CN117686754A - 一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源 - Google Patents
一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源 Download PDFInfo
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Abstract
本申请公开了一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，包括：AC‑DC变换器、DC‑DC变换器、电容组、采样电阻、反馈环路、控制单元。其中，AC‑DC变换器、DC‑DC变换器、电容组构成充电单元，电容组、采样电阻、反馈环路构成放电单元，所述放电单元外接碳化硅功率半导体器件；控制单元用于产生直流、方波或三角波形式的基准电压；DC‑DC变换器用于在浪涌加电模式下向电容组充入直流电，电容组用于对碳化硅功率半导体器件和采样电阻放电，反馈环路用于接收控制单元输入的基准电压，并控制采样电阻的电压等于控制单元输入的基准电压。本方案能够提供多种加电模式，提高双极性退化测试的效率。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件测试技术领域，尤其是涉及一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源。
背景技术
第三代宽禁带半导体器件SiC MOSFET在诸多领域有巨大的应用潜力，与硅基MOSFET不同的是，当电流持续流过 SiC MOSFET的体二极管时，体二极管的通态电压可能会随时间而变大，这种效应被称为体二极管的“双极性退化”，这主要是由 SiC 衬底上早先存在的基底面位错（BPD）缺陷触发的。由于 BPD 是 SiC 衬底（晶圆）中的一种常见缺陷，所以任何拥有PN 结的 SiC 器件都可能发生双极性退化。
因此，各半导体厂商通过对SiC MOSFET体二极管施加电流应力，进行性能测试后判断SiC MOSFET是否发生双极性退化，以此保障器件出厂的可靠性并改进和迭代设计工艺。各厂商按照各自的经验进行可靠性试验，在加电模式、加电时间上存在较大差异，对于试验所需的加电电流源也有不同的需求。
目前，行业内主要采用两种模式加电：直流模式和脉冲模式，脉冲电流源多是输出方波形式，且最大电流和脉宽时间不够大，难以快速地触发双极退化，增加了试验所需的时间成本，也极大地影响了筛管效率。
发明内容
为了提高碳化硅半导体器件双极性退化试验的效率，本方案提出一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，不仅支持直流加电、浪涌加电，浪涌加电还可以提供方波和三角波两种输出形式，提供较大的电流脉宽和最大浪涌峰值电流，能够更快速地触发双极性退化，提高试验效率。
本发明提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，包括：AC-DC变换器、DC-DC变换器、电容组、采样电阻、反馈环路、控制单元。
其中，AC-DC变换器、DC-DC变换器、电容组构成充电单元，电容组、采样电阻、反馈环路构成放电单元，放电单元外接碳化硅功率半导体器件；控制单元用于产生直流、方波和三角波形式的基准电压；DC-DC变换器用于在浪涌加电模式下向电容组充入直流电，电容组用于对碳化硅功率半导体器件和采样电阻放电，反馈环路用于接收控制单元输入的基准电压，并控制采样电阻的电压等于控制单元输入的基准电压。
可选地，在本发明提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源中，反馈环路包括比较器、误差放大器和PID控制器，控制单元产生的基准电压输入误差放大器，误差放大器用于将检测到的采样电阻的电压与基准电压比较产生误差信号；PID控制器用于根据误差信号产生控制信号，用于调整电容组的放电电流，使采样电阻的电压等于基准电压。
可选地，在本发明提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源中，当控制单元输出方波或三角波形式的基准电压时，通过增加放电单元的数量增加最大脉冲电流和最大脉冲电流对应的脉冲宽度。
可选地，在本发明提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源中，最大脉冲电流至少为1KA，最大脉冲电流对应的最大脉冲宽度至少为1ms。
可选地，在本发明提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源中，当控制单元输出三角波形式的基准电压时，三角波基准电压的脉冲上升时间和下降时间可在微秒至毫秒级之间调节。
可选地，在本发明提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源中，DC-DC变换器包括多个功率开关器件，DC-DC变换器用于在浪涌加电模式下通过功率开关器件的导通向电容组充入直流电，当电容组的电压达到设定值时，DC-DC变换器中的功率开关器件停止导通，不再向电容组充电。
可选地，在本发明提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源中，DC-DC变换器用于在直流加电模式下通过内部的功率开关器件进行高频开关操作，输出直流电压信号至电容组。
可选地，在本发明提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源中，控制单元采用FPGA芯片，包括基准信号发生器和逻辑电路，基准信号发生器用于生成直流、方波、三角波的基准信号，逻辑电路用于选择所需的基准信号类型。
本发明的提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，可输出三种加电形式，解决了行业内双极性退化测试单机电流源加电形式单一的问题。且在浪涌加电模式下，实现大电流、宽脉冲的脉冲电流输出，能够快速触发双极退化，三角波脉冲电流的上升时间和下降时间皆可在由用户在us-ms范围内调节，能提高器件双极退化测试的效率和筛管效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
图1示出了双极性退化试验电路原理图；
图2示出了根据本发明一个实施例的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源内部结构示意图。
具体实施方式
SiC MOSFET等SiC功率半导体器件的双极性退化是指在特定条件下，器件的导通特性和开关特性发生变化，导致其工作性能下降。可以通过电流源施加超过额定电流的脉冲或持续电流进行双极性退化试验。
图1示出了双极性退化试验电路原理图。如图1所示，VGS（栅源电压）提供负向偏压使得SiC MOSFET保持常闭状态，电流源用来施加电流应力，使得SiC MOSFET的体二极管正向导通，在特定的加电时间之后，使得有材料缺陷的SiC MOSFET触发双极性退化。
为了提高碳化硅半导体器件双极性退化试验的效率，本方案提出一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，支持直流加电、浪涌加电，浪涌加电模式下可以提供方波和三角波两种输出形式，提供较大的电流脉宽和最大浪涌峰值电流，能够更快速地触发双极退化，提高试验效率。
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图2示出了根据本发明一个实施例的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源内部结构示意图。如图2所示，电流源包括：AC-DC变换器、DC-DC变换器、电容组、采样电阻、反馈环路、控制单元，AC-DC变换器、DC-DC变换器、电容组构成充电单元，电容组、采样电阻、反馈环路构成放电单元。放电单元外接被测器件，即碳化硅功率半导体器件。控制单元用于产生直流、方波或三角波形式的基准电压。
如图2所示，AC-DC变换器用于将输入的220V交流电转换为直流电，DC-DC变换器用于在浪涌加电模式下，向负载端的电容组充入直流电，电容组用于对被测器件和采样电阻放电，电容组的作用是平滑输出电压，能够吸收和储存电路中的瞬时高电压脉冲，通过释放储存的能量来提供稳定的直流电源。
反馈环路用于接收控制单元输入的基准电压，并控制采样电阻的电压等于控制单元输入的基准电压。 在本发明的一个实施例中，反馈环路包括比较器、误差放大器和PID控制器，控制单元输入的基准电压输入误差放大器，误差放大器用于将检测到的采样电阻的电压与基准电压比较产生误差信号；PID控制器用于根据误差信号产生控制信号，用于调整电容组的放电电流，使采样电阻的电压等于基准电压。
当采用直流加电模式时，也就是，当控制单元输出直流基准电压时，充电单元以开关电源的形式持续工作，即，DC-DC变换器通过内部的功率开关器件进行高频开关操作，输出稳定的直流电压信号至电容组，通过电容组向被测器件施加直流电流应力。
DC-DC变换器用于在浪涌加电模式下通过功率开关器件的导通向电容组充入直流电，当电容组的电压达到设定值时，DC-DC变换器中的功率开关器件停止导通，不再向电容组充电。
当采用浪涌加电模式时，也就是，当控制单元输出方波或三角波形式的基准电压时，通过增加放电单元的电路数量，增加电流源的输出能力，即可满足高电流应力和长脉宽时间的需求。
例如，当需要输出较高的电流应力时，通过并联多个放电单元，可以将各个放电路径的电流进行叠加，从而达到所需的电流应力水平。并且，由于每个放电单元的放电时间是有限的，但通过并联多个放电单元，可以将各个放电单元的放电时间依次延长，从而实现长脉冲时间的输出。
通过上述设计，最大脉冲电流可达1KA，所述最大脉冲电流对应的最大脉冲宽度可达1ms，从而实现大电流宽脉冲输出，覆盖碳化硅功率半导体起价双极性退化试验所需的电流应力等级。
相比于方波浪涌加电，三角波可以输出更高的电流应力，有利于加速触发双极性退化。这是因为三角波具有渐变的特性，其电流变化率较大，可以在段时间内输出较高的电流应力。
当控制单元输出三角波形式的基准电压时，三角波基准电压的脉冲上升时间和下降时间可在微秒至毫秒级之间调节。可以根据用户输入控制单元的参数来控制三角波的上升时间和下降时间。
在本发明的一个实施例中，控制单元采用FPGA芯片，包括基准信号发生器和逻辑电路，基准信号发生器用于生成直流、方波、三角波的基准信号，逻辑电路用于选择所需的基准信号类型。通过编程可以实时控制电流源所需的加电模式和加电波形。
被测器件为SiC MOSFET、SiC IGBT、SiC Schottky二极管、碳化硅快恢复二极管等任意一种碳化硅功率半导体器件。具体进行双极性退化测试的器件和测试方法会因器件类型、工作条件和应用场景的不同而有所差异。在实际测试中，需要根据器件的特性和需求，选择适当的电流源加电模式和指标进行双极性退化测试，并根据测试结果评估器件的可靠性和性能。
通过本发明的提供的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，可输出三种加电形式，解决了行业内双极性退化测试单机电流源加电形式单一的问题。且在浪涌加电模式下，实现大电流、宽脉冲的脉冲电流输出，能够快速触发双极退化，三角波脉冲电流的上升时间和下降时间皆可在由用户在us-ms范围内调节，能提高器件双极退化测试的效率和筛管效率。
在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。
Claims (8)
1.一种用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，其特征在于，包括：AC-DC变换器、DC-DC变换器、电容组、采样电阻、反馈环路、控制单元；所述AC-DC变换器、DC-DC变换器、电容组构成充电单元，电容组、采样电阻、反馈环路构成放电单元，所述放电单元外接碳化硅功率半导体器件；所述控制单元用于产生直流、方波或三角波形式的基准电压；所述DC-DC变换器用于在浪涌加电模式下向所述电容组充入直流电，所述电容组用于对碳化硅功率半导体器件和采样电阻放电，所述反馈环路用于接收控制单元输入的基准电压，并使采样电阻的电压等于所述控制单元输入的基准电压。
2.根据权利要求1所述的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，其特征在于，所述反馈环路包括比较器、误差放大器和PID控制器，所述控制单元输入的基准电压接入所述误差放大器，所述误差放大器用于将检测到的采样电阻的电压与基准电压比较产生误差信号；所述PID控制器用于根据所述误差信号产生控制信号，调整电容组的放电电流，使采样电阻的电压等于基准电压。
3.根据权利要求1所述的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，其特征在于，当所述控制单元输出方波或三角波形式的基准电压时，通过增加放电单元的数量增加最大脉冲电流和最大脉冲电流对应的脉冲宽度。
4.根据权利要求3所述的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，其特征在于，所述最大脉冲电流至少为1KA，所述最大脉冲电流对应的最大脉冲宽度至少为1ms。
5.根据权利要求3所述的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，其特征在于，当所述控制单元输出三角波形式的基准电压时，三角波基准电压的脉冲上升时间和下降时间可在微秒至毫秒级之间调节。
6.根据权利要求1所述的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，其特征在于，所述DC-DC变换器包括多个功率开关器件，所述DC-DC变换器用于在浪涌加电模式下通过功率开关器件的导通向电容组充入直流电，当电容组的电压达到设定值时，DC-DC变换器中的功率开关器件停止导通，不再向电容组充电。
7.根据权利要求1所述的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，其特征在于，所述DC-DC变换器用于在直流加电模式下通过内部的功率开关器件进行高频开关操作，输出直流电压信号至所述电容组。
8.根据权利要求1所述的用于碳化硅功率半导体器件双极性退化测试的电流源，其特征在于，所述控制单元采用FPGA芯片，包括基准信号发生器和逻辑电路，所述基准信号发生器用于生成直流、方波、三角波的基准信号，所述逻辑电路用于选择所需的基准信号类型。
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