使用多个电流探头研究SiC和GaN功率半导体器件的电极间电容

本文介绍了使用多个电流探头研究SiC和GaN功率半导体器件的电极间电容。它分为四部分：双电流探头法原理、测量结果、三电流探头法原理和测量结果。

在高开关速度、低导通电阻、高工作温度等方面，过去几年中，基于SiC/GaN的器件吸引了大量的研究。与传统的硅（Si）基半导体器件相比，这为高功率应用提供了更平稳的功能，甚至降低了运营成本。因此，SiC 和 GaN 支持可重复使用能源、HEMT、高功率工业设备等应用。

功率半导体器件具有电压相关的电极间电容，在开关损耗换向以及电磁兼容性（EMC）中起着至关重要的作用。

图 1a： 常导氮化镓 HEMT 图 1b： 常 关» 碳化硅 JFET

上图1a显示了电容为C gd、C gs和C ds的GaN HEMT的常导通条件，图1b显示了电容C gd和C gs的常导状态。 在实验过程中，注意到C-VDS曲线总是给出一个VGS电压值。 由于电极间电容的强非线性，在高V DS电压下的线性坐标中不可能获得准确的信息。因此，研究人员和工程师必须能够轻松表征这些电容，从而应用于功率器件的建模。

双电流探头法原理

必须设计一种研究人员可以轻松操作的新装置，以表征SiC和GaN功率半导体器件中的电容。因此，计算未知阻抗Z x的排列方式如图2所示。

图2 - 两个电流探头测量的基本设置

在该图中，使用矢量网络分析仪、电流接收探头和电流注入探头。借助电流探头的等效变压器模型，公式1可以表述为：

等式1-阻抗方程式

在这里，网络分析仪探测并测量 S参数 S 11 和 S21。而K和Z设置是分别描述电流探头和连接线之间的耦合效应以及测量配置阻抗的两个参数。

为了确定这些参数的值，我们用两个精密标准电阻代替公式1中的Z X，得到两个方程。通过求解这些方程以找到K和Z设置，这种排列可用于查找未知阻抗Z x。

测量结果

图4显示了使用多探头方法测得的JFET电容。如结果所示，SiC JFET电极间电容与V DS和VGS均具有相关性。

图3：测量的电容

在40伏电压下，可以看到表面几乎重叠，这意味着低电压可以很容易地被检测到并通过探头。此外，多探头方法允许比阻抗分析仪具有40V偏置V DS电压限制的更高V DS 电压。

三电流探头法原理

双电流探头方法的主要问题是精度限制，新的三电流探头方法抑制了精度限制。这使用一个带有一个CIP和两个CRP的额外电流探头来直接计算电极间电容，如图4a所示。

图4a-初步设置

然而，要使这种设置正常工作，必须形成一个等效的测量电路，如图4b所示。这里，端口 1 的信号源是 V1，而 Vp 1、Vp2 和Vp 3 是在各自端口测量的信号电压。

图4b-等效电路

保持所有端口的输出和输入阻抗为50，Z p1、Z p2和Zp3分别是注入和接收探头的输入阻抗。探头和电路之间的互感用M 1、M 2和M3表示，而Z w、Z w1和Zw2表示导线连接的寄生阻抗。根据欧姆定律，电压V1通过注入探头在电路中 感应出电流IW。

从图4b中，可以制定一个矩阵（如图5所示），该矩阵使用基尔霍夫电压定律来查找未知阻抗Z x1和Zx2。

图5-配方基质

未知阻抗Z x1和Zx2可以如图6所示表示。

 

图6-阻抗公式

网络分析仪测量S参数，而借助六个精密标准电阻，可以获得探头和测量配置之间的耦合效应Q 1和Q2。

测量结果

下图5a和5b分别显示了V DS等于0V和20V时的C ds阻抗和相位测量结果。

图5a：C ds测量结果 图5b：Cgd测量结果

如结果所示，C ds和Cgd在1MHz 时都接近噪声水平，这使得计算1MHz时的电容变得困难。GaN HEMT具有如此小的电极间电容，以至于它们在1MHz左右的测量阻抗相当大，导致测量不足。

结论

对使用多探针法测量SiC/GaN半导体器件电压依赖性电极间电容进行了技术研究。在实验过程中，进行了基本设置，其中所提出的方法具有将测量设备与直流偏置电源隔离的优点。在SiC JFET的“常关”条件下，该方法允许表征电极间电容。该表征是在高偏置VDS电压下进行的，测量结果证明了该方法的准确性。相反，“常开”GaN HEMT的测量结果可能不会发生，因为1MHz左右的电极间阻抗使得CRP接收的电流非常小，结果几乎是噪声。为了应对这些不便，两个CRP绕组了更多的匝数，以提高其测量灵敏度。结果表明，这种改进大大提高了小电极间电容值的测量精度。该应用可以成功用于传统的硅功率器件及其电极间表征。
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