CN220752257U - 一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，包括高压电源、测试母板、高压电容、低压电源、第一驱动子板、第二驱动子板、信号源、负载电感、多通道示波器与上位机处理器，所述高压电源连接测试母板的输入端，所述测试母板连接高压电容的输入端，所述第一驱动子板与第二驱动子板之间均连接低压电源与信号源的输出端，所述多通道示波器连接上位机处理器的输入端。本实用新型所述的一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，通过配置高精度测试仪器以及自动测试软件来实现栅极电荷的测试，提供了两种方法测试栅极电荷方式，一是双脉冲方式测试栅极电荷，另一种是电阻方式测试栅极电荷。

Description

一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置

技术领域

本实用新型涉及碳化硅功率器件测试领域，特别涉及一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置。

背景技术

碳化硅功率器件栅极电荷测量装置是一种进行碳化硅功率器件测试的支撑设备，碳化硅功率器件有两个重要的参数，一个是导通电阻，另一个就是栅极电荷。因此栅极电荷和导通电阻的测量具有非常重要的作用。导通电阻是一个静态直流参数，比较容易测量，而栅极电荷的测量对激励源和测试电路的要求较高，其中特别是被测器件负载对观察器件栅极电荷的特性并正确测量至关重要，随着科技的不断发展，人们对于碳化硅功率器件栅极电荷测量装置的制造工艺要求也越来越高。

现有的碳化硅功率器件栅极电荷测量装置在使用时存在一定的弊端，目前碳化硅功率器件的栅极电荷一是由器件数据的技术资料提供，但是存在测试电流、电压条件有限，器件表征不全的情况，此外目前的碳化硅功率器件栅极电荷的测试设备设置比较复杂，测量结果准确度不高，测量精度不够，无法准确地测量出碳化硅功率器件的特性，为此，我们提出一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置。

发明内容

解决的技术问题：针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，通过配置高精度测试仪器以及自动测试软件来实现栅极电荷的测试，提供了两种方法测试栅极电荷方式，一是双脉冲方式测试栅极电荷，另一种是电阻方式测试栅极电荷，可以有效解决背景技术中的问题。

技术方案：为实现上述目的，本实用新型采取的技术方案为：一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，包括高压电源、测试母板、高压电容、低压电源、第一驱动子板、第二驱动子板、信号源、负载电感、多通道示波器与上位机处理器，所述高压电源连接测试母板，所述测试母板连接高压电容，所述第一驱动子板与第二驱动子板之间均连接低压电源与信号源，所述多通道示波器连接上位机处理器。

优选的，所述高压电源将市电220V交流电转换成幅值可调的直流电设备，所述高压电源的引出线正极连接到测试母板的电源正极，引出线负极连接到测试母板的电源负极，且经过高压电容为碳化硅功率器件提供母线电压。

优选的，所述测试母板根据所测试的碳化硅功率器件参数分为低压、中压、高压三种母板，所述高压电容安装在测试母板上。

优选的，所述低压电源将市电220V交流电转换成幅值可调的直流电电源，且低压电源为第一驱动子板、第二驱动子板提供驱动电源，所述第一驱动子板、第二驱动子板将信号源产生的波形转换成可以驱动为碳化硅功率器件的驱动电压，所述信号源通过转接头分别连接到第一驱动子板、第二驱动子板上，且为第一驱动子板、第二驱动子板提供驱动信号。

有益效果：与现有技术相比，本实用新型提供了一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，具备以下有益效果：该一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，通过配置高精度测试仪器以及自动测试软件来实现栅极电荷的测试，提供了两种方法测试栅极电荷方式，一是双脉冲方式测试栅极电荷，另一种是电阻方式测试栅极电荷，可更改导通电阻，负载分为感性负载和阻性负载；拥有独立的上位机测试软件，用于控制动态参数测试系统中的仪器，包括示波器，信号源，直流电源等，通过示波器捕获的电压电流波形，自动计算功率半导体的栅极电荷参数，直接生成报告，简化测试者的计算过程，测试效率高；简单易用，容易上手操作，设置简单，无需复杂的连线、测试方式；具有更高的测量精度和可重复性，具有更宽的测试量程；采用驱动板与示波器探头被独立安装在独立的安全保护舱内，从物理上进行隔离，以确保高压大电流工作状态下偶发故障不会对示波器、信号源和上位机电脑等设备造成损害，整个碳化硅功率器件栅极电荷测量装置结构简单，操作方便，使用的效果相对于传统方式更好。

附图说明

图1为本实用新型一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置的整体结构示意图。

图2为本实用新型一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置中测试母板原理图。

图3为本实用新型一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置中驱动子板原理图。

图4为本实用新型一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置中实验流程图。

图5为本实用新型一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置中测试下管栅极电荷测量的波形图。

图中：1、高压电源；2、测试母板；3、高压电容；4、低压电源；5、第一驱动子板；6、第二驱动子板；7、信号源；8、负载电感；9、多通道示波器；10、上位机处理器。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本实用新型，而不应视为限制本实用新型的范围。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

如图1-5所示，一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，包括高压电源1、测试母板2、高压电容3、低压电源4、第一驱动子板5、第二驱动子板6、信号源7、负载电感8、多通道示波器9与上位机处理器10，高压电源1连接测试母板2，测试母板2连接高压电容3，第一驱动子板5与第二驱动子板6之间均连接低压电源4与信号源7，多通道示波器9连接上位机处理器10，通过配置高精度测试仪器以及自动测试软件来实现栅极电荷的测试，提供了两种方法测试栅极电荷方式，一是双脉冲方式测试栅极电荷，另一种是电阻方式测试栅极电荷。

进一步的，高压电源1将市电220V交流电转换成幅值可调的直流电设备，高压电源1的引出线正极连接到测试母板2的电源正极，引出线负极连接到测试母板2的电源负极，且经过高压电容3为碳化硅功率器件提供母线电压。

进一步的，测试母板2根据所测试的碳化硅功率器件参数分为低压、中压、高压三种母板，高压电容3安装在测试母板2上。

进一步的，低压电源4将市电220V交流电转换成幅值可调的直流电电源，且低压电源4为第一驱动子板5、第二驱动子板6提供驱动电源，第一驱动子板5、第二驱动子板6将信号源7产生的波形转换成可以驱动为碳化硅功率器件的驱动电压，信号源7通过转接头分别连接到第一驱动子板5、第二驱动子板6上，且为第一驱动子板5、第二驱动子板6提供驱动信号。

进一步的，负载电感8通过按钮选择所需要的电感，且电感值有5挡选择，多通道示波器9为8通道示波器，且配套探头为高压差分探头、高压光隔离探头、电流探头。

工作原理：本实用新型包括高压电源1、测试母板2、高压电容3、低压电源4、第一驱动子板5、第二驱动子板6、信号源7、负载电感8、多通道示波器9、上位机处理器10；

碳化硅功率器件栅极电荷测量装置特性参数包含：总栅极电荷（Qg），平台栅极电荷（Qgs），栅漏极电荷（Qgd）；

图5是碳化硅功率器件栅极电荷测量装置测试下管栅极电荷测量的波形图，各参数释义如下：

总栅极电荷（Qg）是指碳化硅功率器件开通时，注入到栅极电极的电荷量。 从栅极电流Ig_start开始,到栅极电流Ig_End结束的电流与时间的乘积，称为总栅极电荷量。总栅极电荷的值越小，开关损耗越小。

平台栅极电荷（Qgs）是指碳化硅功率器件器件从接通转换为完全启动状态，所有Ig 电流进入Crss，因此 Vgs 不变。这一段该阶段的电荷称为 Qgd，Qgd 值影响碳化硅功率器件的开关性能。

栅漏极电荷（Qgd）是碳化硅功率器件器件从接通转换为完全启动状态，这一段该阶段的电荷称为 Qgd， 是指从母线电压Vds的97%开始,到母线电压Vds的10%结束的这段时间电流与时间的乘积。

高压电源是将市电220V交流电转换成幅值可调的直流电设备，最高幅值可达到2000V;高压电源的引出线正极连接到测试模板的高压电源正极，引出线负极连接到测试模板的高压电源正极，经过高压电容为碳化硅功率器件提供母线电压；

测试母板是根据所测试的碳化硅功率器件参数分为低压、中压、高压三种母板，测试母板可给所测试碳化硅功率器件参数更换为对应母板；

高压电容安装在测试母板上，高压电源产生的高压电源经高压电容后后为碳化硅功率器件提供母线电压；

低压电源是将市电220V交流电转换成幅值可调的直流电电源，幅值调节根据所测试碳化硅功率器件参数在上位机软件上设置，为第一驱动子板、第二驱动子板提供驱动电源；

第一驱动子板是将信号源产生的波形转换成可以驱动为碳化硅功率器件的驱动电压，驱动电压由低压电源提供；

第二驱动子板是将信号源产生的波形转换成可以驱动为碳化硅功率器件的驱动电压，驱动电压由低压电源提供；

信号源为通过转接头分别连接到第一驱动子板、第二驱动子板上，为第一驱动子板、第二驱动子板提供驱动信号；

负载电感可以通过按钮选择所需要的电感，电感值有5挡选择，是由安装在高压柜中的可变空心电感负载提供；负载电感一端连接到两个碳化硅功率器件的中心位置，另一端根据需要测试的要求并连到其中一个碳化硅功率器件上；

多通道示波器是使用8通道示波器，配套探头为高压差分探头、高压光隔离探头、电流探头，为是上位机测试平台提供测试波形；

上位机处理器分别高压电源、低压电源、信号源及多通道示波器相连，可直接对高压电源、低压电源、信号源进行参数设定以及测量波形、数据的处理，可以快速得到实验数据，减少操作者的计算过程；

图4是一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置的实验流程图；

S1准备是指：

1）系统上电是将高压柜的220V市电接口连接到外部电源，将高压电源、低压电源、示波器、工控机、工控机显示屏打开开关按钮；

2）仪器设置及探头校准是指将信号源、示波器参数提前设定好以及将和示波器所连接的探头进行校准；

3）将驱动板主板与系统连接，将电路板取出，背面连接接口包括绿色15V驱动板供电端子，USB控制板接口，上下管驱动接口（SMA），负载电感负端接口，以及2000V高压源和电压监测端接口。

4）根据测试需求，选择合适的负载电感抽头连接到测试电路中。黑色为电感公共端，通过螺丝连接到驱动电路的负载电感中间连接点（驱动电路背面）。红色为电感抽头，连接到驱动电路上管或下管负载电感连接点。

S2安装开关驱动板子板是指驱动板子板垂直安装于主板中间位置，通过两组14pin排针垂直安装。安装后，再用三个M3螺丝从连接处固定锁紧；

S3安装测试器件是指将功率器件根据管脚定义方向，安装在驱动板子的下管位置处。上管位置安装二极管；

S4更换下管导通电阻是指手动将测试板下管导通电阻(Ron)更换为阻值更大的电阻；

S5连接信号源是指正确连接下管驱动信号；

S6连接示波器是指按照测试需求连接示波器探头，下管栅极电压使用TPP1000 +MMCX转接头测试，下管Vds使用高压探头测试，下管Ig使用BNC同轴电缆配合50欧姆贯通式负载测试;

S7关闭保护舱是指点击防护罩闭合按钮，使保护舱门闭合，已达到保护作用；

S8打开高压开关点击高压上电按钮，将高压电源输出的高压电连接到测试平台上去;

S9软件置是指：

1）点击上位机软件程序，进行软件系统设置，设置信号源、示波器；

2）电路板选择是指根据硬件在软件设置中选择对应的母板；

3）电感选择是指硬件在软件设置中选择对应的母板选择对应的电感值；

4）探头设置是指根据不同的探头安装在示波器上不同的通道在上选择对应的通道，并进行探头的延迟时间、放大倍数等参数设置；

5）工况设置是指工况设置一栏内填写对应的测试参数；

S10开始测试是指设置完软件设置参数后，点击测试按钮，开始进行碳化硅功率器件动态栅极电测试，测试完成后由上位机软件生成报告。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二（一号、二号）等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上显示和描述了本实用新型的基本原理和主要特征和本实用新型的优点。本行业的技术人员应该了解，本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下，本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内。

Claims (5)

1.一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，包括高压电源（1）、测试母板（2）、高压电容（3）、低压电源（4）、第一驱动子板（5）、第二驱动子板（6）、信号源（7）、负载电感（8）、多通道示波器（9）与上位机处理器（10），其特征在于：所述高压电源（1）连接测试母板（2），所述测试母板（2）连接高压电容（3），所述第一驱动子板（5）与第二驱动子板（6）之间均连接低压电源（4）与信号源（7），所述多通道示波器（9）连接上位机处理器（10）。

2.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，其特征在于：所述高压电源（1）将市电220V交流电转换成幅值可调的直流电设备，所述高压电源（1）的引出线正极连接到测试母板（2）的电源正极，引出线负极连接到测试母板（2）的电源负极，且经过高压电容（3）为碳化硅功率器件提供母线电压。

3.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，其特征在于：所述测试母板（2）根据所测试的碳化硅功率器件参数分为低压、中压、高压三种母板，所述高压电容（3）安装在测试母板（2）上。

4.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，其特征在于：所述低压电源（4）将市电220V交流电转换成幅值可调的直流电电源，且低压电源（4）为第一驱动子板（5）、第二驱动子板（6）提供驱动电源，所述第一驱动子板（5）、第二驱动子板（6）将信号源（7）产生的波形转换成可以驱动为碳化硅功率器件的驱动电压，所述信号源（7）通过转接头分别连接到第一驱动子板（5）、第二驱动子板（6）上，且为第一驱动子板（5）、第二驱动子板（6）提供驱动信号。

5.根据权利要求1所述的一种碳化硅功率器件栅极电荷测量装置，其特征在于：所述负载电感（8）通过按钮选择所需要的电感，且电感值有5挡选择，所述多通道示波器（9）为8通道示波器，且配套探头为高压差分探头、高压光隔离探头、电流探头。