一种碳化硅MOS管体二极管通流老化测试装置

技术领域

本发明涉及集成电路领域，具体说是一种碳化硅MOS管体二极管通流老化测试装置。

背景技术

碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)因其优异的材料特性和结构特征，具备比硅基绝缘栅双极型晶体管(Si IGBT)更具优势的器件特性，包括同等耐压等级下更薄的芯片厚度、更高的工作频率、更低的开关损耗等，因而在新能源汽车、光伏发电、轨道交通等领域具备更高的应用潜力。但与Si IGBT不同的是，SiC MOSFET通常并不采用额外封装反并联续流二极管的形式，而是使用其内部寄生的体二极管进行续流工作。虽然相比于Si IGBT常用的硅基快恢复二极管(Si FRD)，SiC MOSFET的体二极管具备反向恢复时间更短、动态损耗更小等优势。但在其正向通流过程中，会引发SiC衬底上的界面缺陷的影响，导致其通态压降随着时间而逐渐增大，进而增加通态损耗，这种现象称为体二极管的双极退化。因而，在SiC MOSFET的可靠性考核过程中，不应只关注SiC MOSFET的栅极可靠性、高温可靠性、功率循环可靠性等，也要进行SiC MOSFET的体二极管通流老化测试。

目前，现有的SiC MOSFET的体二极管通流老化的方式是利用高温烘箱施加测试环境温度，相应的根据初始条件降低测试电流，调整稳态热平衡，而后施加脉冲电流。但此类方法存在三个问题，第一个问题是，被测器件没有工作在额定电流下，施加的电应力不能真实反映器件的额定电学特性。第二个问题是，需要采用高温烘箱提供测试环境温度，能耗较高。第三个问题是，没有考虑到器件在考核过程中的不同器件的电压变化不同导致的功耗差异，缺乏对被测器件的实施热平衡调整，导致被测器件的考核结温不准确，影响测试精度。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种碳化硅MOS管体二极管通流老化测试装置，采用该测试可真实反映器件的额定电学特性，测试精度高。

为解决上述问题，提供以下技术方案：

本发明的碳化硅MOS管体二极管通流老化测试装置的特点是包括恒流回路和调节单元，该恒流回路上串联有不少于两个SiC MOSFET体二极管通流老化单元，恒流回路用于为SiC MOSFET体二极管通流老化单元提供额定的直流电流。所述SiC MOSFET体二极管通流老化单元含有散热装置和热电偶，散热装置用于安装在被测器件一侧，用于对被测器件进行散热，所述热电偶安装在被测器件与散热装置间，用于检测被测器件的壳温。所述热电偶和散热装置均与调节单元适配连接，调节单元根据被测器件的壳温得到被测器件的实际结温、将实际结温预设结温的比较，根据比较结果调节散热装置的散热效率。

其中，根据被测器件的壳温得到被测器件的实际结温的公式为：

T

其中，T

所述调节单元包括温度采集仪、结温比较电路和散热装置调节电路，所述热电偶与温度采集仪相连，温度采集仪与结温比较电路相连，结温比较电路与散热装置调节电路相连，散热装置调节电路与散热装置相连，所述温度采集仪用于采用热电偶的温度得到被测器件的实际结温、并将实际结温信息传递给结温比较电路，所述结温比较电路用于将实际结温与预设结温进行比较，并将比较结果发送给散热装置调节电路，散热装置调节电路用于根据比较结果调节散热装置的散热效率，当实际结温高于预设结温时，散热装置调节电路控制散热装置提高散热效率，当实际结温低于预设结温时，散热装置调节电路控制散热装置降低散热效率。

所述SiC MOSFET体二极管通流老化单元含有输入端、输出端、保护单元和用于驱动被测器件的栅极负压单元所述输出端流入直流电流、用于与被测器件的源极相连，所述输出端流出直流电流、用于与被测器件的漏极相连。所述保护单元含有保护开关和控制模块，保护开关连接在输出端与输出端间，控制模块检测被测器件的两端电压，当被测器件的两端电压大于设定电压时，控制模块控制保护开关闭合，被测器件短路，直流电流通过开关流过输入端和输出端。

所述保护开关为功率开关管，功率开关管的流通能力大于被测器件。

所述控制模块包括电压采样电路、比较电路和栅极控制电路，电压采样电路与比较电路相连，比较电路与栅极控制电路相连，栅极控制与功率开关管的栅极相连。所述电压采样电路接在被测器件的源极和漏极间，用于检测被测器件的导通压降、并将导通压降传输给比较电路，比较电路用于将导通压降与设定电压做比较、并将比较结果发送给栅极控制电路，栅极控制电路用于根据比较结果控制功率开关管导通、闭合。

所述恒流回路含有直流电流源，所述SiC MOSFET体二极管通流老化单元依次串联在直流电流源的两端间。

采取以上方案，具有以下优点：

由于本发明的碳化硅MOS管体二极管通流老化测试装置的恒流回路用于为SiCMOSFET体二极管通流老化单元提供额定的直流电流，SiC MOSFET体二极管通流老化单元含有散热装置和热电偶，散热装置用于安装在被测器件一侧，用于对被测器件进行散热，热电偶安装在被测器件与散热装置间，用于检测被测器件的壳温，热电偶和散热装置均与调节单元适配连接，调节单元根据被测器件的壳温得到被测器件的实际结温、将实际结温预设结温的比较，根据比较结果调节散热装置的散热效率。这种测试装置采用恒流回路提供额定的直流电流，测试时，被测器件的体二极管处于持续正向导通的工作状态，较于脉冲模式，直流模式可以更好的对被测器件施加电应力，使得测试结果可真实反映器件的额定电学特性。同时，由于SiC MOSFET的体二极管属于结构寄生的PiN二极管，在额定电流和栅极负压下的导通电压较高，持续工作状态下功耗很大，发热明显，因此，利用SiC MOSFET被测器件的自身的功耗实现加热，利用其自身的热耗，配合散热装置和调节单元，调节其测试结温，从而无需采用高温烘箱或其他加热装置，节省了能源。另外，每个SiC MOSFET体二极管通流老化单元有热电偶和散热装置，从可根据不同实施相应的热平衡调整，确保被测器件的考核结温准确，测试精度高。再有，每个SiC MOSFET体二极管通流老化单元是独立运行的，从而可以同时实现多颗不同通态压降的被测器件的统一测试。

附图说明

图1是SiC MOSFET体二极管通流老化试验流程图；

图2是本发明的碳化硅MOS管体二极管通流老化测试装置的结构示意图；

图3是本发明的碳化硅MOS管体二极管通流老化测试装置中SiC MOSFET体二极管通流老化单元的结构示意图。

具体实施方式

在对功率器件进行可靠性考核时，通常需要施加电和热两方面的应力。在两种应力持续较长时间的考核下，加速被测器件的老化。通过比较考核前后以及过程中器件特性参数的变化，评判器件的可靠性测试结果，在短时间内获得器件的预期工作寿命，SiCMOSFET体二极管通流老化试验流程见图1。，SiC MOSFET体二极管通流老化试验时，需要在测试前后对被测SiC MOSFET的常温及高温静态特性进行测试，记录体二极管在额定电流及工作栅极负压条件下的常温通态压降V

以下结合图1和图2对本发明做进一步详细说明。

如图2所示，本发明的碳化硅MOS管体二极管通流老化测试装置包括恒流回路和调节单元，该恒流回路上串联有不少于两个SiC MOSFET体二极管通流老化单元，恒流回路用于为SiC MOSFET体二极管通流老化单元提供额定的直流电流。恒流回路含有直流电流源，SiC MOSFET体二极管通流老化单元依次串联在直流电流源的两端间。

SiC MOSFET体二极管通流老化单元含有散热装置和热电偶，散热装置用于安装在被测器件一侧，用于对被测器件进行散热，热电偶安装在被测器件与散热装置间，用于检测被测器件的壳温。调节单元包括温度采集仪、结温比较电路和散热装置调节电路，热电偶与温度采集仪相连，温度采集仪与结温比较电路相连，结温比较电路与散热装置调节电路相连，散热装置调节电路与散热装置相连，温度采集仪用于采用热电偶的温度得到被测器件的实际结温、并将实际结温信息传递给结温比较电路，结温比较电路用于将实际结温与预设结温进行比较，并将比较结果发送给散热装置调节电路，散热装置调节电路用于根据比较结果调节散热装置的散热效率，当实际结温高于预设结温时，散热装置调节电路控制散热装置提高散热效率，当实际结温低于预设结温时，散热装置调节电路控制散热装置降低散热效率。根据被测器件的壳温得到被测器件的实际结温的公式为：T

其中，T

本实施例中，散热装置为风扇，散热装置调节电路为风扇转速调节电路，温度采集仪、结温比较电路和风扇转速调节电路的具体结构均为本领域技术人员的惯用技术手段，这里不再赘述。

如图3所示，SiC MOSFET体二极管通流老化单元含有输入端、输出端、保护单元和用于驱动被测器件的栅极负压单元，输出端流入直流电流、用于与被测器件的源极相连，输出端流出直流电流、用于与被测器件的漏极相连。保护单元含有保护开关和控制模块，保护开关连接在输出端与输出端间，控制模块检测被测器件的两端电压，当被测器件的两端电压大于设定电压时，控制模块控制保护开关闭合，被测器件短路，直流电流通过开关流过输入端和输出端。控制模块包括电压采样电路、比较电路和栅极控制电路，电压采样电路与比较电路相连，比较电路与栅极控制电路相连，栅极控制与功率开关管的栅极相连。电压采样电路接在被测器件的源极和漏极间，用于检测被测器件的导通压降、并将导通压降传输给比较电路，比较电路用于将导通压降与设定电压做比较、并将比较结果发送给栅极控制电路，栅极控制电路用于根据比较结果控制功率开关管导通、闭合。保护开关为功率开关管，功率开关管的流通能力大于被测器件。本实施例中，功率开关管为硅基金属氧化半导体场效应晶体管(Si MOSFET)。

本实施例中，栅极负压单元、电压采样电路、比较电路和栅极控制电路的具体结构均为本领域技术人员的惯用技术手段，这里不再赘述。

本发明采用直流加电的形式实现。将被测器件以串联的形式连接，使用恒流的直流电流源输出额定电流，使得每颗被测器件的体二极管处于持续正向导通的工作状态。相较于脉冲模式，直流模式可以更好的对被测器件施加电应力，并降低对于电流源的要求。

作为可靠性测试装置，该设备需要持续工作数十小时，甚至数百小时，必须要配备失效保护装置。本发明对每个独立的被测器件，并联一颗通流能力更大的硅基金属氧化半导体场效应晶体管(Si MOSFET)作为保护器件，通过电路控制，及时处理失效器件，避免对其他正常被测器件的持续考核的影响。具体的，通过电压采样获得被测器件V

对于SiC MOSFET体二极通流老化测试过程的热应力，本发明利用被测器件的自身的功耗实现加热。由于SiC MOSFET的体二极管属于结构寄生的PiN二极管，在额定电流和栅极负压下的导通电压较高，持续工作状态下功耗很大，发热明显。因此，本发明无需采用高温烘箱或其他加热装置，利用其自身的热耗，配合散热装置，调节其测试结温。

本发明的碳化硅MOS管体二极管通流老化测试装置的优点如下：

1.采用独立的温度调节的方式，对每颗被测器件根据其器件特性，配合不同的散热装置，利用热电偶测温和稳态热阻计算，闭环反馈的形式精准控制并记录每颗器件的考核温度变化，提高试验热应力精度。

2.采用主测试电路配合子测试单元的形式，可以同时实现多颗不同通态压降的被测器件的统一测试。且易于扩展，可以根据实际需求调节不同被测器件的栅极负压、测试结温。同时，独立的测试子单元之间相互保持间距，避免测试过程中互相影响。

3.并联功率开关管的方式实现对失效器件和主测试电路的保护，既保留了被测失效器件损坏后的状态，也保证了测试设备长期可靠的运行，不会因为个别被测器件的损坏而影响总体测试进行。