IGBT功率器件静态参数测试解决方案

概述

IGBT及其应用发展

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是电力控制和电力转换的核心器件，是由BJT(双极型晶体管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,具有高输入阻抗、低导通压降、高速开关特性和低导通状态损耗等特点，在较高频率的大、中功率应用中占据了主导地位。

目前IGBT已经能够覆盖从600V-6500V的电压范围,应用涵盖从工业电源、变频器、新能源汽车、新能源发电到轨道交通、国家电网等一系列领域。

IGBT功率半导体器件主要测试参数

近年来IGBT成为电力电子领域中尤为瞩目的电力电子器件，并得到越来越广泛的应用，那么IGBT的测试就变的尤为重要了。GBT的测试包括静态参数测试、动态参数测试、功率循环、HTRB可靠性测试等,这些测试中最基本的测试就是静态参数测试。

IGBT静态参数主要包含:栅极-发射极值电压VGE(th)、栅极-发射极漏电流IGES、集电极-发射极截止电流ICES、集电极-发射极饱和电压VcE(sat)、续流二极管压降VF、输入电容Ciss、输出电容Coss、反向传输电容Crss只有保证IGBT的静态参数没有问题的情况下，才进行像动态参数(开关时间、开关损耗、续流二极管的反向恢复)、功率循环、HTRB可靠性方面进行测试。

IGBT功率半导体器件测试难点

IGBT是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件,兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点;同时IGBT芯片属于电力电子芯片，需要工作在大电流，高电压、高频率的环境下,对芯片的可靠性要求较高。这给IGBT测试带来了一定的困难:

1、1GBT是多端口器件,需要多种仪表协同测试；

2、GBT的漏电流越小越好,需要高精度的设备进行测试;

3、GBT的电流输出能力很强，测试时需要快速注入1000A级电流，并完成压降的采样;

4、GBT耐压较高,一般从几千到一万伏不等，需要测量仪器具备高压输出和高压下nA级漏电流测试的能力;

5、由于IGBT工作在强电流下，自加热效应明显:严重时容易造成器件烧毁，需要提供us级电流脉冲信号减少器件自加热效应;

6、输入输出电容对器件的开关性能影响很大，不同电压下器件等效结电容不同，C-V测试十分有必要。

普赛斯IGBT功率半导体器件静态参数测试解决方案

普赛斯IGBT功率器件静态参数测试系统，集多种测量和分析功能一体，可以精准测量IGBT功率半导体器件的静态参数,具有高电压和大电流特性、u级精确测量、nA级电流测量能力等特点。支持高压式下测量功率器件结电容，如输入电容、输出电容、反向传输电容等。

普赛斯IGBT功率器件静态参数测试系统配置由多种测量单元模块组成，系统模块化的设计能够极大方便用户添加或升级测量模块，适应测量功率器件不断变化的需求。

无与伦比的“双高”系统优势

高电压、大电流

具有高电压测量/输出能力，电压高达3500V(最大可扩展至10kV)

具有大电流测量/输出能力，电流高达4000A(多模块并联)

高精度测量

nA级漏电流，uQ级导通电阻

0.1%精度测量

模块化配置

可根据实际测试需要灵活配置多种测量单元系统预留升级空间，后期可添加或升级测量单元

测试效率高

内置专用开关矩阵，根据测试项目自动切换电路与测量单元

支持国标全指标的一键测试

扩展性好

支持常温及高温测试

可灵活定制各种夹具

魔方”式的系统组成

普赛斯IGBT功率器件静态参数测试系统，主要由测试仪表、上位机软件、电脑、矩阵开关、夹具、高压及大电流信号线等构成。整套系统采用普赛斯自主开发的静态测试主机，内置多种电压、电流等级的测量单元。结合自主开发的上位机软件控制测试主机，可根据测试项目需要,选择不同的电压、电流等级，以满足不同测试需求。

系统主机的测量单元，主要包括普赛斯P系列高精度台式脉冲源表、HCPL系列高电流脉冲电源、E系列高压源测单元、C-V测量单元等。其中，P系列高精度台式脉冲源表用于栅极驱动与测试使用，最大支持30V@10A脉冲输出与测试;HCPL系列高电流脉冲电源用于集电极、发射极之间电流测试及续流二极管的测试,15us的超快电流上升沿,自带电压采样，单设备支持最大1000A脉冲电流输出;E系列高压源测单元用于集电极、发射极之间电压、漏电流测试,最高支持3500V电压输出，并且自带电流测量功能。系统的电压、电流测量单元,均采用多量程设计,精度为0.1%。

国标全指标的“一键”测试项目

普赛斯现在可以提供完整的IGBT芯片和模块参数的测试方法，可以轻松实现静态参数I-V和C-V的测试，最终输出产品Datasheet报告。这些方法同样适用于宽禁带半导体SiC和GaN功率器件。

上表仅列举部分IGBT静态参数测试项目

使用普赛斯IGBT功率半导体静态参数测试系统

快速、精准、高效测量

传统测试系统的搭建，通常需要切换测试仪表和器件连接方式才能完成功率器件I-V和C-V整体参数测试，而普赛斯IGBT功率器静态参数测试系统内置专用开关矩阵，根据测试项目自动切换电路与测量单元,同时可灵活定制各种夹具，从而可以实现1-V和C-V全参数的自动化测试。只需要设置好测试条件,将器件放置在测试夹具中，就可以帮助您快速高效且精准的完成测试工作。

VcE(sat)(集电极-发射极饱和电压)

参数意义:VcE(sat)指一定栅极电压下,c达到饱和时的集电极-发射极间的电压压值，它是表征IGBT导通功耗的主要参数,对开关功耗也有一定的影响。需要注意的是，由于漏极和发射级间电流较大(一般为几百安培~几千安培)，直流或者宽脉冲电流源供电易产生自热效应,导致测试结果不准，甚至损毁器件。因此，这就要求测试设备具有us级窄脉冲以及KA级大电流输出能力。

VGE(th)(IGBT开启阈值)

参数意义:VGE(th)指集电极有微弱电流流过时栅极电压，用于衡量IGBT栅极导通阈值。测试方法一般在G、E两端上加同步的扫描电压，并同步测试电流。当其值等于额定值时的VG记为VGE(th)，一般在mA左右。或在G、E两端直接加载指定的电流，并测试其电压。因此,具有单点测试、连续扫描以及微弱信号检测能力的源表单元，是进行VGE(th)测试的重要工具。

ICES(栅极短路集电极-发射极漏电流)

参数意义:cEs指当栅极与发射极处于短路的状态时在集电极外加指定的电压时C-E间的漏电流。将G、E短接，并在C、E端加额定偏置电压，并同步测量电流。一般VCE偏置电压较大，从几百伏到几千伏不等，而ICES漏电流较小(低至uA级别)。因此，需要测试单元在提供高压的同时,能够同步检测微弱电流信号。

IGES(集电极短路栅极-发射极漏电流)

参数意义:GES指当集电极与发射极处于短路的状态时在栅极外加指定的电压时G-E间的漏电流。测试方法是，将C、E短接后,在G、E端提供固定偏置电压，并测量漏电流。G、E端漏电流较小,一般为nA级。因此,需要能够检测nA微弱信号的源表单元，才能完成测试。

V(续流正向压降)

参数意义:通常IGBT集电极与发射极间会反向并联一个二极管,用来避免后端电路极高的感生电压击穿IGBT。VF测试原理基本与VcE(sat)的测试基本相同，不同的是将G、E极短路，并在正负极加载方向相反的电流。这就对大电流源设备提出了双极性输出的测试要求。

IGBT C-V测试方案

V测量常用于定期监控IGBT的制造工艺，通过测量IGBT电容高频和低频时的C-V曲线，可以得到栅化层厚度tox、氧化层电荷和界面态密度Dit、平带电压Vfb、硅衬底中的掺杂浓度等参数。一般包括Cies(输入电容)、Coes(输出电容)以及Cres(反向传输电容)的测试。常用测试方法为，在集电极与发射级间施加直流偏压，同时利用一个交流信号(频率一般在10KHz到1MHz之间)进行测量。

IGBT静态测试夹具方案

针对市面上不同封装类型的IGBT产品，普赛斯提供整套夹具解决方案，可用于TO单管、半桥模组等产品的测试。

总结

普赛斯以自主研发为导向，深耕半导体测试领域在I-V测试上积累了丰富的经验，先后推出了直流源表、脉冲源表、高电流脉冲源表、高电压源测单元等测试设备，广泛应用于高校研究所、实验室、新能源、光伏、风电、轨交、变频器等场景。