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動態量測

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滿足寬能隙元件測試 量測設備首重高電壓/電流

寬能隙功率半導體(SiC,GaN)具備更高的操作溫度、高運行電壓、高運作頻率和低功率損耗。採用寬能隙功率元件,能夠使得導通時及切換時的耗損能量降低,讓整體運作功率大幅下降,同時明顯降低設備的體積、重量及價格。為此,寬能隙解決方案備受電源供應業者青睞,且已逐步進入量產階段,終端產品亦已開始銷售。 然而,寬能隙材料的功率元件,最引人矚目的優勢是建立在高頻與高電壓操作上,在終端產品相繼於市場亮相的同時,也意味著寬能隙元件的測試需求隨之增加,為此,量測儀器業者紛紛推出高效、便利的解決方案,不僅滿足高電壓、高電流測試需求,並進一步縮短產品開發時程。 滿足高電壓/電流測試儀器/探棒雙升級 太克科技(Tektronix)應用工程師陳思豪(圖1)表示,在相關的技術瓶頸逐漸被克服後,寬能隙解決方案相繼出現,像是採用GaN的變壓器、充電器等;相關產品陸續問世,也代表著寬能隙方案的量測需求也跟著增加。 圖1 太克科技應用工程師陳思豪表示,高電壓和高電流為測量寬能隙元件首先碰到的挑戰。 陳思豪指出,寬能隙元件的測量,首先碰到的挑戰便是高電壓和高電流。因為寬能隙材料耐崩潰程度高,而採用寬能隙材料打造而成的產品能承受高電壓、高電流,而為量測這項特性,測試儀器的耐受電壓/電流也須跟著提升,例如以往最高承受度是1,000V,現在可能要到2,000~3,000V。 為此,太克備有Keithley 2657A,該產品專門針對高壓電子、功率半導體元件的特徵分析與測試而設計,例如二極體、FET/IGBT、直流-直流轉換器、電池、太陽能電池、高功率材料、元件、模組等,以及其它一些需要高電壓、快速響應和精確測量電壓和電流的元件和材料等。 至於Keithley 2651A,則是專門因應高電流測試,該產品最高可達2,000W的脈衝功率(±40V、±50A),或最高可達200W的直流功率(例如±10V@±20A、±20V@±10A、±40V@±5A);可輕鬆地連接兩個單元(串列或並列方式)來建立最高可達±100A或±80V的解決方案。 另一方面,要量測寬能隙解決方案,除了儀器須符合高電壓、高電流的規格外,週邊設備如治具、探棒等性能也必須跟著提升。 以探棒為例,太克科技業務經理吳道屏(圖2)說明,寬能隙方案於量測時有許多和以往功率元件不同的地方,例如寬能隙方案的Miller Charge Qg更低,可實現快速切換速度,且所需的寄生電容、電阻和電感大大減少;因此,在量測的時候需要能夠測量極快的dv/dt、di/dt和高頻,並且減少負載、電感和電容。或是需要嚴格調節Vgs和Vth電壓,因此需要能夠準確測量高端和低端電路中所有柵極節點上的Vgs等。 圖2 太克科技業務經理吳道屏指出,不僅量測儀器須符合寬能隙元件的特性,連探棒性能/規格也須跟著提升。 吳道屏指出,這些特性以及量測需求除了使量測儀器的規格、性能改變之外,連帶推動探棒性能也跟著增加,傳統探棒由於不是為了量測寬能隙方案而設計,因此會有共模抑制(CMRR)不高、電容、電感不符,或是以及頻寬不足等問題(過往探棒頻寬多為100~200MHz,而要滿足寬能隙方案測試探棒頻寬最好達800MHz~1GHz)。 基於此一原因,太克也研發因應寬能係元件量測的碳棒「IsoVu」。該產品的特點在於為使用包括GaN和SiC技術的電源裝置設計人員提供更強的共模抑制比,讓使用者首次可查看先前隱藏在共模雜訊中的訊號。另外,該產品可以在高達100MHz的環境中提供100萬:1(120dB)的共模抑制,而在1GHz的環境中提供10000:1(80dB)的CMRR。若使用IsoVu,工程師可以在存在大型共模電壓(範圍為直流至1GHz)的情況下,準確地量測微小的差動訊號(5mV~50V)。 吳道屏表示,簡單來說,IsoVu和其他商用探棒不同,其採用電光感應器將輸入訊號轉換至光學調變,從而將待測裝置與示波器進行電器隔離;且整合了四個獨立的雷射、一個光學感應器、五條光纖和複雜的回饋和控制技術,具有電隔離的IsoVu架構在其頻率範圍可提供>2,000V峰值的共模耐壓。 當然,除了高電壓、高電流之外,寬能係元件還有其他量測重點,像是動態電阻測試。陳思豪說明,高電流、高電壓是屬於I-V特性的靜態量測,然而,要真正看出寬能隙元件的特性,另一個不能缺少的便是動態電阻測試。 陳思豪指出,動態電阻測試的目的在於,當元件瞬間遭遇大電壓時,會出現電流變小的情況,雖說這只是暫時性(約幾秒鐘),卻也會對產品產生影響;動態電阻測遂成為寬能隙元件測試的重要項目之一。 一站式方案+模擬軟體降低測試難度 是德科技(Keysight)行銷處資深專案經理郭丁豪(圖3)表示,傳統IC(邏輯IC)的要求都是低功率,因此在量測的重點多是與省電相關,像是低電流、低功耗等。但寬能隙元件的用途與傳統IC截然不同,多用於高功率的應用,因此其所需的電壓、電流是完全不同等級的,有可能是數百安培、數百/數千伏特,因此量測儀器的規格和效能也須跟著改變。 圖3 是德科技行銷處資深專案經理郭丁豪說明,寬能隙元件多用於高功率應用,因此所需的電壓、電流是和傳統IC截然不同。 是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙(圖4)也透露,除了電壓、電流的不同之外,寬能隙元件的另一特點便是高切換速率。當切換速率越來越快,損耗越來越低,同時又要滿足大電壓、大電流,此時就必須添加動態參數量測,也就是所謂的Double Pulse Test(DPT),檢測寬能隙功率元件的切換時間、延遲等。換句話說,針對SiC、GaN這類寬能隙元件進行特性分析的時後,靜態與動態的量測都必須執行。 圖4 是德科技應用工程部專案經理蕭舜謙透露,寬能隙元件的另一特點是高切換速率,因此動態參數也是量測重點。 為此,是德科技備有一站式的量測解決方案「PD1000A」,該方案包含B1505A和B1506A功率元件分析儀可提供必要的靜態量測;而關鍵的動態參數,則是可透過「PD1500A」動態功率元件分析儀進行量測。 該產品具備雙脈衝測試功能,提供可靠、可重複的寬能隙半導體量測方式,能縮短設計時間並且減少所需的原型數量,進而降低成本並加快上市速度;並確保測試環境安全,記錄、支援並維護現成的測試解決方案,且可在一個或多個站點上維護多個測試解決方案。同時,針對著重耐用性的量測,該產品還可迅速因應其可靠性考量(例如短路和崩瀉),簡化測試程序並加以自動化。 蕭舜謙指出,由於高功率元件、產品或應用(如電廠、汽車),都牽涉到高電壓、高電流,一旦出現問題,都容易對人身安全造成相當大的危害,因此在設計的過程中一定是要經過反覆的驗證。寬能隙功率元件設計的過程中,除了須有相對應的硬體設備進行量測外,模擬軟體也扮演相當重要的角色。 蕭舜謙進一步說明,過往的設計流程通常是先做出一個「理想模型」,接著再進行電路模擬、量測,發現不符合的地方再逐一修改,最後可能要經過好幾個版本的調整後才能夠製作出完善的產品,而這樣的方式相當耗費時間和成本。因此,透過模擬軟體可改善此一困境,實現有效的優化電路設計,且節省開發時間及成本。 為此,是德科技也備有積體電路特性化及分析程式(IC-CAP)元件建模軟體。該軟體能夠萃取用於高速/數位、類比和功率射頻電路設計應用的精確且簡易的模型,對矽晶CMOS、Bipolar、化合物砷化鎵(GaAs)、GaN和許多其他元件技術進行建模。 IC-CAP優勢還包括:開放軟體架構確保最佳的準確度,並提供最大靈活性,能建立和自動執行量測、萃取和驗證程序;適用於BSIM3/BSIM4、PSP和HiSIM等產業標準CMOS模型的統包式萃取解決方案,可顯著縮短學習過程,提高模型準確度;還可直接連接商業模擬器,確保萃取的模型與電路設計工程師所使用的模擬器之間的一致性。 郭丁豪指出,簡而言之,寬能隙元件和以往邏輯IC量測重點可說是大不相同,而該公司推出一站式(Turnkey)解決方案(PD1000A),再加上模擬軟體,除了滿足目前市場的量測需求外,最主要的目的是縮短元件商/OEM業者的產品測試時程、減少複雜度,進一步加快產品上市時程。 滿足高電壓/電流後 可靠度是下個測試挑戰 羅德史瓦茲(R&S)Regional Engineering Support & Training Manager Nick Tang(圖5)則說明,基本上,寬能隙方案的量測,主要是需要滿足高頻量測和高電壓容差兩個要求,特別是高度的共模要求。然而對於生產而言,其要求是如何複製和減少這些寬能隙產品上的一些典型測試項目,而最急迫的考量仍然是產量比率,而現階段的重點在於量測方法,以確保更高的產量。 圖5 羅德史瓦茲Nick Tang指出,要量測寬能隙元件,就示波器而言,關鍵仍在於要承受高電壓和快速切換的探測需求。 至於在量測儀器方面,就示波器而言,關鍵仍在於要承受高電壓和快速切換的探測需求。這些通常需要更高的電氣類別等級,也就是需要更好的絕緣性能以保護使用者和設備。通常在這樣的等級下,頻寬效能是有限的。透過更好的導通電阻,將這些元件特性化的典型量測也需要更好的靈敏度。另一個關鍵問題是電磁干擾(EMI)雜訊,快速的邊緣速率和高電壓轉換將會更高並且可以耦合到量測設備中。 至於軟體要求方面,目前仍處於起步階段。當生產增加時,自動化測試系統的開發需求將隨之增加,因此也需要針對這些設備開發測試案例。另一項重大發展則是電源控制器,其運作頻率也將會提升。然而,這些方法長期以來一直運用在高速IC中,關鍵領域是開關控制、功率因數校正,以及有些可能需要在硬體拓撲(Hardware Topology)和軟體中進行的熱能控制。 另一方面,陳思豪表示,要成功將寬能隙元件商業化,除了電壓、電流和動態電阻等要素外,可靠度也是其中一項測試關鍵。目前雖說有JEDEC規範,但每家廠商對於產品的要求都不同,因此也會衍生每間公司對於產品有著不同的驗證手法和需求。所以,寬能隙方案目前在可靠度測試方面,都是曠日廢時,需要花上一段時間。為改善此一情形,目前已有學界單位研發出Step Stress的量測方式,並已獲得電源供應元件業者採用。 Nick Tang則說,從過往經驗來看,標準規範並沒有定義功率規格。絕大多數的測試案例是根據不同供應商的要求所開發出來的。這點仍然是業界常態,不同的產品主要在於適用不同的應用環境。因此,標準化的測試案例不太可能獲得廣泛採用。以JEDEC來說,因為沒有商標或標準測試機構來驗證產品,其規範可作為基本需求的參考。大多數的供應商仍會採用這些新技術並修改他們目前的測試方法,但不太可能對該解決方案進行大幅度修改。
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