芯片测试大讲堂系列又和大家见面了。本期,我们来聊聊宽禁带(WBG)半导体模块的动态参数测试,以及是德科技新面市的双脉冲测试(DPT)系统PD1550A。

 

前言:

 

2022年是汽车800V高压快充元年,电动汽车800V 高压系统+超级快充,可以实现充电10 分钟,续航300公里以上,能有效解决充电及续航焦虑;基于宽禁带(WBG)器件组成的功率模块是800V模组的核心,对其的动态参数(DPT)测试也面临很多挑战。

 

本文中我们总结了目前在功率模块DPT测试面临的挑战,以及新的动态参数测试黑科技。

 

1、功率半导体DPT测试面临的挑战

 

高功率密度测试能力

功率模块通常比分立功率器件具有更高的功率密度,因为其通过集合多个场效应晶体管(FET)芯片以增加电流。对于一些电动车应用来说,采用增加电压或大电流来减少充电时间和延长续航能力尤为必要。测试设备必须具备对高压高流的测试能力能力,才能更好的对WBG电源模块进行评估。

 

准确测量上管Vgs

大多数电力电子应用需要半桥结构作为变频器和转换器的基础,根据不同的应用,市面上常见的如二合一、四合一或六合一的配置。而对于分立器件的测试,如TO-247封装,多数情况下只需要测试器件的下管即可评估其性能。然而,对于功率模块,我们不能假定上管和下管的特性一致,需要同时对上管和下管进行测量,以确定整个半桥模块的特性,这是由于在半桥结构中,上管与下管之间的结点处电压是随着开关动态变化的。

 

这就意味着针对上管的测试非常具有挑战性,尤其是在很低的栅极电压情况下,如10~20V,当源极上下切换时,实现几百伏的电压转换速率是极为困难的,除非使用高共模抑制测量技术。当测量上管Vgs时,高的共模抑制比是进行准确测量的重要参数,而测量探头的带宽和噪声也是能够准确测量的关键因素。

 

图:上管Vgs测试示意

 

被测件DUT的焊接

评估功率模块时,电路板的布局需要仔细设计,因为双脉冲测试(DPT)测试板集成了几乎所有的双脉冲测试元件,比如与电源模块的连接器、栅极驱动器、去耦电容以及电流测量模块。而被测件通常被焊接到测试板上,以减少杂散电感。由于测试过程中反复焊接不同的待测件,使得对功率模块的测量过程费时费力。

 

测试结果的一致性与操作的安全性

基于新一代宽禁带器件组成的功率模块,其电压和电流的容限更高,对测试仪器的精度和安全性也要求更高,每次测试都需要对仪器进行校准,使用传统的硅(Si)功率器件的动态功率模块测试仪,或者函数发生器、电源、示波器和探头集成的简易设备,已经很难适应新型的IGBTSiC模块测试需求;另外随着功率模块动辄几百伏的电压和几百安的电流容限,对测试人员和设备的保护也变得越来越重要。

 

评估模块的结温特性

功率模块的温度依赖性在动态测量是至关重要的,因为模块最终使用的场景往往要在恶劣的环境中进行,比如炎热的沙漠、潮湿的热带雨林或极度寒冷的高纬度地区,测试系统也需要具备相应的高低温的测试能力。

 

2、是德科技动态参数分析系统PD1550A

 

面对以上挑战,是德科技在原有功率器件动态器件测试经验基础上,开发了针对功率模块测试的PD1550A双脉冲测试系统,该系统很适用于做汽车OEM和一级电源转换器的设计的小伙伴们,其特点总结如下:

 

1►高功率密度

新测试系统,电压提高到1360 V,电流容量从200A增加到1000A,仍然使用同轴分流器作为电流传感器,以保证高带宽的电流测量,如下图。

 

图:PD1550A测试系统的电流容量

 

2►"真脉冲隔离探头技术"

"真脉冲隔离探头技术"的推出,能够很好的解决上管栅极电压Vgs测试的挑战。新探头的设计,能够保证与其他探头完全隔离,可以准确测量半桥功率模块中的上管Vgs。“真脉冲隔离探头” 与其他隔离探头相比,具有足够的CMR,如图1,和优越的噪声性能,如图2。

 

图1:探头CMR特性曲线测试

 

图2:探头噪声特性曲线测试

 

3►可定制非焊接的夹具板

与被测件连接的接口板是可以根据电源模块的布局进行定制的,如下图是一个定制测试板的示意,夹具板在和被测件模块连接时不需要焊接,但可以形成类似焊接的连接,这样可以在多个被测件DUT上重复使用,可以有效的节省换件的时间,提高效率。

 

图:可定制的测试夹具板示意

 

同时,在测量功率模块时,栅极电阻(Rg)是很重要的组件,每个栅极电阻模块都有一个EEPROM,其中包含电阻值等信息。使用动态参数测试软件,可以自动识别电阻值并使用该值进行测试,这样可以极大的减少操作失误,能够进一步提高系统可靠性。

 

4►高低温测量

PD1550A支持两种类型的热管理技术。

 

A. 热板,允许的温度范围从室温到200℃。

B. ThermoStream®技术,支持在-40℃的寒冷环境和200℃的高温进行测量,热测试设备由系统软件自动控制,能够很简单的获得与温度有关的特性参数。

 

5►对测试人员和设备进行安全保护

进行大电流和大电压的测试,对被测件和操作人员的保护也是很重要的,PD1550A采用的机械结构设计,能够确保只有在完全关闭的柜门的情况下,才能进行下一步测试;在电路安全性设计方面,也通过了如 CSA、CE 和 KCC等测试,确保能够最大限度的保护测试人员,待测模块和测试设备。