的所有被测件施加负栅压，使第二支路被测件处于正向阻断状态，接着闭合第二支路测量开关，使得测量电流源向第二支路被测件的体二极管施加测量电流，分别检测测量电流流过第二支路被测件的体二极管所产生的电压信号，即可根据事先标定的温敏参数曲线，获得第二支路上的所有被测件的温度曲线；
步骤(3)当设置的第一支路加热时间结束时，立即断开第一支路加热开关和第二支路测量开关，切断第一支路加热，接着闭合第二支路加热开关，同时，对第二支路上的所有被测件施加正栅压，使第二支路被测件处于正向导通状态，加热电源产生的加热电流流过第二支路上的所有被测件，第二支路加热开始；
步骤(4)当第二支路加热开始后，立即对第一支路上的所有被测件进行测温，此时，对第一支路上的所有被测件同时施加负栅压，使第一支路被测件处于正向阻断状态，接着闭合第一支路测量开关，使得测量电流源向第一支路被测件的体二极管施加测量电流，分别检测测量电流流过第一支路被测件的体二极管所产生的电压信号，即可根据事先标定的温敏参数曲线，获得第一支路被测件的温度曲线；
步骤(5)当设置的第二支路加热时间结束时，立即断开第二支路加热开关和第一支路测量开关，切断第二支路加热；接着闭合第一支路加热开关和第二支路测量开关，按步骤(1)～步骤(2)再次对第一支路加热，并测量第二支路上所有被测件的温度曲线；
步骤(6)不断重复步骤(1)～步骤(5)，对所有被测件进行往复加热和测温，直至达到预设的结束条件，完成功率循环测试。
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