Решения для тестирования CV-характеристик силовых устройств от Techmize способствуют повышению качества и эффективности измерений!

Развитие силовой электроники и ее влияние на рынок полупроводников

Для достижения глобальных целей по снижению выбросов углерода и достижения углеродной нейтральности электрификация стала ключевым направлением во многих странах мира. Использование силовых полупроводников играет решающую роль в создании энергоэффективных сетей, что позволяет существенно снизить потребление энергии и минимизировать вредные выбросы в атмосферу.

Применение силовых полупроводников охватывает широкий спектр отраслей, включая:

• Компьютерные технологии и серверные решения.
• Электротранспорт и зарядные станции для электромобилей.
• Промышленные автоматизированные системы и робототехнику.
• Бытовую электронику и устройства Интернета вещей (IoT).
• Альтернативные источники энергии, такие как солнечные и ветряные электростанции.

С развитием возобновляемых источников энергии спрос на силовые полупроводниковые компоненты, такие как MOSFET и IGBT, стремительно увеличивается. Компании, работающие в сфере производства полупроводниковых устройств, вынуждены разрабатывать и внедрять новые технологии тестирования для обеспечения высокой надежности и стабильности работы этих компонентов.

Развитие полупроводниковых материалов

Исторически силовые полупроводниковые материалы прошли несколько этапов эволюции. Первым поколением стали кремниевые (Si) полупроводники, которые широко использовались в электронной промышленности благодаря доступности и низкой себестоимости. Затем появились устройства на основе карбида кремния (SiC) и нитрида галлия (GaN), обладающие улучшенными характеристиками в области высокого напряжения, высокой частоты и низкого сопротивления.

Полупроводники третьего поколения, к которым относятся SiC и GaN, демонстрируют следующие ключевые преимущества:

• Крайне низкое внутреннее сопротивление, что увеличивает эффективность на 70% по сравнению с кремниевыми устройствами.
• Улучшенные тепловые характеристики, позволяющие повысить рабочие температуры и снизить энергопотери.
• Минимальные габариты и вес за счет высокой плотности мощности.
• Высокая скорость переключения, позволяющая снизить потери энергии при коммутации.

Эти характеристики делают полупроводники третьего поколения незаменимыми в таких сферах, как электротранспорт, промышленные инверторы, системы бесперебойного питания (UPS) и передовые телекоммуникационные технологии.

MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor):

• Простая схема управления.
• Высокая скорость переключения.
• Работа на высоких частотах.
• Оптимален для низковольтных приложений.

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor):

• Высокая мощность и способность работать при больших токах и напряжениях.
• Сочетает в себе преимущества MOSFET и биполярного транзистора.
• Подходит для высоковольтных инверторов и импульсных источников питания.

Оба типа устройств управляются напряжением на затворе, однако в процессе работы могут сталкиваться с такими эффектами, как эффект Миллера, паразитные емкости и сопротивление затвора Rg, что требует тщательного тестирования.

Современные методы тестирования CV-характеристик силовых устройств

1. Измерение паразитных емкостей и влияние эффекта Миллера

1.1 Паразитные емкости MOSFET

Внутри MOSFET существуют три ключевые паразитные емкости:

• Cgs (емкость затвор-исток): влияет на скорость заряда затвора и управляет временем включения.
• Cgd (емкость затвор-сток, также известная как емкость Миллера): оказывает влияние на переходные процессы и переключение транзистора.
• Cds (емкость сток-исток): определяет утечки заряда между этими областями.

Эти емкости изменяются в зависимости от приложенного напряжения и рабочих условий, что делает их измерение критически важным для точного моделирования характеристик устройства.

1.2 Эффект Миллера в MOSFET

Эффект Миллера связан с изменением заряда емкости Cgd при переключении транзистора. Он приводит к так называемому "плато Миллера" на графике заряда затвора, когда напряжение на нем временно остается стабильным. Это явление снижает скорость переключения и увеличивает потери энергии.

Для минимизации эффекта Миллера применяют:

• Оптимизацию драйверов затвора для управления токами заряда и разряда.
• Использование низкоиндуктивных соединений в конструкции схемы.
• Применение устройств с улучшенной технологией затворного слоя.

1.3. Методы измерения паразитных емкостей, CV-характеристик и сопротивления затвора Rg

Для точного измерения CV-характеристик MOSFET и IGBT необходимо учитывать следующие аспекты:

• Высокочастотное тестирование: так как паразитные емкости имеют очень малые значения (пФ – нФ), измерения следует проводить на частотах не менее 100 кГц – 1 МГц.
• Использование LCR-метра или измерителя иммитанса: эти приборы позволяют определить зависимости емкости от напряжения и тока.
• Регулируемое напряжение VDS: измерения должны выполняться при различных значениях напряжения, включая высокие (до нескольких киловольт), чтобы построить точные вольт-фарадные характеристики.
• Учет влияния сопротивления затвора (Rg): оно определяет скорость переключения транзистора и должно быть протестировано на разных уровнях управляющего сигнала.
Конкретные принципы измерения сопротивления затвора полюса паразитной емкости заключаются в следующем:




2. Решения Techmize для тестирования CV-характеристик

Преимущества решений Techmize:

• Высокая точность измерений.
• Тестирование одиночных и многокомпонентных устройств.
• Интеграция с автоматизированными системами.
• Поддержка напряжений до 2000 В.

Оборудование для тестирования

Компания Techmize предлагает прецизионные измерители LCR, анализаторы CV-характеристик и программное обеспечение для обработки данных, обеспечивающее:

• Тестирование MOSFET и IGBT с различными конфигурациями.
• Автоматический анализ вольт-фарадных характеристик.
• Высокую скорость тестирования.

Одним из флагманских решений Techmize являются анализаторы CV-характеристик TH511/TH512/TH513, которые сочетают в себе высокую точность, гибкость измерений и возможность тестирования одиночных и многокристальных полупроводниковых устройств. Они позволяет проводить измерения в широком диапазоне напряжений и частот, обеспечивая надежные и повторяемые результаты для современных силовых устройств.




Кроме того, Techmize предлагает анализаторы импеданса серии Techmize TH2851, предназначенные для измерения характеристик высокочастотных электронных компонентов, включая паразитные емкости и параметры индуктивностей. Эти приборы отличаются высокой точностью, удобным интерфейсом и возможностью работы в широком диапазоне частот, что делает их идеальными для комплексного анализа силовых полупроводниковых устройств.




Заключение


С развитием технологий силовой электроники точность и эффективность тестирования CV-характеристик становится ключевым фактором для повышения качества полупроводниковых устройств.

Компания Techmize предлагает передовые решения, позволяющие тестировать широкий спектр силовых устройств, обеспечивая надежность, высокую скорость и точность измерений.