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半導(dǎo)體曲線圖示儀IGBT測試系統(tǒng)--IWATSU CS-3000 系列

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產(chǎn)品簡介

由于IGBT在功率半導(dǎo)體的市場日趨重要，使用新的測試方法來測試產(chǎn)品特性及生產(chǎn)是必須的。在此介紹的模組化測試系統(tǒng)是瞄準(zhǔn)功率電晶體的靜態(tài)及動態(tài)量測，討論的是IGBT設(shè)計者或是此類設(shè)備采購者最關(guān)切的需求。首先列出IGBT測試所須的線路圖并定義所有的參數(shù)，最后再就控制系統(tǒng)的選擇舉一實(shí)例來說明該系統(tǒng)的基本架構(gòu)。

詳細(xì)介紹

產(chǎn)品簡介

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前言

IGBT測試系統(tǒng)需求

近年來，電子工業(yè)不斷發(fā)展功率元件及系統(tǒng)，而電力電子工業(yè)中使用IGBT裝置的數(shù)量也急速增加。由半導(dǎo)體至電力產(chǎn)品之制造廠皆希望在這些產(chǎn)品中改善成較好的效率及降低所有工業(yè)制程步驟的成本，從產(chǎn)品的研發(fā)至最后產(chǎn)品品質(zhì)的控制過程皆必須被完善控制。對這些所有的步驟，測試相對地變的非常重要，且必需準(zhǔn)確及可靠。對在生產(chǎn)過程而言，測試設(shè)備須具備多樣的特點(diǎn)來配合不同的測試需求。研發(fā)工程師需要知道其特性便于其設(shè)計，生產(chǎn)的人員須要快速且容易使用的工具，可控制他們的生產(chǎn)制程，品質(zhì)管制人員則需要檢查他們所組合的產(chǎn)品的特性及收集他們的結(jié)果來做統(tǒng)計分析。

(一)多用途性(Versatility)

現(xiàn)代的測試設(shè)備所須的功能，必須能不被限制其電流及電壓之供給。目前IGBT的產(chǎn)品其電流可通過1200A及阻斷電壓可高達(dá)3300V，但不久之后IGBT的產(chǎn)品即會有達(dá)到4500V及2000A的能力。且無人可預(yù)測未來其電壓及電流可達(dá)到多少，再者，現(xiàn)今IGBT 的測試設(shè)備，也須能測試新元件MCTS ( MOS ContrlledThyristort) 或是IGCT (Integrated Gate-Commutated Thyristor)。

因此，測試設(shè)備的評估上，須能適應(yīng)及符合未來可能的發(fā)展，其不論是硬體，如電壓電流產(chǎn)生器或軟體上。

IWATSU公司推出的CS-3000給用戶提出了的解決方案

(二)操作簡單(Ease of Handling)

測試設(shè)備除了上述之特色外，應(yīng)仍保持操作簡單及效率佳的能力。達(dá)此目的之方法即是使用者不須具備特殊訓(xùn)練即可操作此設(shè)備。如有使用晶體管特性圖示儀的用戶，操作起來會更加方便。此測試系統(tǒng)亦可經(jīng)常地改變測試的半導(dǎo)體元件的型式(通常一天數(shù)次)，對新的半導(dǎo)體元作的型式其可能會須要不同的制具(jig)，或是更復(fù)雜的驅(qū)動閘控制，或是一緩沖器 (Sunbber) 的保護(hù)等。因此，使用模組化系統(tǒng)即可達(dá)到上述之需求。在一個基本的測試系統(tǒng)上，加上一些可更換的測試單元，使其可執(zhí)行不同范圍產(chǎn)品的量測。

(三)安全性(Safety)

IGBT的測試系統(tǒng)因其可提供非常高的電壓輸出，對操作者來講是有一潛在的危險性，當(dāng)在操作高電壓及大電流時，操作員的安全性應(yīng)予以考慮，即該設(shè)備須在不同國家的規(guī)范中皆可符合其安全標(biāo)準(zhǔn)。

在執(zhí)行測試時，在危險的區(qū)域應(yīng)使用滑動式門鎖定而予以保護(hù)，所有參數(shù)皆應(yīng)設(shè)置于安全的工作區(qū)域中，所有的保護(hù)措施的控制皆應(yīng)由硬體部份來控制，而不是軟體來控制。很顯然的，在整條生產(chǎn)線上（研發(fā)測試時），時間是一個很重要的因素，因此，安全系統(tǒng)必須要很方便，而盡可能地對測試的速度影響愈小愈好。

靜態(tài)測試(Static tests)

此測試之目的在提供元件(device)的詳細(xì)特性，讓設(shè)計者能精確地預(yù)測元件在穩(wěn)態(tài)(Steady state)情況時之行為，此可協(xié)助使用者選擇的元件來用于他的應(yīng)用中，更進(jìn)一步地讓其對與半導(dǎo)體元件相連接的設(shè)備如：電壓鉗式單元，閘極驅(qū)動，冷卻系統(tǒng)等的設(shè)計更為妥切。

(一)集射極崩潰電壓 (Collector Emitter Breakdown Voltage) VCEs

量測于特定的集極電流IC下閘極短路至射極時，跨于集、射極兩端之電壓為VcEs, IGBT 的集射極崩潰電壓是會隨著介面(Junction)溫度增加而增加的(典型對600V之IGBT 會有0.7V℃)

(二)集極至射極的泄漏電流IcEs ［或稱為集極的截止(Cut-off )電流］

在額定的集射極電壓和閘射極短路下之集極電流為IcEs值(如圖2), IcEs的量測通常在25℃及的工作介面(Junction)溫度，且集極泄漏電流亦會隨介面溫度升高而增加。因此，在測試期間限制電流流過及避免 thermal升高是很重要的。

(三)集極至射極的飽和電壓 (Collector to emitter saturation voltage) VcEsat

VcEsat 是在特定的集極電流，閘射極電壓及介面溫度時之集射極導(dǎo)通電壓VcEsat是相當(dāng)重要的特性，因?yàn)槠鋾Q定導(dǎo)通之損失，在大的極電流時，測試的脈沖必須非常短，如此不致有過多之損失。

(四)二極體順向電壓(Diode Forward Voltage) VF

VF是指IGBT模組中的飛輪二極體(Freewheeling Diode)在特定電流

及介面溫度時之順向?qū)妷褐怠?/p>

(五)閘極臨界電壓(Gate threshold Voltage) VGeth

VGeth 是指在特定集極電流及閘極短路至集極時之射極的電壓值。當(dāng)閘射極電壓小于臨界值時IGBT是OFF狀態(tài)，因此閘極臨界電壓即是閘射極電壓使IGBT導(dǎo)通并流過特定的集極電流。VGEth是隨著介面溫度遽增而遞減的(-11mV℃)。

(六 )跨導(dǎo)(Transconductance) gfs

跨導(dǎo)(gfs) 是于特定集極電流時，集極電流和閘射極電壓之商數(shù) 。跨導(dǎo)是用來表示IGBT增益的方式。由于跨導(dǎo)的量測是在清楚嚴(yán)格的特定條件下所做的兩個量測之值，因此，測試設(shè)備的精準(zhǔn)性對測試結(jié)果有很大的影向力。

第二種方法是調(diào)整閘射極電壓至特定的集射極電壓(VP)并思考下列式子：

△ VGE = △Vp

IGBT的順向跨導(dǎo)是會隨著介面溫度升高而增加的，其原因在于定閘極電壓時，增加集極電流時，因電流Thermal run-away而會使晶片溫度升高，因此IGBT 并不被建議來當(dāng)做一個線性放大器使用。

(七)閘極電荷(QGE, QcG, QG)及閘極電容(Cies, Coes, Cres)

QGE 是由驅(qū)動電路傳送。使用閘射極電壓達(dá)可維持特定集極電流之電荷值。 QCE是由驅(qū)動電路傳送。允許跨于閘極電容的電壓，由特定之值降至最后導(dǎo)通值之電荷值。 QG是閘極總電荷值，是QGe是QcG及另一附加之成份之總和，此附加之值和閘極＂Overdrive＂電壓有關(guān)由于有一些未知的雜散(stray) 電容存在電路中，所以校正脈沖是必須的。在每一測試前都會先測試雜散(Stray)電容，并用該值來修正閘極電荷電容之值。此雜散電容會依接線及氣候溫度等條件而變化。

閘極電荷及電容之規(guī)格在規(guī)劃閘極驅(qū)動電路及決定閘極驅(qū)動損失時是非常有用的。

(八)閘極至射極之泄漏電流IGEs

IGEs 是指在特定的閘射極電壓及集極短路至射極時閘極之泄漏電流。此測試可能可以知道正或負(fù)的閘射極電壓。所量測的電流是相當(dāng)小的，因此，脈沖至少須維持一個電源周期的積分時間，避免因閘極電容吸收的電流所產(chǎn)生之誤差。此量測必須在閘極電壓穩(wěn)定后才可進(jìn)行。

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