芯片測試大講堂——寬禁帶半導(dǎo)體模塊動態(tài)參數(shù)測試

芯片測試大講堂系列又和大家見面了。本期，我們來聊聊寬禁帶（WBG）半導(dǎo)體模塊的動態(tài)參數(shù)測試，以及是德科技新面市的雙脈沖測試（DPT）系統(tǒng)PD1550A。

前言：

2022年是汽車800V高壓快充元年，電動汽車800V 高壓系統(tǒng)+超級快充，可以實現(xiàn)充電10 分鐘，續(xù)航300公里以上，能有效解決充電及續(xù)航焦慮；基于寬禁帶（WBG）器件組成的功率模塊是800V模組的核心，對其的動態(tài)參數(shù)（DPT）測試也面臨很多挑戰(zhàn)。

本文中我們總結(jié)了目前在功率模塊DPT測試面臨的挑戰(zhàn)，以及新的動態(tài)參數(shù)測試黑科技。

1、功率半導(dǎo)體DPT測試面臨的挑戰(zhàn)

高功率密度測試能力

功率模塊通常比分立功率器件具有更高的功率密度，因為其通過集合多個場效應(yīng)晶體管（FET）芯片以增加電流。對于一些電動車應(yīng)用來說，采用增加電壓或大電流來減少充電時間和延長續(xù)航能力尤為必要。測試設(shè)備必須具備對高壓高流的測試能力能力，才能更好的對WBG電源模塊進行評估。

準(zhǔn)確測量上管Vgs

大多數(shù)電力電子應(yīng)用需要半橋結(jié)構(gòu)作為變頻器和轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)，根據(jù)不同的應(yīng)用，市面上常見的如二合一、四合一或六合一的配置。而對于分立器件的測試，如TO-247封裝，多數(shù)情況下只需要測試器件的下管即可評估其性能。然而，對于功率模塊，我們不能假定上管和下管的特性一致，需要同時對上管和下管進行測量，以確定整個半橋模塊的特性，這是由于在半橋結(jié)構(gòu)中，上管與下管之間的結(jié)點處電壓是隨著開關(guān)動態(tài)變化的。

這就意味著針對上管的測試非常具有挑戰(zhàn)性，尤其是在很低的柵極電壓情況下，如10~20V，當(dāng)源極上下切換時，實現(xiàn)幾百伏的電壓轉(zhuǎn)換速率是極為困難的，除非使用高共模抑制測量技術(shù)。當(dāng)測量上管Vgs時，高的共模抑制比是進行準(zhǔn)確測量的重要參數(shù)，而測量探頭的帶寬和噪聲也是能夠準(zhǔn)確測量的關(guān)鍵因素。

圖：上管Vgs測試示意

被測件DUT的焊接

評估功率模塊時，電路板的布局需要仔細(xì)設(shè)計，因為雙脈沖測試（DPT）測試板集成了幾乎所有的雙脈沖測試元件，比如與電源模塊的連接器、柵極驅(qū)動器、去耦電容以及電流測量模塊。而被測件通常被焊接到測試板上，以減少雜散電感。由于測試過程中反復(fù)焊接不同的待測件，使得對功率模塊的測量過程費時費力。

測試結(jié)果的一致性與操作的安全性

基于新一代寬禁帶器件組成的功率模塊，其電壓和電流的容限更高，對測試儀器的精度和安全性也要求更高，每次測試都需要對儀器進行校準(zhǔn)，使用傳統(tǒng)的硅(Si)功率器件的動態(tài)功率模塊測試儀，或者函數(shù)發(fā)生器、電源、示波器和探頭集成的簡易設(shè)備，已經(jīng)很難適應(yīng)新型的IGBT和SiC模塊測試需求；另外隨著功率模塊動輒幾百伏的電壓和幾百安的電流容限，對測試人員和設(shè)備的保護也變得越來越重要。

評估模塊的結(jié)溫特性

功率模塊的溫度依賴性在動態(tài)測量是至關(guān)重要的，因為模塊最終使用的場景往往要在惡劣的環(huán)境中進行，比如炎熱的沙漠、潮濕的熱帶雨林或極度寒冷的高緯度地區(qū)，測試系統(tǒng)也需要具備相應(yīng)的高低溫的測試能力。

2、是德科技動態(tài)參數(shù)分析系統(tǒng)PD1550A

面對以上挑戰(zhàn)，是德科技在原有功率器件動態(tài)器件測試經(jīng)驗基礎(chǔ)上，開發(fā)了針對功率模塊測試的PD1550A雙脈沖測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)很適用于做汽車OEM和一級電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計的小伙伴們，其特點總結(jié)如下：

1?高功率密度

新測試系統(tǒng)，電壓提高到1360 V，電流容量從200A增加到1000A，仍然使用同軸分流器作為電流傳感器，以保證高帶寬的電流測量，如下圖。

圖：PD1550A測試系統(tǒng)的電流容量

2?"真脈沖隔離探頭技術(shù)"

"真脈沖隔離探頭技術(shù)"的推出，能夠很好的解決上管柵極電壓Vgs測試的挑戰(zhàn)。新探頭的設(shè)計，能夠保證與其他探頭完全隔離，可以準(zhǔn)確測量半橋功率模塊中的上管Vgs。“真脈沖隔離探頭” 與其他隔離探頭相比，具有足夠的CMR，如圖1，和優(yōu)越的噪聲性能，如圖2。

圖1：探頭CMR特性曲線測試

圖2：探頭噪聲特性曲線測試

3?可定制非焊接的夾具板

與被測件連接的接口板是可以根據(jù)電源模塊的布局進行定制的，如下圖是一個定制測試板的示意，夾具板在和被測件模塊連接時不需要焊接，但可以形成類似焊接的連接，這樣可以在多個被測件DUT上重復(fù)使用，可以有效的節(jié)省換件的時間，提高效率。

圖：可定制的測試夾具板示意

同時，在測量功率模塊時，柵極電阻（Rg）是很重要的組件，每個柵極電阻模塊都有一個EEPROM，其中包含電阻值等信息。使用動態(tài)參數(shù)測試軟件，可以自動識別電阻值并使用該值進行測試，這樣可以極大的減少操作失誤，能夠進一步提高系統(tǒng)可靠性。

4?高低溫測量

PD1550A支持兩種類型的熱管理技術(shù)。

A. 熱板，允許的溫度范圍從室溫到200℃。

B. ThermoStream®技術(shù)，支持在-40℃的寒冷環(huán)境和200℃的高溫進行測量，熱測試設(shè)備由系統(tǒng)軟件自動控制，能夠很簡單的獲得與溫度有關(guān)的特性參數(shù)。

5?對測試人員和設(shè)備進行安全保護

進行大電流和大電壓的測試，對被測件和操作人員的保護也是很重要的，PD1550A采用的機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠確保只有在完全關(guān)閉的柜門的情況下，才能進行下一步測試；在電路安全性設(shè)計方面，也通過了如 CSA、CE 和 KCC等測試，確保能夠最大限度的保護測試人員，待測模塊和測試設(shè)備。