CN201780357U

CN201780357U - 功率场效应管测试装置

Info

Publication number: CN201780357U
Application number: CN 201020528275
Authority: CN
Inventors: 张国光; 王自鑫; 张顺; 姚剑锋; 李佳明; 林华新
Original assignee: FOSHAN BLUE ROCKET ELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: FOSHAN BLUE ROCKET ELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2010-09-13
Filing date: 2010-09-13
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2020-09-13

Abstract

本实用新型公开了一种功率场效应管测试装置，包括测试电路、电感元件、中央处理模块、检测模块、VD源模块和结构与VD源模块相同的VG源模块，所述测试电路包括用于与一个场效应管连接的源极端子、漏极端子和栅极端子，所述电感元件连接在漏极端子和电源端之间，所述VD源模块的电源输出端为所述电源端；所述VG源模块的输出与所述栅极端子连接；所述中央处理模块通过可扩展的通讯接口分别与所述VD源模块和VG源模块连接，控制VD源模块和VG源模块的输出。本实用新型采用模块化设计，降低了系统因程序意外跑飞而出现死机或异常的可能性，避免了全部使用数字逻辑芯片带来的不可编程、故可扩展性差的缺陷，并且提高了日产量。

Description

功率场效应管测试装置

技术领域

本实用新型涉及一种半导体器件检测技术领域中的设备，尤其涉及一种利用雪崩能量对功率场效应管(MOSFET)进行无损的雪崩击穿测试，通过对测试过程中电路各点的参数测量，从而判断功率管好坏的测试装置。

背景技术

电子元器件是电子产品的基础，是能完成预定功能而不能再分割的电路基本单元。元器件的质量与可靠性直接影响着电子产品的质量与可靠性水平。没有可靠的元器件，即使最完善的设计也难以满足电子产品达到高可靠性的要求。因此保证产品可靠性，对所使用的原件进行严格的质量控制是一项极为重要的工作。

功率场效应管(MOSFET)常用于大电压、大电流的应用场合，如汽车点火电路。此时MOSFE必须承受很高的反向高压，并且有可能被瞬时击穿，为了确保功率MOSFET在实际应用中的可靠性，需要在出厂前对MOSFET进行无损的雪崩击穿测试。通常，测试原理图如图1所示。

测试开始后，先使电源V_DD上电保持在高电平。在功率MOSFET的栅极处施加一导通电压V_G使其开启。则电源V_DD通过导通的回路向电感L充电，在电感充电储能期间，漏源间电流I_D逐渐近似呈线性上升。当电流达到设定值I_AS时，撤除栅极导通电压V_G使功率MOSFET关断。功率MOSFET关断时，会在电感的两侧瞬时感应很高的电压，该电压加在MOSFET的漏极即雪崩电压V_BS。与此同时，由于能量在功率MOSFET内消耗，漏源电流I_D逐渐减小，若在I_D从0.9I_AS下降至0.1I_AS间漏源间电压V_DS能维持在BVdss(栅源短路时的漏源击穿电压)之上，并能在I_D下降为零后返回至电源压值V_DD，则证明MOSFET性能完好，通过测试。即，当上述各个测试点的EAS(Single Pulse Avalanche Energy)参数的电压电流曲线满足图2所示的关系图时，即认为该MOSFET性能完好。因而，EAS参数是反应MOSFET强健性的一个重要性能参数。对MOSFET的EAS测试是工业MOS-FET生产和应用中重要的一环。

在现有技术中，为了实现上述要求，现有的测试装置采用了大量的逻辑芯片，并且采用双电源为这些逻辑芯片进行供电，采用上述技术方案，第一，电源电路比较复杂；第二，这种技术方案使得整个系统的扩展性差，不易于根据要求进行功能的定制和扩展，并且设计复杂，过错率高；第三，在测试过程中，由于电路复杂，逻辑芯片的处理速度慢，所以单管的测试周期长，因而测试效率低。

另外，在实际应用时，一般将前述的对MOSFET的EAS测试与MOSFET的分选配合进行，即，完成一个MOSFET的测试，就对该MOSFET进行分类，如果测试该MOSFET性能完好，则归类到合格产品中，如果该MOSFET没有通过测试，则归类到不合格产品中。因此，如果对MOSFET的EAS测试不准确，将淘汰好的功率场效应管，或留下不符要求的功率场效应管。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，提供一种功率场效应管测试装置，提高测试效率，增强扩展性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种场效应管测试装置，包括测试电路、电感元件、中央处理模块、检测模块、VD源模块和结构与VD源模块相同的VG源模块。

所述测试电路包括用于与一个场效应管连接的源极端子、漏极端子和栅极端子；所述电感元件连接在漏极端子和电源端之间；所述VD源模块的电源输出端为所述电源端；所述VG源模块的输出与所述栅极端子连接；所述检测模块包括连接在电感元件与场效应管漏极端子之间的电流传感器；所述电流传感器和漏极端子分别与中央处理模块连接，所述中央处理模块通过可扩展的通讯接口分别与所述VD源模块和VG源模块连接，控制VD源模块和VG源模块的输出。

测试时，将功率MOSFET的各极与上述装置中的测试电路中的各端子对应连接好，所述中央处理模块控制VD源模块为测试电路供电，而后控制所述VG源模块输出，则在测试电路的栅极提供了一个开启电压，功率MOSFET开启，由电源端、电感等构成的导通回路向电感充电。在电感充电储能期间，漏极电流I_D逐渐近似呈线性上升，此漏极电流I_D由电流传感器感测并发送给所述中央处理模块，漏源电压V_DS可由中央处理模块从漏极端子直接采集得到。当漏极电流I_D达到中央处理模块内部的设定值I_AS时，由中央处理模块控制所述VG源模块的输出，使其不再有输出，即撤除栅极导通电压使功率MOSFET关断。功率MOSFET关断时，会在电感元件的两侧瞬时感应很高的电压，该电压加在MOSFET的漏极即雪崩电压V_BS。与此同时，由于能量在功率MOSFET内消耗，漏源电流I_D逐渐减小，中央处理模块实时接收并监测漏源电流I_D和漏源间电压V_DS，若在漏极电流I_D从0.9I_AS下降至0.1I_AS间漏源间电压VDS能维持在BVdss之上，并能在I_D下降为零后返回至电源压值V_DD，则证明功率MOSFET性能完好通过测试。

本实用新型采用模块化设计，每个模块均可采用工业级的MCU(Micro Controller Unit)作为控制芯片，通过各模块的MCU之间互相监测，互相协调，最大限度的降低了系统因程序意外跑飞而出现死机或异常的可能性；另外，本实用新型取代了现有技术在数字控制与处理方面全部使用的数字逻辑芯片，避免了全部使用数字逻辑芯片带来的不可编程、故可扩展性差的缺陷；本实用新型通过对测试流程的合理优化和设计，最大限度的压缩了单管的测试周期，提高了日产量。

附图说明

图1为功率场效应管雪崩击穿测试原理图；

图2为通过雪崩击穿测试的功率场效应管的各个测试点的EAS参数的电压电流曲线图；

图3为本实用新型所述功率场效应管测试装置的结构框图；

图4为本实用新型所述功率场效应管测试装置的测试原理图；

图5为本实用新型一具体实施例的VD源模块的结构框图；

图6为本实用新型一具体实施例的VD源模块中的扩流电路的电路原理图；

图7为本实用新型一具体实施例的中央处理模块和检测模块的原理框图；

图8为本实用新型电压衰减电路的一个具体实施例的电路原理图；

图9为本实用新型各模块的通讯连接示意图；

图10为本实用新型进行通讯时的数据包格式图；

图11为本实用新型一具体实施例的测试波形图；

图12为本实用新型所述功率场效应管测试装置的测试流程图。

具体实施方式

本实用新型提供了一种功率场效应管测试装置，其结构框图如图3所示。

功率场效应管测试装置，包括测试电路1、电感元件2、中央处理模块3、检测模块、VD源模块4和结构与VD源模块相同的VG源模块5，所述测试电路1包括用于与一个场效应管连接的源极端子11、漏极端子12和栅极端子13，所述电感元件2连接在漏极端子12和电源端之间，所述VD源模块4的电源输出端为所述电源端；所述VG源模块5的输出与所述栅极端子13连接；所述检测模块包括设置在电感元件2与场效应管漏极端子12之间、用于检测漏极电流的电流传感器6；所述电流传感器6和用于获得漏源电压的漏极端子12分别与中央处理模块3连接，所述中央处理模块3通过可扩展的通讯接口分别与所述VD源模块4和VG源模块5连接，控制VD源模块4和VG源模块5的输出。

图4为本实用新型所述功率场效应管测试装置的测试原理图。结合图3、图4，功率MOSFET管A的各极与上述装置中的测试电路1中的各端子对应连接，所述中央处理模块3控制VD源模块4为测试电路1供电，即，VD源模块4的输出为图4中的V_DD，而后控制所述VG源模块5输出，则此时在测试电路1的栅极13提供了一个开启电压，功率MOSFET管A开启导通，由电源端、电感2等构成的导通回路向电感元件2充电。在电感元件2充电储能期间，漏极电流I_D逐渐近似呈线性上升，此漏极电流I_D由电流传感器6感测并发送给所述中央处理模块3，漏源电压V_DS可由中央处理模块3从漏极端子12直接采集得到。当漏极电流I_D达到中央处理模块3内部的设定值I_AS时，由中央处理模块3控制所述VG源模块5的输出，使其不再有输出，即撤除栅极12导通电压使功率MOSFET管A关断。功率MOSFET管A关断时，会在电感元件2的两侧瞬时感应很高的电压，该电压加在功率MOSFET管A的漏极即雪崩电压V_BS。与此同时，由于能量在功率MOSFET管A内消耗，漏源电流I_D逐渐减小，中央处理模块3实时接收并监测漏极电流I_D和漏源间电压V_DS，若在漏极电流I_D从0.9I_AS下降至0.1I_AS间漏源电压V_DS能维持在BVdss之上，并能在漏极电流I_D下降为零后返回至电源压值V_DD，则证明功率MOSFET管A性能完好通过测试。

其中，在本实用新型中，VD源模块与VG源模块的电路组成相同，所不同的是输出参数不同，VD源模块输出是直流电压，用于提供图4中的电源V_DD，而VG源模块输出的电压用于启动功率MOSFET管A，因此VG源模块实际上是一脉冲电源。

具体地，图5为本实用新型一具体实施例的VD源模块的结构框图。所述VD源模块包括电源电路41和控制电路42，所述电源电路包括依次连接的DA(数模转换)电路411和多级放大电路412，其中，由DA电路411经过控制电路42的控制提供模拟电压，DA电路411提供的模拟电压经过多级放大电路412，得到相应的供电电压。所述控制电路42包括MCU 421、隔离电路422和换向电路423，所述隔离电路422用于分别隔离所述MCU421和电源电路41及换向电路423，用以保护MCU，增加系统的可靠性，其中，MCU421经隔离电路422发出一恒定数据给所述DA电路411，控制DA电路411输出一个恒定的模拟电压，该模拟电压经过多级放大电路412放大。所述换向电路423用于决定VD源电路输出的电压的极性，换向电路423的输入端与所述多级放大电路412的输出端连接，所述换向电路423的输出端作为所述VD源模块4的电源输出端，所述隔离电路422与所述换向电路423连接，MCU421通过隔离电路422控制换向电路423，用以控制电源输出端的正负。通常，隔离电路采用光耦元件构成，换向电路可以由继电器等元件构成。在该模块内，还包括一些常规元件，如显示电路43(例如LED数码管组成的显示器，或LCD显示屏等)，用于显示MCU从DA电路读取的相关数据，例如VD模块输出的电压值，方便调试和维修检测。由于本实用新型只使用正电源供电，对需要负电压的地方采用换向电路，如继电器切换将电压反向实现。这一设计避免了使用负电源。使得电源电路简单可靠。所述所VD源模块可以通过RS232与其他模块通讯。

而对于VG源模块，与上述所VD源模块所不同的是，MCU控制DA电路输出一个脉冲的模拟电压，最终VG源模块输出的是脉冲电压。

图6为本实用新型一具体实施例的VD源模块中的扩流电路的电路原理图，本实用新型中的所述VD源模块还包括扩流电路，所述扩流电路的输入与所述换向电路的输出端相连，所述扩流电路的输出端作为所述VD源模块的电源输出端。在本实施例中，所述扩流电路包括4个并联的射级跟随单元，每一射级跟随单元的两端分别连接在外接电源的正负端，由于在实际测试过程中，电流峰值可能达到100A，而平均电流并不大，真接接普通350W的开关电源并不能满足要求，而选用100A的电源又不经济，因此，在所述外接电源的正负端之间还连接有可以产生瞬间大电流的电容或电容组，如图6所示，串联两个大电容便可以满足要求。

另外，为了保证扩流电路的安全，还包括有温度监测模块，用于监测射级跟随单元的温度，防止扩流过程中温度过高而损坏。

图7为本实用新型一具体实施例的中央处理模块的原理框图。本实施例中的中央处理模块包括MCU 31、漏极电流处理单元32和漏源电压处理单元33及显示单元34，所述漏极电流处理单元32与图3或图4中的电流传感器6的输出端连接，并将处理后的代表漏极电流的信号发送给所述MCU 31，所述漏源电压处理单元33与所述漏极端子12连接，并将处理后的代表漏源电压信号发送给所述MCU 31。

其中，述漏极电流处理单元32包括电流电压转换电路、参考电压电路322和比较电路323，所述电流电压转换电路可以采用图7中的霍尔器件321，其与来自于所述测试电路中的电流传感器6连接，将电流传感器6发送来的漏极电流转换为电压信号后输出给所述的比较电路323的一个输入端，所述比较电路的另一输入端接所述参考电压电路322，对所述由漏极电流转换的电压与参考电压进行比较，并将比较的结果发送给所述的MCU 31。所述漏源电压处理单元33包括电压衰减电路331和模数转换电路332，所述电压衰减电路331与所述漏极端子12连接，对从所述漏极端子12采集来的漏源电压进行衰减，电压衰减电路的一个具体实施例的电路原理图如图8所示，IN为高电压输入，OUT为低电压输出，通过该电路中的电阻的分压，很容易得到400倍的衰减，其中，最后一个电阻1.2是校准电阻。所述模数转换电路332对经过所述电压衰减电路331衰减的漏源电压进行模数转换，并将转换后的漏源电压的数字信号发送给所述MCU 31。

在本实用新型中，所述中央处理模块、VD源模块和VG源模块均具有MCU，他们之间可以通过通讯接相互通讯，具体实施方式如图9所示，每个模块的电路板都含有主控芯片ATmega16，相当于每块电路板都集成一个RS232总线控制器。主机由中央处理模块的电路板担任，根据图9中的接线方式可以看出这种连线方式属于主从式接法，板间的通讯由主机轮询完成。

由于每块主控芯片都具备控制功能，所以主机的工作量大大减少，仅仅是发出或接收数据，其余控制外部设备的任务由从机自行完成。以VD源为例，ATmega16已经集成了SPI总线控制DAC，有通用的7位端口控制液晶模块，除去4条在线下载仿真的JTAG接口，剩余18个通用可编程端口可用于继电器操作或者保留扩展，比起传统的地址扩展、数据总线复用的设计要简单得多。

另外，由于本实用新型采用如图9所示的主从通讯方式，因此，可以将分选机也做为一个从机，从而大大增加了本实用新型测试装置与分选机的通讯速度，在测试完成后，便可以由分选机进行分选，提高了分选的速度。

在本实用新型的一个具体实施例中，各个模块之间传送的数据，每帧符合RS232总线的帧格式，数据位长度为8位，一位停止位，带奇校验。主机在通讯时以数据包为单位，数据包格式如图10所示。主机一次性对从机发送5个字节的数据包，从机收到同步字节0x00后根据地址字节判断数据包方向，与地址对应的从机分析指令字节和2个数据字节后可以做出回应，以一个握手包或者主机要求查询的数据作为回应，若主机发生超时未收到握手包，数据错误回应，接收奇偶校验错误，会再次发送数据，如果重发次数过多，则会停止发送。

在本实用新型中，每一模块中的MCU均具有在线下载仿真的接口，通过与计算机相连，可以进行程序的下载、参数的修改、调试等操作。例如，真对不同型号的功率MOSFET管，所需的V_GS、I_AS(Peak non-repetitive avalanche current)、BVDSS各不同，但是测试的原理、方法、所需的电路是相同的，因此，仅需要通过在线修改这些参数即可。

以型号为IRF630的功率MOSFET管为例，测试条件：V_GS＝10V；V_DD＝50V；I_AS＝9A；Bvdss＝200V，Timeout＝5000us，L＝500uH。

如图11，为IRF630的测试波形。根据设定好的值，在测试的漏极电流I_D下降时间内，也就是漏极电流I_D从0.9I_AS下降到0.1I_AS的过程中，只要漏源电压V_DS不低于预设值Bvdss＝200V并且测试后漏源不短路，即可判定被测的IRF630合格。具体测试过程如图12所示：

检测过程中，首先进行预测试，即开路和短路测试，如果通过，再进行正常测试，即雪崩能量测试。

测试开始时，先使VD源模块为测试电路供电，即电源V_DD上电并保持在高电平，而后使VG源模块在功率MOSFET的栅极处施加一导通电压以使功率MOSFET开启。接着进行开路预测试，如果测试通过，则将VG源模块关断，此时进行短路预测试，如果测试通过，再重新使VG源模块上电，在功率MOSFET的栅极处施加一导通电压以使功率MOSFET开启进行雪崩能量测试。如果前述的开路预测试和短路预测试任一个没有通过，则说明本次测试没有通过。电源V_DD通过导通的回路向电感L充电，在电感充电储能期间，漏源间电流I_D逐渐近似呈线性上升，当电流达到设定值I_AS时，撤除栅极导通电压使功率MOSFET关断。功率MOSFET关断时，会在电感的两侧瞬时感应很高的电压，该电压加在MOSFET的漏极即雪崩电压V_BS。与此同时，由于能量在功率MOSFET内消耗，漏源电流I_D逐渐减小，若在I_D从0.9I_AS下降至0.1I_AS间漏源间电压V_DS能维持在BVdss之上，并能在I_D下降为零后返回至电源压值V_DD，则证明功率MOSFET性能完好通过测试。当I_D下降为零后，还要检测漏源电流I_D，只要漏极电流I_D不突然变大就认为没有短路。通常I_D会有一点很小的漏电流，功率MOSFET的型号不同，各项参数也不同，通常，短路电流都会超过1A。如果漏极电流I_D突然超过了1A，便可以认为漏源短路。

Claims

1.一种功率场效应管测试装置，包括测试电路和电感元件，所述测试电路包括用于与一个场效应管连接的源极端子、漏极端子和栅极端子，所述电感元件连接在漏极端子和电源端之间，其特征在于，包括中央处理模块、检测模块、VD源模块和结构与VD源模块相同的VG源模块，所述VD源模块的电源输出端为所述电源端；所述VG源模块的输出与所述栅极端子连接；所述检测模块包括设置在电感元件与场效应管漏极端子之间、用于检测漏极电流的电流传感器；所述电流传感器和用于获得漏源电压的漏极端子分别与中央处理模块连接，所述中央处理模块通过可扩展的通讯接口分别与所述VD源模块和VG源模块连接，控制VD源模块和VG源模块的输出。

2.如权利要求1所述的功率场效应管测试装置，其特征在于，所述VD源模块包括电源电路和控制电路，所述电源电路包括依次连接的DA电路和多级放大电路，所述控制电路包括MCU、隔离电路和换向电路，所述MCU通过所述隔离电路分别与所述DA电路和所述换向电路连接，所述换向电路的输入端与所述多级放大电路的输出端连接，所述换向电路的输出端作为所述VD源模块的电源输出端。

3.如权利要求2所述的功率场效应管测试装置，其特征在于，所述隔离电路包括光电耦合器，所述换向电路包括继电器。

4.如权利要求2或3所述的功率场效应管测试装置，其特征在于，所述VD源模块还包括扩流电路和温度监测模块，所述扩流电路的输入与所述换向电路的输出端相连，所述扩流电路的输出端作为所述VD源模块的电源输出端，所述温度监测模块与所述扩流电路连接，监测所述扩流电路的温度。

5.如权利要求4所述的功率场效应管测试装置，其特征在于，所述扩流电路包括多组并联的射级跟随单元，所述射级跟随单元的两端分别连接在外接电源的正负端。

6.如权利要求5所述的功率场效应管测试装置，其特征在于，在所述外接电源的正负端之间还连接有可以产生瞬间大电流的电容或电容组。

7.如权利要求1所述的功率场效应管测试装置，其特征在于，所述中央处理模块包括MCU、漏极电流处理单元和漏源电压处理单元，所述漏极电流处理单元与所述电流传感器的输出端连接，并将处理后的代表漏极电流的信号发送给所述MCU，所述漏源电压处理单元与所述漏极端子连接，并将处理后的代表漏源电压信号发送给所述MCU。

8.如权利要求7所述的功率场效应管测试装置，其特征在于，所述漏极电流处理单元包括电流电压转换电路、参考电压电路和比较电路，所述电流电压转换电路与来自于所述测试电路中的电流传感器连接，将电流传感器发送来的漏极电流转换为电压信号后输出给所述的比较电路的一个输入端，所述比较电路的另一输入端接所述参考电压电路，对所述由漏极电流转换的电压与参考电压进行比较，并将比较的结果发送给所述的MCU。

9.如权利要求7所述的功率场效应管测试装置，其特征在于，所述漏源电压处理单元包括电压衰减电路和模数转换电路，所述电压衰减电路与所述漏极端子连接，对从所述漏极端子采集来的漏源电压进行衰减，所述模数转换电路对经过所述电压衰减电路衰减的漏源电压进行模数转换，并将转换后的漏源电压的数字信号发送给所述MCU。

10.如权利要求1所述的功率场效应管测试装置，其特征在于，所述MCU的可扩展的通讯接口采用RS232总线分别与所述VD源模块和VG源模块连接进行通讯。