摘" 要：

半導(dǎo)體器件輸出結(jié)電容隨電壓的升高非線(xiàn)性變化。為準(zhǔn)確提取高壓工況下輸出結(jié)電容，提出一種基于開(kāi)關(guān)瞬態(tài)振蕩過(guò)程的半導(dǎo)體器件輸出結(jié)電容測(cè)量方法。首先，探討器件關(guān)斷瞬態(tài)激發(fā)的高頻振蕩特征與結(jié)電容的數(shù)學(xué)關(guān)系，并形成對(duì)應(yīng)的測(cè)量步驟。其次，從寄生電感、寄生電阻2個(gè)方面對(duì)影響精度的因素進(jìn)行討論。最后，搭建測(cè)試平臺(tái)，對(duì)不同型號(hào)及封裝的半導(dǎo)體器件進(jìn)行測(cè)量結(jié)果的驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)表明，所提方法能夠測(cè)量器件額定工作點(diǎn)處的輸出結(jié)電容值，具有測(cè)試一致性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

關(guān)鍵詞：

非線(xiàn)性; 關(guān)斷振蕩; 輸出結(jié)電容; 高壓半導(dǎo)體器件

中圖分類(lèi)號(hào)： TM401+.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）10-0042-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.10.007

李昊陽(yáng)（2002—），男，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。

鄭艷文（1983—），男，高級(jí)工程師，博士，主要從事大容量變流器設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用研究。

李" 皓（1990—），男，高級(jí)工程師，主要從事水下特種能源動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作。

*基金項(xiàng)目：中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助（226-2024-00072）

Research on Measurement Method for Output Junction Capacitance of Semiconductor Devices Based on Transient Switching Oscillation Process

LI Haoyang1，" ZHENG Yanwen2，" LI Hao3，" CHEN Ruiwen1，" HU Sideng1

（1.College of Electrical Engineering， Zhejiang University， Hangzhou 310027， China;

2.Wolong Electric Group Co.，Ltd.，Shaoxing 312300，China;

3.CSSC Kunming Branch of the 705 Research Insititute， Kunming 650033， China）

Abstract：

The output capacitance of semiconductor devices exhibits nonlinear changes with increasing voltage.In order to accurately extract the output junction capacitance under high voltage operating conditions，a measured method for the output junction capacitance of semiconductor devices based on the transient switching oscillation process is proposed.Firstly，the mathematical relationship between the high frequency oscillation frequency of device turnoff transient excitation and the junction capacitance are explored，and the corresponding extraction steps is formed.Secondly，the factors affecting the accuracy are discussed from the perspectives of parasitic inductance and parasitic resistance.Finally，a testing platform is built and the extraction results of semiconductor devices of different models and packages are verified.The experiment shows that the proposed method can extract the output junction capacitance value at the rated operating point of the device，and has advantages such as high testing consistency and strong scalability.

Key words：

non linearity; turn off oscillation; output junction capacitance; high voltage semiconductor devices

0" 引" 言

高壓半導(dǎo)體器件輸出結(jié)電容的隨電壓非線(xiàn)性變化，給功率器件的設(shè)計(jì)與應(yīng)用帶來(lái)了一系列挑戰(zhàn)。在高壓高頻應(yīng)用中，由于輸出結(jié)電容的非線(xiàn)性變化，軟開(kāi)關(guān)的能量損耗難以準(zhǔn)確測(cè)量［1］。在高降壓比全橋直流直流（DC-DC）變換器中，一次側(cè)開(kāi)關(guān)管的輸出結(jié)電容可以將變換器效率提高2%～4%［2］，但輸出結(jié)電容隨電壓的非線(xiàn)性變化使得計(jì)算損耗與效率評(píng)估變得十分困難［3］。因此，準(zhǔn)確提取相應(yīng)工況下高壓半導(dǎo)體器件的輸出結(jié)電容值對(duì)于優(yōu)化功率器件性能、提高系統(tǒng)效率至關(guān)重要。

當(dāng)前，半導(dǎo)體器件輸出結(jié)電容的測(cè)量方法主要可分為儀器法、電路法以及仿真法3類(lèi)。儀器法通常利用小電容測(cè)量?jī)x［4-5］、阻抗分析儀等專(zhuān)用儀器進(jìn)行測(cè)量。小電容測(cè)量?jī)x的測(cè)量結(jié)果可靠，但多用于低壓工況下的結(jié)電容測(cè)量;阻抗分析儀雖然能夠測(cè)量高壓工況下的輸出結(jié)電容，但設(shè)備本身的寄生電感在高壓高頻條件下可能引入較大誤差［6］。電路法通常依賴(lài)于穩(wěn)態(tài)電路的解析表達(dá)式，通過(guò)間接計(jì)算得到輸出結(jié)電容值。有學(xué)者借助鎖相放大器和無(wú)感高精度、高穩(wěn)定電阻，將結(jié)電容的測(cè)量轉(zhuǎn)換為電壓的測(cè)量［7］。但由于輸入電壓限制在0～20 V，因此無(wú)法提取高壓工況下的器件結(jié)電容。仿真法通常需要借助TCAD、Multiphysics等商業(yè)仿真軟件［8］，可以對(duì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行較為精確的建模［9］，但參數(shù)復(fù)雜，泛用性較差［10］。

圍繞以上有關(guān)提取高壓半導(dǎo)體器件輸出結(jié)電容的分析與挑戰(zhàn)，本文提出一種基于關(guān)斷瞬態(tài)高頻振蕩特征的輸出結(jié)電容提取方法。其特點(diǎn)在于以換流回路為基礎(chǔ)，通過(guò)器件串聯(lián)結(jié)構(gòu)拓寬測(cè)量電壓的范圍，通過(guò)限制振蕩幅度避免結(jié)電容非線(xiàn)性特點(diǎn)對(duì)結(jié)果的干擾，并提取頻域特征計(jì)算得到結(jié)果，保證測(cè)量的精度和魯棒性。

1" 基于關(guān)斷振蕩頻率的結(jié)電容測(cè)量方法

1.1" 換流回路關(guān)斷暫態(tài)分析

換流回路的電路結(jié)構(gòu)與等效電路如圖1所示［11-12］。

換流回路的電路結(jié)構(gòu)中，VT為金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET），Coss為MOSFET的等效輸出結(jié)電容。在VT關(guān)斷過(guò)程中，當(dāng)其漏源極電壓uds上升至母線(xiàn)電壓Udc后，電流iload將換流至二極管VDH。由于電路中寄生電感Lloop的存在，器件漏源極之間會(huì)形成高頻的電壓與電流振蕩現(xiàn)象，其振蕩瞬態(tài)等效電路如圖1（b）。通過(guò)對(duì)其電壓波形進(jìn)行采樣和頻譜分析，可以獲得其振蕩角頻率ω0，滿(mǎn)足：

ω0=1LloopCoss-R2loop4L2loopα=Rloop2Lloop（1）

同時(shí)，式（1）可以用ω0、α與諧振角頻率ωr三者之間的約束關(guān)系來(lái)簡(jiǎn)化，得到：

ω0=ω2r-α2≈ωr=1LloopCoss（2）

當(dāng)電路參數(shù)設(shè)計(jì)滿(mǎn)足α2ω2r時(shí)，可忽略α，即忽略寄生電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，用諧振角頻率ωr近似替代ω0。

式（1）和式（2）表明，時(shí)域波形在關(guān)斷瞬態(tài)過(guò)程中呈現(xiàn)角頻率為ω0的欠阻尼振蕩形式，且ω0由寄生參數(shù)Lloop、Rloop與Coss決定。若已知Lloop、Rloop與關(guān)斷振蕩角頻率，Coss可由式（1）和式（2）計(jì)算得到。

1.2" 半導(dǎo)體器件輸出結(jié)電容測(cè)量方法

圖1中通常采用單一MOSFET，存在耐壓不足、難以覆蓋器件全應(yīng)用工況的問(wèn)題。因此本文采用MOSFET串聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而有效提高開(kāi)關(guān)模塊的耐壓值，拓寬測(cè)量電壓的范圍。測(cè)量平臺(tái)電路原理圖如圖2所示。3個(gè)MOSFET先串聯(lián)構(gòu)成測(cè)試橋臂，然后與待測(cè)器件并聯(lián)。

在測(cè)量平臺(tái)中，VT1～VT3代表3個(gè)串聯(lián)的MOSFET，串聯(lián)后的總輸出結(jié)電容記為Cserial。DUT為待測(cè)半導(dǎo)體器件。在測(cè)量過(guò)程中，DUT門(mén)極接地，保持關(guān)斷狀態(tài)。設(shè)計(jì)測(cè)量平臺(tái)參數(shù)滿(mǎn)足式（2）中α2ω2r，即可忽略寄生電阻的影響，振蕩角頻率依照式（2）計(jì)算。

本測(cè)試平臺(tái)用于提取輸出結(jié)電容的方法分為3步。首先，將DUT所在端口開(kāi)路，提取此時(shí)關(guān)斷瞬態(tài)的振蕩頻率，記為f0。其次，在DUT所在端口連接一個(gè)已知結(jié)電容值的高穩(wěn)定電容Ccons，提取此時(shí)關(guān)斷瞬態(tài)振蕩頻率，記為f1。最后，將DUT連入電路中，提取關(guān)斷瞬態(tài)振蕩頻率，記為f2。測(cè)量步驟等效電路如圖3所示。

根據(jù)式（2），f0～f2滿(mǎn)足：

f0=12πCserialLloopf1=12π（Cserial+Ccons）Lloopf2=12π（Cserial+Coss）Lloop（3）

通過(guò)解方程組，輸出結(jié)電容Coss的解析表達(dá)式為

Coss=Cconsf 21（f 20-f 22）f 22（f 20-f 21）（4）

當(dāng)測(cè)量平臺(tái)參數(shù)Cserial和Lloop已知時(shí)，只需測(cè)定包含待測(cè)器件的關(guān)斷振蕩頻率f2即可，此時(shí)Coss的解析表達(dá)式為

Coss=14π2f 22Lloop-Cserial（5）

綜上，可以歸納得到利用關(guān)斷瞬態(tài)振蕩頻率的輸出結(jié)電容提取步驟。輸出結(jié)電容提取實(shí)驗(yàn)流程圖如圖4所示。

本節(jié)所提出的結(jié)電容測(cè)量方法使用MOSFET串聯(lián)結(jié)構(gòu)，拓寬了測(cè)量電壓的范圍。通過(guò)提取高頻振蕩的頻率間接計(jì)算器件結(jié)電容的方法精度較高，測(cè)量帶寬較寬，對(duì)探頭性能要求較低。

2" 影響提取精度的因素分析

2.1" 寄生電感對(duì)精度的影響

在母線(xiàn)電壓為20～600 V的范圍內(nèi)，通過(guò)方程組可以計(jì)算得到同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的寄生電感Lloop隨電壓變化的曲線(xiàn)。不同母線(xiàn)電壓下的寄生電感測(cè)量值如圖5所示。由圖5可知，寄生電感的極大值為0.568 μH，極小值為0.540 μH，平均值為0.553 μH，相對(duì)波動(dòng)最大為2.71%。測(cè)量結(jié)果表明，寄生電感的數(shù)值與母線(xiàn)電壓的變化無(wú)關(guān)。

針對(duì)外界因素可能引起的寄生電感測(cè)量誤差問(wèn)題，根據(jù)圖2的原理圖搭建仿真電路，并采用蒙特卡洛方法進(jìn)行研究。通過(guò)在區(qū)間0.553（1±2%） μH

范圍內(nèi)隨機(jī)改變寄生電感值，對(duì)1 000組在50 pF～1 nF內(nèi)隨機(jī)分布的Coss進(jìn)行參數(shù)提取和誤差分析。寄生電感測(cè)量波動(dòng)引入的誤差如圖6所示。

由圖6可知，由Lloop波動(dòng)引起的結(jié)電容提取最大偏差為4.42%，并且測(cè)量結(jié)果偏差＜3.00%的比例超過(guò)75%。采用多次求解Lloop并取平均值的方法，可以有效降低Lloop的隨機(jī)誤差，從而減小其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

2.2" 寄生電阻對(duì)精度的影響

在使用式（2）進(jìn)行頻率提取時(shí)，忽略了寄生電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的潛在影響。因此在本節(jié)中，假設(shè)寄生電阻為0.01～1.00 Ω，針對(duì)輸出結(jié)電容為500 pF的待測(cè)器件進(jìn)行誤差分析。忽略寄生電阻引入的誤差如圖7所示。

由圖7可見(jiàn)，測(cè)試平臺(tái)寄生電阻＜1 Ω時(shí)，測(cè)量結(jié)果造成的最大偏差＜1%，表明采用式（2）作為輸出結(jié)電容提取的理論基礎(chǔ)不會(huì)對(duì)提取結(jié)果精度造成較大影響。

3" 測(cè)量裝置與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1" 測(cè)量裝置搭建

根據(jù)圖3的電路拓?fù)洌M(jìn)行搭建。測(cè)試裝置實(shí)物如圖8所示。串聯(lián)結(jié)構(gòu)采用3個(gè)耐壓為1 200 V的MOSFET，回路中續(xù)流二極管VDH采用4個(gè)1 200 V/54.5 A的二極管串聯(lián)。為保證在測(cè)試過(guò)程中母線(xiàn)電壓的穩(wěn)定性，母線(xiàn)電容選用參數(shù)為3.3 kV/267 μF的電容組。

3.2" 額定電壓600 V MOSFET結(jié)電容測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本方法的測(cè)量精度，選擇型號(hào)為IPW60R040C7的MOSFET作為待測(cè)器件，其額定電壓為600 V。600 V耐壓器件通常工作在300 V左右的電壓下，因此本實(shí)驗(yàn)從母線(xiàn)電壓100 V開(kāi)始，逐步增加至300 V，依照1.2節(jié)的提取步驟依次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。母線(xiàn)電壓為200 V的實(shí)驗(yàn)波形如圖9所示。

對(duì)3種情況下的關(guān)斷振蕩頻率進(jìn)行提取，可以得到f0=7.580 MHz，f1=7.434 MHz，f2=4.444 MHz。將參數(shù)值代入式（4），可計(jì)算得到Coss=85.2 pF。以此類(lèi)推，600 V耐壓MOSFET輸出結(jié)電容曲線(xiàn)如圖10所示;600 V耐壓提取結(jié)果誤差分析如表1所示。

由圖10和表1可知，在此開(kāi)關(guān)管的常用工作電壓區(qū)間內(nèi)，其測(cè)量相對(duì)誤差均＜3%，表明此方法對(duì)MOSFET輸出結(jié)電容的測(cè)量精度較好。

3.3" 額定電壓3.3 kV MOSFET模塊輸出結(jié)電容測(cè)量實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本測(cè)量方法在高壓工況下的有效性，待測(cè)器件選用耐3.3 kV高壓的MOSFET模塊。由于3.3 kV的MOSFET器件通常工作在約1.5 kV的電壓下，母線(xiàn)電壓限定在800～1 600 V范圍內(nèi)。3.3 kV耐壓MOSFET輸出結(jié)電容曲線(xiàn)如圖11所示;3.3 kV耐壓提取結(jié)果誤差分析如表2所示。

由表2可知，在此MOSFET的常用工作區(qū)間內(nèi)，測(cè)量相對(duì)誤差均＜3%，表明此方法在高壓工況下對(duì)輸出結(jié)電容的測(cè)量效果較好。

3.4" 額定電壓650 V Si IGBT輸出結(jié)電容測(cè)量實(shí)驗(yàn)

由于待測(cè)器件始終處于關(guān)斷狀態(tài)，其可等效為一個(gè)隨著母線(xiàn)電壓變化而變化的可變電容。任何具備這一特征的半導(dǎo)體器件均可在本提取裝置中進(jìn)行輸出結(jié)電容測(cè)量。為驗(yàn)證本實(shí)驗(yàn)方法的泛用性，選用型號(hào)為IKW75N65EH5的Si IGBT作為待測(cè)器件，其額定電壓為650 V。650 V耐壓IGBT輸出結(jié)電容曲線(xiàn)如圖12所示。圖12中常用工作電壓區(qū)間100～400 V，進(jìn)行提取結(jié)果與阻抗分析儀測(cè)量結(jié)果對(duì)比。IGBT輸出結(jié)電容提取結(jié)果誤差分析如表3所示。實(shí)驗(yàn)所用阻抗分析儀型號(hào)為KEYSIGHT B 1505a。

由表3可知，此方法測(cè)量Si IGBT的相對(duì)誤差依然控制在3%以?xún)?nèi)，表明任何可以等效為壓敏電容的半導(dǎo)體器件均可在本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行結(jié)電容提取，且在工作區(qū)間內(nèi)精度較高。

4" 結(jié)" 語(yǔ)

本文提出了一種以換流回路為基礎(chǔ)，基于關(guān)斷瞬態(tài)過(guò)程中高頻振蕩特征的高壓半導(dǎo)體輸出結(jié)電容提取方法。通過(guò)分析換流回路關(guān)斷瞬態(tài)過(guò)程的暫態(tài)特性，確定了半導(dǎo)體器件關(guān)斷瞬間回路振蕩頻率信息與待測(cè)半導(dǎo)體輸出結(jié)電容之間的解析關(guān)系，從而構(gòu)建了全新的輸出結(jié)電容提取方法，并從頻率提取、回路寄生電感、寄生電阻3個(gè)方面進(jìn)行了精度分析。為驗(yàn)證所提方法的有效性與泛用性，選用不同種類(lèi)、耐壓的半導(dǎo)體器件或模塊作為待測(cè)器件進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法在不同器件各自的工作區(qū)間內(nèi)具有較小的測(cè)量誤差，并且在測(cè)量過(guò)程中，平臺(tái)參數(shù)的測(cè)量準(zhǔn)確度受環(huán)境影響較小。該方法為高壓半導(dǎo)體器件的工況分析、行為預(yù)測(cè)以及軟開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算提供了有效的手段。

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收稿日期： 20240705