功率半导体器件测试用脉冲电流源的设计与实现

功率半导体器件测试用脉冲电流源的设计与实现

郭杰

西安派瑞功率半导体变流技术股份有限公司 陕西西安 710000

摘要：随着大功率设备在机械控制领域的不断产生，功率半导体设备的控制水平也在不断提高，这给生产和测试带来了许多挑战。在本文中，我们对功率半导体器件进行脉冲电流的测试，以决定脉冲电流源的内部排列传播参数，详细描述了脉冲电流源的程序和设备计划以及使用策略，最后确认了其产量特性。在展会上，脉冲电流源在IGBT大功率半导体设备的测试中取得了巨大成就。关键词：功率半导体；器件测试；脉冲电流源

随着控制性半导体元件的改进，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）因其输入阻抗高、开/关速度快、控制电路简单等特点，正不断取代MOSFET、SCR、双极达林顿管等控制性元件，并被广泛用于逆变电路、伺服控制框架、交流发动机控制、不间断控制电源、斩波器控制电源和其他机械发电。

一、功率半导体器件的发展前景

半导体工业的发展始于器件，是半导体工业的最初产物，虽然集成电路的发明和快速发展使一些器件被集成到集成电路中，但半导体器件由于通用性强、应用范围广，且具有大功率、大电流、高反压、高频率、高速度、高灵敏度、低噪声等特点和优势，因不易集成或集成成本太高而独立存在。全球器件市场一直保持着稳定的上升势头，尤其是中国器件市场，二极管、三极管、功率晶体管等产品的销量增长迅速，中国已成为全球最大的半导体器件生产和应用市场。

据世界半导体市场统计，1994年至1999年，世界半导体器件产业需求持续上升，1994年销售额为104.82亿美元，1999年为133.83亿美元，这几年的平均增长率为5.01%。从数据上看，半导体器件产业已经发展得相当成熟，拥有巨大的市场，根据相关的报告，06年的增长率约为3%，而2007年的增长率为9%，1990年至2010年的年平均增长率为8%。这说明半导体器件产业具有非常广阔的市场前景，一直发挥着不可替代的关键作用。

在功率半导体器件的实际测试过程中，当测试设备需要对被测器件施加较大的功率时，被测器件会因为芯片温升而导致测试数据漂移不稳定，甚至施加时间过长而损坏器件。为了减少温升的影响，国标规定了功率半导体器件参数测试可采用脉冲测试法，即测试设备向被测器件施加满足功率条件的瞬时单脉冲信号，进行半导体器件参数测试。当前，在控制半导体设备测试设备的展示中，外部进口硬件占据了绝大部分的市场份额，普通硬件是瑞士LEMSYSSA公司用于IGBT测试的。由本国公司生产的测试硬件在测试运行和执行记录方面与外部同类产品存在一定的差距。

二、功率半导体器件测试的意义

对于半导体设备的测试，首要的是使被测设备满足所需的测试条件，即进入所需的工作点，另外还要满足所需的测试温度前提条件，这样测得的信息才有可行性。但在扩展到测试条件和温度会影响测试的参数时，有一点很容易被忽视，就是测试条件下的设备所消耗的控制会导致被测设备的额外温升，额外温升的措施取决于被测设备在测试条件下的传播控制、分散控制支持时间和被测设备的热阻。

在大多数情况下，由于被测设备在开始阶段的温升曲线更极端、更直，升温速度更快，由测试信息失误引起的额外温升通常比个人想象的更真实，因为在许多情况下，芯片的额外温升不是几度，而是十几度，甚至几十度。这时，测试就会失去其实际的意义。为了减少额外温升的影响，原来的方法是缩短测试时间；由于测试条件的参数是标准化的，不能改变测试条件来减少控制的使用，设备的耐温性也是客观存在的，所以要缩短测试时间，使被测设备的额外温升可以不明显，使被测设备的温度接近所需的周围温度。

半导体设备的需求量已经变得越来越大，所以如何在大规模生产中保证半导体设备的特性，同时满足标准参数，已经成为生产者的生产质量和生产效率的一个巨大问题。目前，大多数国产的大型半导体设备生产商利用进口的设备测试硬件，尽管保证了产品的质量，但也带来了高额的生成成本、专业的支持和通信挑战、高额的专业支持成本、较长的交货期、设备升级和更新的麻烦让每一个企业感到很头痛，这真正影响了企业的核心竞争力，限制了事业的快速发展。

同时，国内的检测设备的调查和改进还很不充分，所制造的硬件或必须进行物理试验，或不能保证高估的速度和准确度，或只能对单一部件进行测量。简而言之，许多国产测试设备不能与企业的完全机械化生产线一起使用。因此，半导体设备的综合测试框架的调查变得异常重要。在准备攻克测试的关键创新，创造高精度、多功能的分析仪，并与分选机相配合的情况下，我们将大踏步地提高项目的质量，提高生成效率和程序化生成的测试水平，并摸索出制约半导体捆绑测试行业发展的关键专业问题。利用这一创新技术来规划和制造稳定而坚实的软件和硬件，打破长期被垄断的商业模式，推动中国半导体设备行业的发展，是非常值得关注的。

三、测试系统的总体结构

该脉冲电流源采用隐蔽的平面结构，包括一个高压充电单元、一个充电保证单元、一个高压估算单元、一个LC充电和释放组织、一个释放协调单元、一个脉冲发现单元和一个观察和控制单元。脉冲电流源主要被隔离为两部分：设备和计算机程序。检查和控制单元通过发送控制信号来控制高压充电单元向LC充电和释放组织提供控制，高压测量单元实时收集LC充电和释放安排的电压强度并反馈给观察和控制单元。当电压收集值与框架设定值持平时，观察和控制单元控制释放协调单元释放电流，之后脉冲发现单元将收集到的脉冲电流标志传输给观察和控制单元进行显示。当被测设备由于错误的人为操作而脱离时，观察和控制单元开始释放保证单元并停止对高压充电单元的控制供应。在停止电流供应后，检查和控制单元关闭释放保证单元，并计划对LC充电和释放组织进行充电。

脉冲电流源的设备部分实现了脉冲标志大小、方向、变化和电路保证的能力。在充电电路中，高压充电单元为LC充电和释放安排提供控制。定制的直流高压源的控制电压是位于两端的脉冲控制电压决定的，通过假设计算应该选择6000V的高压直流源；充电安全单元不应该保持大容量电容器的充电速度，但更应该确保在短暂电路的情况下可以停止充电并及时释放充电。高电压发现单元和脉冲定位单元将大容量电容器两端的电压和LC充电和释放排列产生的脉冲电流转变为小信号，供检查和控制单元使用。LC充电和释放排列主要由大容量电容器和调谐电感组成，以满足方波形状的上升和下降时间要求。

释放电路的释放开关应选用冲击时间快、通流能力强、接触电感电阻小的水银开关；堆积电阻值的确定根据LC充放电路的阻抗选择，并通过假设计算选择1欧姆的非电感电阻。观察和控制单元主要实现充电和释放控制、电路保证和收集电压和电流信号的能力。脉冲电流源的最极端的控制脉冲电流充分性达到3000A，它必须在最近的一段时间内通过分流器改变。当确认脉冲电流源的产量精确性时，脉冲电流的充分性是根据选择波形稳定部分的中心三分之一的点确定准则来计算的，脉冲电流源的产量精度一般是通过测量不同的产量重点来测量的。

参考文献

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作者简介：郭杰(1984.6.16 )，男，汉族，陕西西安人，本科学历。主要研究方向：电力电子。