敖 翔，王文廷，李 斌

（中國電子科技集團(tuán)公司第41研究所， 中電科儀器儀表公司；電子信息測試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蚌埠 233010）

半導(dǎo)體功率器件分析儀高功率模塊設(shè)計(jì)

敖 翔，王文廷，李 斌

（中國電子科技集團(tuán)公司第41研究所， 中電科儀器儀表公司；電子信息測試技術(shù)安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 安徽 蚌埠 233010）

目前國內(nèi)針對半導(dǎo)體功率器件的測試，主要依靠電壓源、電流源、電壓表、電流表、晶體管測試儀等多個獨(dú)立的儀器組成的測試平臺進(jìn)行測試，整個測試系統(tǒng)比較龐大，智能化程度低，操作比較繁瑣，可靠性低，標(biāo)校困難，很難提高測試的精確度和效率。新型半導(dǎo)體功率器件分析儀集成了Windows操作系統(tǒng)，可支持準(zhǔn)靜態(tài)和中頻電容對電壓測量（CV）、0.1fA和0.5uV電流對電壓測量（IV）、脈沖生成、快速IV曲線繪制和時域測量等功能。

半導(dǎo)體器件分析；高功率模塊；斜坡補(bǔ)償[1]；PWM；負(fù)反饋環(huán)路控制

一、引言

半導(dǎo)體功率器件分析儀屬于基礎(chǔ)性測試儀器，是一種能在自動測試環(huán)境中為半導(dǎo)體功率器件提供偏置電壓、偏置電流，以及對半導(dǎo)體功率器件進(jìn)行直流特性試驗(yàn)和測試的理想設(shè)備。其具有優(yōu)良的低電流、低電壓和集成電容測量能力、伏安特性曲線追蹤、器件故障探測、擊穿電壓測試、微小漏電流檢測等多種功能，能滿足各種半導(dǎo)體器件表征需求、特性測試及曲線追蹤與分析功能的設(shè)備。能廣泛應(yīng)用于微波和毫米波半導(dǎo)體功率器件及集成電路、砷化鎵超高速集成電路、新型光電子器件及集成電路、新型電力電子器件及模塊、高密度封裝和微組裝等領(lǐng)域，為半導(dǎo)體類產(chǎn)品提供研發(fā)和測試保障。

二、整機(jī)工作原理

半導(dǎo)體功率器件分析儀是建立在程控開關(guān)電源技術(shù)[2]和精密示波器技術(shù)基礎(chǔ)上，整機(jī)工作原理如圖1所示。半導(dǎo)體功率器件分析儀根據(jù)參數(shù)的測試條件和測試要求，為待測的半導(dǎo)體功率器件提供合適的直流偏置信號和激勵信號使其正常工作，并對產(chǎn)生的電信號進(jìn)行測試、分析和顯示，半導(dǎo)體功率器件分析儀主要由四部分組成：

a）電源激勵部分；b）信號激勵部分；c）信號測量部分；d）測試夾具部分。

圖1 整機(jī)工作原理

三、高功率模塊設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體分析儀整機(jī)采用模塊化設(shè)計(jì)方案，即根據(jù)半導(dǎo)體功率器件的電壓、電流、功率等關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)成不同的電源模塊、衰減模塊和測量模塊，具有10插槽配置，可根據(jù)實(shí)際測試需求在插槽中插入相應(yīng)的模塊，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。其中電源及測試模塊（SMU）包括高功率模塊、中功率模塊、大電流模塊、中電流模塊、高壓模塊、高分辨率模塊等。限于篇幅，本文對經(jīng)常使用的高功率模塊（HPSMU）的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。高功率模塊具備半導(dǎo)體功率器件的特性測試功能，主要通過PCI總線與主控機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體功率器件的電激勵功能和電測量功能。相關(guān)參數(shù)和指標(biāo)如下：

最大驅(qū)動電壓：±200V,最小驅(qū)動電壓：±2V,最大驅(qū)動電流：±1A,最小驅(qū)動電流：±1nA,電壓測量分辨率：2uV,電流測量分辨率：10fA,最大功率：20W。

半導(dǎo)體分析儀主控機(jī)可以采集這些參數(shù)繪制待測件的I-V曲線，用戶可以根據(jù)I-V曲線了解待測件的相關(guān)電氣特性。在進(jìn)行半導(dǎo)體功率器件參數(shù)測試過程中，必須保證程控恒壓源、恒流源的高度穩(wěn)定性。為此，高功率模塊采用了雙控制環(huán)路的方法，使用FPGA[3]控制，實(shí)現(xiàn)恒壓源或恒流源的穩(wěn)定輸出。當(dāng)采用恒壓源作為半導(dǎo)體功率器件激勵源時，恒流負(fù)反饋控制環(huán)路處于關(guān)閉狀態(tài)，利用恒壓負(fù)反饋控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)恒壓控制；相反，當(dāng)采用恒流源作為半導(dǎo)體功率器件激勵源時，恒壓負(fù)反饋控制環(huán)路處于關(guān)閉狀態(tài)，利用恒流負(fù)反饋控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)恒流控制。其具體原理框圖如圖2所示。

由于高功率模塊對測試電壓和測試電流的分辨率要求很高，經(jīng)過理論計(jì)算最低需要18位AD。經(jīng)過了大量的理論研究和分析，并綜合考慮系統(tǒng)噪聲、AD的低端數(shù)據(jù)丟失等因素的影響，最終選擇了AD公司的24位AD轉(zhuǎn)換器，其精度可以達(dá)到0.01%，溫度系數(shù)可以達(dá)到10ppm，此外，專門采用了埋入工藝制造的掩埋齊納二極管基準(zhǔn)電壓源作為AD和DA轉(zhuǎn)換器的參考基準(zhǔn)，達(dá)到所要求的分辨率，使得本模塊在恒壓源或恒流源狀態(tài)下具備精確的電壓和電流實(shí)時測試功能。

圖2 程控恒壓恒流源原理框圖

四、大動態(tài)全范圍控制調(diào)整及斜坡補(bǔ)償技術(shù)

高功率模塊開關(guān)電源根據(jù)輸出電壓和負(fù)載變化，通過反饋閉環(huán)回路[4]調(diào)整開關(guān)管的工作占空比實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出，反饋閉環(huán)回路是否穩(wěn)定決定了高壓電源輸出電壓的穩(wěn)定度和工作的可靠性。為使分析方便，將高壓電源反饋電路等效成圖3。

Buck電流饋電全橋變換器中的全橋轉(zhuǎn)換電路和高壓變壓器并未承擔(dān)脈寬調(diào)制的功能，可視為一增益固定的直流變壓器。反饋回路內(nèi)有電壓回路和電流回路兩個控制回路，其中PWM控制策略采用平均電流模式，它引入了高增益的電流誤差放大器，使電流環(huán)的增益帶寬特性能夠由補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)修正為最佳特性，所以具有很高的抗干擾能力，并且斜坡補(bǔ)償容易實(shí)現(xiàn)，在連續(xù)狀態(tài)和非連續(xù)狀態(tài)均能正常工作。

圖3 高壓電源反饋環(huán)路控制電路

當(dāng)沒有斜坡補(bǔ)償時，占空比在較大與較小時的平均電流有明顯的誤差值，如圖4所示，平均電流IAVG1、IAVG2；若加上斜坡補(bǔ)償，設(shè)定鋸齒波補(bǔ)償斜率（-m）剛好略小于電感電流下降斜率（m2）的50%，即-m< 0.5m2，則可將電流IAVG1、IAVG2設(shè)計(jì)在近似相同值上，如圖5，經(jīng)過斜坡補(bǔ)償后，電感電流波形的平均值已相同。

圖4 無斜坡補(bǔ)償時的電感斜率波形

圖5 有斜坡補(bǔ)償時的電感斜率波形

平均電流模式的實(shí)現(xiàn)如圖3所示，具有次級電壓反饋與初級電流反饋兩個反饋環(huán)路，兩個環(huán)路有相同的交越頻率和負(fù)載相應(yīng)特性[5]。圖中將電感電流經(jīng)過電流互感器轉(zhuǎn)換為電壓信號（Vrs）。該信號與電壓反饋環(huán)路誤差信號分別送入電流誤差放大器（CA），得到電流誤差信號電壓（VCA）。此信號再與鋸齒波VS相比較，產(chǎn)生PWM信號來控制降壓轉(zhuǎn)換器開關(guān)。這種方式可以使電流反饋的誤差信號較快于電壓反饋誤差信號，避免傳統(tǒng)峰值電流控制低頻增益太小的缺點(diǎn)。工作占空比（D）在50%～90%之間，使電感電流具有充分時間儲能放能，并在1/2f頻率時確保回路增益小于1，避免次諧波振蕩不穩(wěn)定。

五、結(jié)論

為了驗(yàn)證高功率模塊的作用，在室溫25℃環(huán)境下，將肖特基二極管mbrs320放入測試夾具中，分別對其進(jìn)行正向輸出特性和反向漏電流特性測試。圖6為正向電壓測試，正向電壓加載到200mV時，二極管開始有微弱電流導(dǎo)通，電壓加載到500mV時，二極管電流達(dá)到900mA，二極管導(dǎo)通。圖7為反向漏電流測試，反向電壓小于33V時，二極管漏電流小于50uA，并隨反向電壓增加而上升；反向電壓大于33V時，二極管電流表現(xiàn)為恒流狀態(tài)。

圖6 正向輸出特性

圖7 反向漏電流特性

上述的特性曲線和數(shù)據(jù)都符合肖特基二極管產(chǎn)品手冊，說明高功率模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對二極管類半導(dǎo)體器件的測試要求。此外，高功率模塊配合其他模塊還能實(shí)現(xiàn)各種三極管、晶閘管以及相關(guān)集成電路等半導(dǎo)體器件的測試。

[1]徐靜平.一種用于PWM變換器的斜坡補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)2007,35(9):66-69.

[2]裴云慶，楊 旭.開關(guān)穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]田 耕，徐文波.Xilinx ISE Design Suit10.X FPGA開發(fā)指南[M].人民郵電出版社.2008.

[4]沙占友，于國慶．特種開關(guān)電源關(guān)鍵電路的設(shè)計(jì)方案[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2012.

（責(zé)任編輯：袁 媛）

Design of High-power Module for Power Semiconductor Device Analyzer

AOXiang,WANGWen-ting,LI Bin
(TheKeyLabofElectronicInformationTestTechnology,CETCInstrumentsCorporation,The41stInstituteofCETC,Bengbu233006,China)

In China,the current tests for semiconductor power devices mainly rely on a test platform composed of multiple independent instruments such as voltage source,current source,voltmeter,ammeter,transistor tester etc.The test system has a large volume,a lowintelligent level,and relatively poor reliability.Also it is difficult to improve its test accuracy and efficiency.A new type of power semiconductor device analyzer integrated with the Windows operating system can support the quasi static and intermediate frequency capacitance to voltage measurement(CV), 0.1fA and 0.5uV current tovoltage measurement(IV),pulse generation,rapid IV curve drawing and the time domain measurement.

semiconductor device analyzer;high-power module;slope compensation;PWM;negative feedback loop control

TN31

B

2016－10－01

敖 翔（1988－），男，安徽馬鞍山人，工程師，研究方向：電子儀器測量。E-mail:aox312@163.com.

1671－802X(2016)06－0001－04