摘" 要：碳化硅功率模块因其在电力电子领域的卓越性能而备受关注，主要包括高频、高压、耐高温、快速开关和低损耗等特点。为了确保碳化硅功率模块在应用中的可靠性，其静态特性的研究十分重要。因此，针对已经在商用的一款碳化硅功率模块，提出一种新的碳化硅功率模块的导通电阻（RDSON）和续流二极管导通压降（VF）的测试方法，并对碳化硅功率模块的参数测试设备进行改造，可以有效地减少测试时间，降低测试节拍，提高测试效率。
关键词：碳化硅功率模块；静态测试；导通电阻；导通压降
中图分类号：TN386" 文献标识码：A" 文章编号：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“碳达峰”“碳中和”等国家战略背景下，以新能源汽车为代表的“双碳经济”迎来前所未有的发展机遇，电动汽车、光伏、风能绿色能源、智能电网等新的电力电子应用的发展，迫切要求电力电子器件在性能上更新换代[1-2]。电力电子技术是能源产生、传输、分配和运动的关键使能技术，基于其制备的MOSFET表现出极其优异的特性，从而被广泛应用于轨道交通、电动汽车、智能电网以及航空航天等领域[1，3]。与Si功率器件相比，碳化硅功率器件的主要优点是禁带宽度大、临界击穿电场强度高、电子饱和漂移速度快、热导率高、熔点高等，使得碳化硅功率器件比Si器件拥有更高的工作温度、更低的导通损耗、更高的击穿电压、更快的开关速度、更强的散热能力和耐高温能力，能够同时承受高电流和高电压应用而不会发生破坏性故障的能力[4-6]。目前，功率开关器件发展迅速并被广泛运用，其设计与制造朝着高频开关速率、高功率密度、高结温等方向发展[7-8]。
国内由于功率器件起步较晚，其测试设备的研制也相对晚于国外。为了确保碳化硅功率模块在应用中的可靠性，其静态特性的测试研究十分重要[9-10]。静态参数测试是评估功率器件性能是否达标的基础流程。静态参数主要是指SiC MOSFET本身所固有的或者在稳态工作下的特征参数，主要关注阈值电压、栅漏电流、源漏电流、导通电阻、正向阻断特性、反向恢复特性等参数，用于评估其电气性能和可靠性。
本文针对已经商用的一款碳化硅功率模块，分析了静态电学特性与测试要求，搭建了新的自动化测试系统对器件进行封装测试，本文对这款自动化的碳化硅功率模块静态参数测试平台，提出了一种新的碳化硅功率模块的导通电阻和续流二极管导通压降的测试方法，并对测试设备进行改造，可以有效地减少测试时间，降低测试节拍，提高测试效率，这对碳化硅功率模块器件性能的评估以及应用具有重大意义。
1" 碳化硅功率模块的介绍
1.1" SiC MOSFET介绍
SiC MOSFET是垂直导电的一种三端器件，包括栅极、源极和漏极，通过改变栅极上施加电压的大小，改变二氧化硅和P well区界面处电场的方向和大小，使P well区表面在少子反型状态和多子积累状态之间切换，控制载流子能否在源极和漏极之间自由流动，进而控制MOSFET的开通和阻断，图1展示了N沟道SiC平面栅MOSFET的结构以及开通路径。
1.2" 碳化硅功率模块的结构
碳化硅功率模块是由上桥与下桥构成，每个桥由六块SiC MOSFET并联而成。图2为一款商用的碳化硅功率模块，信号Pin定义如图所示，其中PTS1与PTS2为正温度电阻，DH、GH和SH为上桥的漏极、栅极和源极；DL、GL和SL为下桥的漏极、栅极和源极。T+与上桥的漏极内部短接，T-与下桥的源极内部短接，P与上桥的源极和下桥的漏极内部短接，图3为模块内部元件简化示意图。
1.3" "SiC MOSFET三相逆变电路介绍
碳化硅功率模块是新能源汽车主驱逆变器的重要组成部分，主驱逆变器是电动汽车的核心，是新能源电动汽车的心脏。三块碳化硅功率模块组成一个三相逆变全桥模块，如图4所示，SiC MOSFET三相逆变电路如图5所示。
2." "碳化硅功率模块的测试方法
2.1" 导通电阻的测试
测试目的是验证碳化硅功率模块的导通电阻是否在正常的范围内。SiC MOSFET的导通电阻各组成成分示意图如图6所示，导通电阻（Rdson）为器件结构中各个部分的电阻串联的总和，包括源极接触电阻Rsc，N+区电阻Rs，沟道电阻Rch，积累区电阻Rac，JFET区电阻Rjfet，漂移区电阻Rdrift，衬底电阻Rsub和漏极接触电阻Rdc。
Rdson = Rsc+Rs+Rch+Rac+Rjfet+Rdrift+Rsub+Rdc" "（1）
对于RDSON测试，分为上桥（RDSON_H）测试和下桥（RDSON_L）测试，栅极电压VGS需要使用Keithley 2410低压源表保持在18 V，测试中，在T+与P和P与T-之间使用脉冲源注入一个脉宽为500 us、大小为600 A的测试电流IDS，使用脉冲源的sense测试DX和SX（X = L，H）两个测试pin之间的电压VDS，测试原理图如图7、8所示。导通电阻为：
Rdson = IDS/VDS （2）
2.2" "续流二极管的导通压降测试
测试目的是验证碳化硅功率模块的续流二极管的导通压降（VF）是否在正常的范围内。对于VF测试（VF），分为上桥（VF_H）测试和下桥（VF_L）测试，碳化硅功率模块的门级不需要打开，电流方向与RDSON测试相反，使用脉冲源在P与T+和T-和与P之间注入一个测试电流IFD，使用脉冲源的sense测量SX和DX（X=L，H）两个测试pin之间的电压VFD。测试原理图如图9和图10所示。二极管导通压降为：
VF = IFD/VFD （3）
2.3" RDSON与VF使用的测试源表
Keithley 2410源表作为低压源使用，为RDSON测试的门级提供开通18 V电压，如图11所示。
VXI AXC85系列脉冲源作为RDSON与VF测试的脉冲源使用，如图12所示，可以支持1 000 A、2 ms的电流脉冲，并具有sense测试电压回读功能，如图13所示。
3" 一种新的RDSON和VF的测试方法
碳化硅功率模块自动化的测试系统，要对每个碳化硅功率模块完成大量测试项的测试，以保证器件性能，并自动进行数据后处理和报告生成，所以提高测试效率便成了衡量测试设备的指标之一。
为了增加测试效率，将脉冲源的电流脉冲直接从T+到T-，同时流过上下桥，然后利用两路sense分别测试上桥电压VDS1与下桥电压VDS2，这样不经过P点，可以将上桥（Rdson_H）测试和下桥（Rdson_L）测试合并为一个测试项，可以减少测试时间，降低测试节拍，VF测试同理。图14为新的RDSON测试原理图，图15为新的VF测试原理图。
（4）
（5）
4" 碳化硅功率模块参数设备改造
4.1" 碳化硅功率模块参数测试设备介绍
SiC MOSFET的静态特性主要是伏安特性和跨导特性，涉及器件的阈值电压、导通电阻、反向击穿电压、体二极管导通以及体二极管反向恢复特性等。图16为联合汽车电子开发的一款碳化硅功率模块自动化测试系统，测试一款碳化硅功率模块的静态参数时间为15 s，测试设备还包括高压板卡、低压板卡、电流切换箱、电压切换箱、夹具等。
电压板卡采用4×16路继电器进行资源的切换，4行分别连接到高压源的Force+、Force-、Sense+、Sense-，16列按测试需求分别连接到产品测试引脚T+、T-、P、SL、GL、DL、PTS1、PTS2、SH、GH、DH等，如图17所示。产品夹具如图18所示。
4.2" 电流切换箱
电流切换箱用于切换脉冲源输出的大电流方向以满足RDSON和VF测试需求。大电流切换箱内有六个大电流接触器，每个接触器上都有主触电和辅助触点，主触点与辅助触电同时开断。主触电控制脉冲源电流的方向，辅助触点将脉冲源sense连接到碳化硅功率模块的测试引脚，通过控制大电流接触器控制电流的流向和sense线连接的引角，如图19所示。
图20为电流切换箱主触电的简化图，当测试上桥的导通电阻Rdson_H时，需要给P到T+大电流脉冲，此时需程序控制打开K2、K4接触器。辅助触电接入脉冲源的sense线，如图21所示，当测试上桥的导通电阻时，sense线方向应为DH到SH。
4.3" 电流切换箱的改造
根据新提出的导通电阻与续流二极管导通压降的测试方法，碳化硅功率模块的信号P角不加入测试节点，并且加入了两路sense线，所以要对电流切换箱进行改造。P角不用，可减少K2、K5两个大电流接触器，加入两路sense可加入四个电流继电器，已实现对多出一路sense的控制。触电简化图如图22和图23所示。
通过使用两组sense线，以下简称（S+、S-、S2+、S2-），通过大电流四个辅助触点和新增的四个继电器组成的开关电路，连接到夹具上的SH、SL、DH、DL，然后对产品进行测试。图24为辅助触点接线图，图中与线路连接点为接线端子。
对于接触器与继电器的开断，则通过IO控制回路的开断，从而控制接触器与继电器的开断，从而控制信号之间的连接。对于四个大电流接触器的辅助触点，它们的正极通过接线端子并联到电源的24 V+，负极则是连接到IO的控制回路，通过IO的开断对辅助触点进行控制。对于这四个继电器也是类似控制，K51与K52和K22与K21要求同时关断，所以负极可以并联在一起连接到控制回路。图25为电源连接和控制示意图，图26为改造后的电流切换箱。
4.4" 测试结果
碳化硅功率模块自动化测试使用测试软件QuickTest。QuickTest定制化开发的特性保证了其使用的灵活性，借助该软件，不仅能进行测试程序的调试与优化，也能完成产品的硬件下线自动测试。
如图27所示，测试结果与电流切换箱改造之前的测试项数据区间进行比对，符合测试标准区间。电流切换箱改造之前测试时间为15 s，改造之后测试时间为14.4 s，测试时间降低了0.6 s，有效地降低了测试时间，增加了测试效率。
5" 结" 论
通过对这款碳化硅静态测试设备电流切换箱的改造，完成了新的导通电阻RDSON与续流二极管导通压降VF的测试要求，并且缩短了测试时间，减小了测试节拍，这对碳化硅功率模块静态测试非常有意义。该测试系统目前已进行样品及量产的生产测试，尽管目前基本满足测试需求，但是设计上仍然存在一些不足之处，一些工程测试问题还有待解决，测试效率等方面还有待进一步提高。
参考文献：
[1] 曾正，邵伟华，胡博容，等.SiC器件在光伏逆变器中的应用与挑战 [J].中国电机工程学报，2017，37（1）：221-233.
[2] 赵正平.SiC电力电子学产业化技术的创新发展 [J].半导体技术，2022，47（3）：161-178.
[3] 杜泽晨，吴沛飞，刘瑞，等.SiC MOSFET特性参数的一致性分析 [J].半导体技术，2022，47（4）：281-287.
[4] CHEN J，DU X，LUO Q M，et al. A Review of Switching Oscillations of Wide Bandgap Semiconductor Devices [J].IEEE Transactions on Power Electronics，2020，35（12）：13182-13199.
[5] ZHANG L，YUAN X B，WU X J，et al. Performance Evaluation of High-power SiC MOSFET Modules in Comparison to Si IGBT Modules [J].IEEE Transactions on Power Electronics，2019，34（2）：1181-1196.
[6] 柏松，李士颜，费晨曦，等.新一代SiC功率MOSFET器件研究进展 [J].人工晶体学报，2020，49（11）：2122-2127.
[7] MILLÁN J，GODIGNON P，PERPIÑÀ X，et al. A Survey of Wide Bandgap Power Semiconductor Devices [J].IEEE Transactions on Power Electronics，2014，29（5）：2155-2163.
[8] 陈尧，赵富强，朱炳先，等.国内外碳化硅功率器件发展综述 [J].车辆与动力技术，2020（1）：49-54.
[9] 盛况，任娜，徐弘毅.碳化硅功率器件技术综述与展望 [J].中国电机工程学报，2020，40（6）：1741-1753.
[10] 吴沛飞，杜泽晨，杨霏，等.6500V SiC MOSFET模块测试与分析 [J].中国电机工程学报，2022，42（3）：1081-1092.
作者简介：李文强（2000.05—），男，汉族，山东潍坊人，硕士在读，研究方向：汽车电子、嵌入式。
