IGBT曲線分析儀 MOSFET Curve Tracer
 
IWATSU CS-3000 IGBT MOSFET Curve Tracer
可以取代 Tektronix 370 371
 
 

由於IGBT在功率半導體的市場日趨重要,使用新的測試方法來測試產品特性及生產是必須的。在此介紹的模組化測試系統是瞄準功率電晶體的靜態及動態量測,討論的是IGBT設計者或是此類設備採購者最關切的需求。首先列出IGBT測試所須的線路圖並定義所有的參數,最後再就控制系統的選擇舉一實例來說明該系統的基本架構。

IGBT測試系統需求

近年來,電子工業不斷發展功率元件及系統,而電力電子工業中使用IGBT裝置的數量也急速增加。由半導體至電力產品之製造廠皆希望在這些產品中改善成較好的效率及降低所有工業製程步驟的成本,從產品的研發至最後產品品質的控制過程皆必須被完善控制。對這些所有的步驟,測試相對地變的非常重要,且必需準確及可靠。對在生產過程而言, 測試設備須具備多樣的特點來配合不同的測試需求。研發工程師需要知道其特性便於其設計,生產的人員須要快速且容易使用的工具,可控制他們的生產製程,品質管制人員則需要檢查他們所組合的產品的特性及收集他們的結果來做統計分析。

(一)多用途性(Versatility)

現代的測試設備所須的功能,必須能不被限制其最大電流及電壓之供給。目前IGBT的產品其電流可通過1200A及阻斷電壓可高達3300V,但不久之後IGBT的產品即會有達到4500V及2000A的能力。且無人可預測未來其電壓及電流可達到多少,再者,現今IGBT 的測試設備,也須能測試新元件MCTS ( MOS Contrlled Thyristort) 或是IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor)。

因此,測試設備的評估上,須能適應及符合未來可能的發展,其不論是硬體,如電壓電流產生器或軟體上。

IWATSU公司推出的CS-3000給用戶提出了最佳的解決方案

(二)操作簡單(Ease of Handling)

測試設備除了上述之特色外,應仍保持操作簡單及效率佳的能力。達此目的最佳之方法即是使用者不須具備特殊訓練即可操作此設備。如有使用晶體管特性圖示儀的用戶,操作起來會更加方便。此測試系統亦可經常地改變測試的半導體元件的型式(通常一天數次),對新的半導體元作的型式其可能會須要不同的制具(jig),或是更複雜的驅動閘控制,或是一緩衝器 (Sunbber) 的保護等。因此,使用模組化系 統即可達到上述之需求。在一個基本的測試系統上,加上一些可更換的測試單元,使其可執行不同範圍產品的量測。

(三)安全性(Safety)

IGBT的測試系統因其可提供非常高的電壓輸出,對操作者來講是有一 潛在的危險性,當在操作高電壓及大電流時,操作員的安全性應予以考慮,即該設備須在不同國家的規範中皆可符合其安全標準。

在執行測試時,在危險的區域應使用滑動式門鎖定而予以保護,所有參數皆應設置於安全的工作區域中,所有的保護措施的控制皆應由硬體部份來控制,而不是軟體來控制。很顯然的,在整條生產線上(研發測試時),時間是一個很重要的因素,因此,安全系統必須要很方便,而盡可能地對測試的速度影響愈小愈好。

靜態測試(Static tests)

此測試之目的在提供元件(device)的詳細特性,讓設計者能精確地預測元件在穩態(Steady state)情況時之行為,此可協助使用者選擇最佳的元件來用於他的應用中,更進一步地讓其對與半導體元件相連接的設備如:電壓鉗式單元,閘極驅動,冷卻系統等的設計更為妥切。

(一)集射極崩潰電壓 (Collector Emitter Breakdown Voltage) VCEs

量測於特定的集極電流IC下閘極短路至射極時,跨於集、射極兩端之電壓為VcEs 如圖1, IGBT 的集射極崩潰電壓是會隨著介面(Junction)溫度增加而增加的(典型對600V之IGBT 會有0.7V/℃)

(二)集極至射極的洩漏電流IcEs 〔或稱為集極的截止(Cut-off )電流〕

在額定的集射極電壓和閘射極短路下之集極電流為IcEs值(如圖2), IcEs的量測通常在25℃及最大的工作介面(Junction)溫度,且集極洩漏電流 亦會隨介面溫度升高而增加。因此,在測試期間限制電流流過及避免 thermal升高是很重要的。

(三)集極至射極的飽和電壓   (Collector to emitter saturation voltage) VcEsat
VcEsat(圖3)是在特定的集極電流,閘射極電壓及介面溫度時之集射極導通電壓VcEsat是相當重要的特性,因為其會決定導通之損失,在大的 極電流時,測試的脈衝必須非常短,如此不致有過多之損失。

 

(四)二極體順向電壓(Diode Forward Voltage) VF

VF(圖4)是指IGBT模組中的飛輪二極體(Freewheeling Diode)在特定電流

及介面溫度時之順嚮導通電壓值。

(五)閘極臨界電壓(Gate threshold Voltage) VGeth

VGeth(圖5)是指在特定集極電流及閘極短路至集極時之射極的電壓值。 當閘射極電壓小於臨界值時IGBT是OFF狀態,因此閘極臨界電壓即是閘射極電壓使IGBT導通並流過特定的集極電流。VGEth是隨著介面溫度遽增而遞減的(-11mV/℃)。

 

(六 )跨導(Transconductance) gfs

跨導(gfs)(圖6)是於特定集極電流時,集極電流和閘射極電壓之商數 。 跨導是用來表示IGBT增益的方式。由於跨導的量測是在清楚嚴格的特定條件下所做的兩個量測之值,因此,測試設備的精準性對測試結果有很大的影向力。

 

第二種方法是調整閘射極電壓至特定的集射極電壓(VP)並思考下列式子:

△ VGE = △Vp

IGBT的順向跨導是會隨著介面溫度升高而增加的,其原因在於定閘極電壓時,增加集極電流時,因電流Thermal run-away而會使晶片溫度升高,因此IGBT 並不被建議來當做一個線性放大器使用。

(七)閘極電荷(QGE, QcG, QG)及閘極電容(Cies, Coes, Cres)

QGE(圖7)是由驅動電路傳送。使用閘射極電壓達可維持特定集極電流之電荷值。 QCE是由驅動電路傳送。允許跨於閘極電容的電壓,由特定之值降至最後導通值之電荷值。 QG是閘極總電荷值,是QGe是QcG及另一附加之成份之總和,此附加之值和閘極〞Overdrive〞電壓有關由於有一些未知的雜散(stray) 電容存在電路中,所以校正脈衝是必須的。在每一測試前都會先測試雜散(Stray)電容,並用該值來修正閘極電荷/電容之值。此雜散電容會依接線及氣候溫度等條件而變化。

閘極電荷及電容之規格在規劃閘極驅動電路及決定閘極驅動損失時是非常有用的。

(八)閘極至射極之洩漏電流IGEs

IGEs(圖8)是指在特定的閘射極電壓及集極短路至射極時閘極之洩漏電流 。此測試可能可以知道正或負的閘射極電壓。所量測的電流是相當小的,因此,脈衝至少須維持一個電源週期的積分時間,避免因閘極電容吸收的電流所產生之誤差。此量測必須在閘極電壓穩定後才可進行。

 

 
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