碳化硅功率模塊導通電阻和導通壓降的測試設備優化

摘" 要：碳化硅功率模塊因其在電力電子領域的卓越性能而備受關注，主要包括高頻、高壓、耐高溫、快速開關和低損耗等特點。為了確保碳化硅功率模塊在應用中的可靠性，其靜態特性的研究十分重要。因此，針對已經在商用的一款碳化硅功率模塊，提出一種新的碳化硅功率模塊的導通電阻（RDSON）和續流二極管導通壓降（VF）的測試方法，并對碳化硅功率模塊的參數測試設備進行改造，可以有效地減少測試時間，降低測試節拍，提高測試效率。

關鍵詞：碳化硅功率模塊；靜態測試；導通電阻；導通壓降

中圖分類號：TN386" 文獻標識碼：A" 文章編號：2096-4706（2024）24-0001-06

Test Equipment Optimization of RDSON and VF for Silicon Carbide Power Module

LI Wenqiang

（Shanghai Polytechnic University， Shanghai" "201209， China）

Abstract： Silicon carbide power modules have attracted much attention for their excellent performance in the field of power electronics， mainly including high frequency， high pressure， high temperature resistance， fast switching and low loss characteristics. In order to ensure the reliability of the silicon carbide power modules in application， the study of their static characteristics is very important. Therefore， aiming at a kind of silicon carbide power module already in commercial use， a new test method of RDSON and VF of continuous current diode for silicon carbide power module is proposed， and the parameter test equipment of the silicon carbide power module is modified， which can effectively reduce the test time， reduce the test beat and improve the test efficiency.

Keywords： silicon carbide power module; static test; RDSON; VF

0" 引" 言

在“碳達峰”“碳中和”等國家戰略背景下，以新能源汽車為代表的“雙碳經濟”迎來前所未有的發展機遇，電動汽車、光伏、風能綠色能源、智能電網等新的電力電子應用的發展，迫切要求電力電子器件在性能上更新換代[1-2]。電力電子技術是能源產生、傳輸、分配和運動的關鍵使能技術，基于其制備的MOSFET表現出極其優異的特性，從而被廣泛應用于軌道交通、電動汽車、智能電網以及航空航天等領域[1，3]。與Si功率器件相比，碳化硅功率器件的主要優點是禁帶寬度大、臨界擊穿電場強度高、電子飽和漂移速度快、熱導率高、熔點高等，使得碳化硅功率器件比Si器件擁有更高的工作溫度、更低的導通損耗、更高的擊穿電壓、更快的開關速度、更強的散熱能力和耐高溫能力，能夠同時承受高電流和高電壓應用而不會發生破壞性故障的能力[4-6]。目前，功率開關器件發展迅速并被廣泛運用，其設計與制造朝著高頻開關速率、高功率密度、高結溫等方向發展[7-8]。

國內由于功率器件起步較晚，其測試設備的研制也相對晚于國外。為了確保碳化硅功率模塊在應用中的可靠性，其靜態特性的測試研究十分重要[9-10]。靜態參數測試是評估功率器件性能是否達標的基礎流程。靜態參數主要是指SiC MOSFET本身所固有的或者在穩態工作下的特征參數，主要關注閾值電壓、柵漏電流、源漏電流、導通電阻、正向阻斷特性、反向恢復特性等參數，用于評估其電氣性能和可靠性。

本文針對已經商用的一款碳化硅功率模塊，分析了靜態電學特性與測試要求，搭建了新的自動化測試系統對器件進行封裝測試，本文對這款自動化的碳化硅功率模塊靜態參數測試平臺，提出了一種新的碳化硅功率模塊的導通電阻和續流二極管導通壓降的測試方法，并對測試設備進行改造，可以有效地減少測試時間，降低測試節拍，提高測試效率，這對碳化硅功率模塊器件性能的評估以及應用具有重大意義。

1" 碳化硅功率模塊的介紹

1.1" SiC MOSFET介紹

SiC MOSFET是垂直導電的一種三端器件，包括柵極、源極和漏極，通過改變柵極上施加電壓的大小，改變二氧化硅和P well區界面處電場的方向和大小，使P well區表面在少子反型狀態和多子積累狀態之間切換，控制載流子能否在源極和漏極之間自由流動，進而控制MOSFET的開通和阻斷，圖1展示了N溝道SiC平面柵MOSFET的結構以及開通路徑。

1.2" 碳化硅功率模塊的結構

碳化硅功率模塊是由上橋與下橋構成，每個橋由六塊SiC MOSFET并聯而成。圖2為一款商用的碳化硅功率模塊，信號Pin定義如圖所示，其中PTS1與PTS2為正溫度電阻，DH、GH和SH為上橋的漏極、柵極和源極；DL、GL和SL為下橋的漏極、柵極和源極。T+與上橋的漏極內部短接，T-與下橋的源極內部短接，P與上橋的源極和下橋的漏極內部短接，圖3為模塊內部元件簡化示意圖。

1.3" "SiC MOSFET三相逆變電路介紹

碳化硅功率模塊是新能源汽車主驅逆變器的重要組成部分，主驅逆變器是電動汽車的核心，是新能源電動汽車的心臟。三塊碳化硅功率模塊組成一個三相逆變全橋模塊，如圖4所示，SiC MOSFET三相逆變電路如圖5所示。

2." "碳化硅功率模塊的測試方法

2.1" 導通電阻的測試

測試目的是驗證碳化硅功率模塊的導通電阻是否在正常的范圍內。SiC MOSFET的導通電阻各組成成分示意圖如圖6所示，導通電阻（Rdson）為器件結構中各個部分的電阻串聯的總和，包括源極接觸電阻Rsc，N+區電阻Rs，溝道電阻Rch，積累區電阻Rac，JFET區電阻Rjfet，漂移區電阻Rdrift，襯底電阻Rsub和漏極接觸電阻Rdc。

Rdson = Rsc+Rs+Rch+Rac+Rjfet+Rdrift+Rsub+Rdc" "（1）

對于RDSON測試，分為上橋（RDSON_H）測試和下橋（RDSON_L）測試，柵極電壓VGS需要使用Keithley 2410低壓源表保持在18 V，測試中，在T+與P和P與T-之間使用脈沖源注入一個脈寬為500 us、大小為600 A的測試電流IDS，使用脈沖源的sense測試DX和SX（X = L，H）兩個測試pin之間的電壓VDS，測試原理圖如圖7、8所示。導通電阻為：

Rdson = IDS/VDS （2）

2.2" "續流二極管的導通壓降測試

測試目的是驗證碳化硅功率模塊的續流二極管的導通壓降（VF）是否在正常的范圍內。對于VF測試（VF），分為上橋（VF_H）測試和下橋（VF_L）測試，碳化硅功率模塊的門級不需要打開，電流方向與RDSON測試相反，使用脈沖源在P與T+和T-和與P之間注入一個測試電流IFD，使用脈沖源的sense測量SX和DX（X=L，H）兩個測試pin之間的電壓VFD。測試原理圖如圖9和圖10所示。二極管導通壓降為：

VF = IFD/VFD （3）

2.3" RDSON與VF使用的測試源表

Keithley 2410源表作為低壓源使用，為RDSON測試的門級提供開通18 V電壓，如圖11所示。

VXI AXC85系列脈沖源作為RDSON與VF測試的脈沖源使用，如圖12所示，可以支持1 000 A、2 ms的電流脈沖，并具有sense測試電壓回讀功能，如圖13所示。

3" 一種新的RDSON和VF的測試方法

碳化硅功率模塊自動化的測試系統，要對每個碳化硅功率模塊完成大量測試項的測試，以保證器件性能，并自動進行數據后處理和報告生成，所以提高測試效率便成了衡量測試設備的指標之一。

為了增加測試效率，將脈沖源的電流脈沖直接從T+到T-，同時流過上下橋，然后利用兩路sense分別測試上橋電壓VDS1與下橋電壓VDS2，這樣不經過P點，可以將上橋（Rdson_H）測試和下橋（Rdson_L）測試合并為一個測試項，可以減少測試時間，降低測試節拍，VF測試同理。圖14為新的RDSON測試原理圖，圖15為新的VF測試原理圖。

（4）

（5）

4" 碳化硅功率模塊參數設備改造

4.1" 碳化硅功率模塊參數測試設備介紹

SiC MOSFET的靜態特性主要是伏安特性和跨導特性，涉及器件的閾值電壓、導通電阻、反向擊穿電壓、體二極管導通以及體二極管反向恢復特性等。圖16為聯合汽車電子開發的一款碳化硅功率模塊自動化測試系統，測試一款碳化硅功率模塊的靜態參數時間為15 s，測試設備還包括高壓板卡、低壓板卡、電流切換箱、電壓切換箱、夾具等。

電壓板卡采用4×16路繼電器進行資源的切換，4行分別連接到高壓源的Force+、Force-、Sense+、Sense-，16列按測試需求分別連接到產品測試引腳T+、T-、P、SL、GL、DL、PTS1、PTS2、SH、GH、DH等，如圖17所示。產品夾具如圖18所示。

4.2" 電流切換箱

電流切換箱用于切換脈沖源輸出的大電流方向以滿足RDSON和VF測試需求。大電流切換箱內有六個大電流接觸器，每個接觸器上都有主觸電和輔助觸點，主觸點與輔助觸電同時開斷。主觸電控制脈沖源電流的方向，輔助觸點將脈沖源sense連接到碳化硅功率模塊的測試引腳，通過控制大電流接觸器控制電流的流向和sense線連接的引角，如圖19所示。

圖20為電流切換箱主觸電的簡化圖，當測試上橋的導通電阻Rdson_H時，需要給P到T+大電流脈沖，此時需程序控制打開K2、K4接觸器。輔助觸電接入脈沖源的sense線，如圖21所示，當測試上橋的導通電阻時，sense線方向應為DH到SH。

4.3" 電流切換箱的改造

根據新提出的導通電阻與續流二極管導通壓降的測試方法，碳化硅功率模塊的信號P角不加入測試節點，并且加入了兩路sense線，所以要對電流切換箱進行改造。P角不用，可減少K2、K5兩個大電流接觸器，加入兩路sense可加入四個電流繼電器，已實現對多出一路sense的控制。觸電簡化圖如圖22和圖23所示。

通過使用兩組sense線，以下簡稱（S+、S-、S2+、S2-），通過大電流四個輔助觸點和新增的四個繼電器組成的開關電路，連接到夾具上的SH、SL、DH、DL，然后對產品進行測試。圖24為輔助觸點接線圖，圖中與線路連接點為接線端子。

對于接觸器與繼電器的開斷，則通過IO控制回路的開斷，從而控制接觸器與繼電器的開斷，從而控制信號之間的連接。對于四個大電流接觸器的輔助觸點，它們的正極通過接線端子并聯到電源的24 V+，負極則是連接到IO的控制回路，通過IO的開斷對輔助觸點進行控制。對于這四個繼電器也是類似控制，K51與K52和K22與K21要求同時關斷，所以負極可以并聯在一起連接到控制回路。圖25為電源連接和控制示意圖，圖26為改造后的電流切換箱。

4.4" 測試結果

碳化硅功率模塊自動化測試使用測試軟件QuickTest。QuickTest定制化開發的特性保證了其使用的靈活性，借助該軟件，不僅能進行測試程序的調試與優化，也能完成產品的硬件下線自動測試。

如圖27所示，測試結果與電流切換箱改造之前的測試項數據區間進行比對，符合測試標準區間。電流切換箱改造之前測試時間為15 s，改造之后測試時間為14.4 s，測試時間降低了0.6 s，有效地降低了測試時間，增加了測試效率。

5" 結" 論

通過對這款碳化硅靜態測試設備電流切換箱的改造，完成了新的導通電阻RDSON與續流二極管導通壓降VF的測試要求，并且縮短了測試時間，減小了測試節拍，這對碳化硅功率模塊靜態測試非常有意義。該測試系統目前已進行樣品及量產的生產測試，盡管目前基本滿足測試需求，但是設計上仍然存在一些不足之處，一些工程測試問題還有待解決，測試效率等方面還有待進一步提高。

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作者簡介：李文強（2000.05—），男，漢族，山東濰坊人，碩士在讀，研究方向：汽車電子、嵌入式。