logo

标准解读专题

T/CASAS 033-2024《碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)功率器件开关动态测试方法》标准解读

本文围绕 T/CASAS 033-2024 的制定背景、双脉冲测试原理、测试电路设计、测试条件、仪器要求、计量方法、安全事项与行业意义进行系统梳理,帮助读者快速理解这项 SiC MOSFET 开关动态测试标准的关键内容与工程价值。

标准编号 033-2024
核心方法 DPT
推荐电压探头带宽 ≥500MHz
温控范围 室温~175℃

一、引言

碳化硅(SiC)作为第三代半导体的代表材料,凭借宽禁带特性,在功率电子领域展现出革命性优势。SiC MOSFET 功率器件具备高击穿电压、高工作频率、高工作温度等突出特性,已成为新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网等战略性新兴产业的核心器件。与此同时,SiC 器件的高速开关特性也对测试技术提出了更高要求,传统 Si 器件的开关动态测试方法已难以满足其在带宽、响应速度和抗干扰方面的测试需求。

1.1 标准制定背景

长期以来,行业缺乏针对 SiC MOSFET 开关动态特性的定量技术规范和标准化测试方法,不同厂商、不同实验室的测试结果难以溯源和相互比对,这一问题已成为制约第三代半导体产业发展的痛点。

1.2 标准制定意义

  • 技术层面:建立了科学、统一、可操作的测试方法体系,为 SiC 器件开关特性表征提供技术依据。
  • 产业层面:解决了测试结果不可比、不可溯源的行业难题,促进产业链上下游技术协同和质量管控。
  • 创新层面:推动测试仪器设备技术升级,为国产测试装备发展提供标准支撑。
  • 国际层面:为我国参与国际标准制定积累经验,提升在第三代半导体领域的话语权。

核心判断

T/CASAS 033-2024 填补了 SiC MOSFET 开关动态测试方法标准的空白,其价值不只是“补一份标准”,而是把行业分散、不可比、不可追溯的测试实践,拉回到统一、可复现、可计量的工程框架中。

二、标准概述

本标准由第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)发布,适用于分立器件和功率模块等封装形式的 SiC MOSFET 功率器件开关动态测试,为测试人员提供了从原理、电路、仪器到安全要求的完整技术指导。

项目 内容
标准编号 T/CASAS 033-2024
标准名称 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)功率器件开关动态测试方法
发布机构 第三代半导体产业技术创新战略联盟(CASA)
发布日期 2024年11月19日
实施日期 2024年11月19日
标准性质 团体标准

2.1 适用范围

  • 单管封装 SiC MOSFET 器件。
  • 模块封装 SiC MOSFET 器件。
  • 650V、1200V、1700V 等各电压等级 SiC MOSFET 产品。
  • 覆盖测试原理方法、电路要求、仪器要求、测试条件、计量方法与安全要求。

2.2 起草单位

本标准由重庆大学牵头,联合华润润安、华峰测控、是德科技、泰克科技、忱芯科技、中车时代半导体等 28 家单位共同起草,涵盖高校、器件厂商、测试设备厂商、应用企业等产业链各环节,体现了产学研用深度融合的标准制定理念。

三、核心技术要点

标准采用电感钳位双脉冲测试(Double Pulse Test,DPT)作为核心测试方法,并对测试电路设计提出了明确要求,这是理解整份标准的技术中心。

3.1

双脉冲测试原理

双脉冲测试通过两个连续脉冲控制被测器件的开关状态,利用电感负载的电流连续特性,在短时间内模拟器件实际工作状态。第一个脉冲使负载电流上升至目标值,随后观测器件关断过程;第二个脉冲上升沿则用于观测器件开通过程。

01

第一个脉冲

开通被测器件,使负载电流上升到目标测试电流值。

  • 脉冲宽度根据目标电流和负载电感计算确定。
  • 通常不超过 200μs,避免器件自发热影响测试结果。
  • 标准要求脉冲宽度分辨率优于 0.1μs,确保测试精确性。
02

下降沿与第二个脉冲

分别对应关断过程与开通过程的关键参数观测窗口。

  • 第一个脉冲下降沿观测关断延迟时间、下降时间、关断损耗和电压电流变化率。
  • 第二个脉冲上升沿观测开通延迟时间、上升时间、开通损耗和电压电流变化率。
  • 续流二极管维持电流,保证测试过程接近真实应用工况。

3.2 方法优势

  • 低热影响:测试时间极短,器件结温变化可忽略。
  • 参数全面:可同时获取开通、关断、反向恢复等关键参数。
  • 真实性高:模拟器件实际应用工况,结果具有工程参考价值。
  • 可重复性好:测试条件可控,结果可重复、可追溯。

3.3 测试电路设计要点

  • 直流电源提供稳定测试电压。
  • 直流母线电容提供瞬态大电流并维持母线电压稳定。
  • 钳位电感作为负载电感,提供电流连续路径。
  • 驱动电路负责栅极驱动,续流器件提供续流路径。

直流母线电容计算公式

标准给出电容容量设计公式,用于控制开关过程中母线电压波动在可接受范围内,保证测试结果准确性。

Cdc ≥ L × IL² / (Kv × Vdc²)

3.4 功率回路寄生电感控制

  • SiC 器件开关速度极快,回路寄生电感会产生显著电压尖峰。
  • 标准要求功率回路寄生电感应尽可能降低,并在测试结果中注明其数值。
  • 建议采用叠层母线、紧凑布局等技术措施。

3.5 钳位电感设计

  • 应采用空心电感,避免磁芯饱和引起的电感量变化。
  • 需确保在最大测试电流下电感量稳定。
  • 等效并联电容 CEPC 应不超过被测器件输出电容的 10%。

四、测试条件详解

标准不仅定义了测试原理,还对环境条件、直流电源、驱动电路和温控平台提出了明确要求,使测试结果具备一致性和可比性。

4.1 环境条件

  • 环境温度:25℃±5℃。
  • 相对湿度:45%~75%。
  • 大气压力:86kPa~106kPa。
  • 若超出标准环境范围,应在测试报告中说明。

4.2 直流电源要求

  • 应提供 0~额定电压的可调直流输出。
  • 电流输出能力应满足测试需求。
  • 输出纹波应足够小,避免影响测试结果。
  • 测试过程中应维持电压稳定。
4.3

驱动电路要求

驱动电路决定测试信号质量,是高 dv/dt 条件下可靠测试的关键。

  • VCC 通常为 +15V~+20V,确保器件完全导通。
  • VEE 通常为 -3V~-5V,以防止误开通。
  • CMTI 宜不小于 100V/ns,输入输出共模电容宜不超过 5pF。
  • 开通和关断驱动电阻应分离设计,可独立调节。
4.4

串扰抑制与温控平台

标准同时关注误触发抑制与温度控制精度。

  • 建议引入米勒钳位电路,并联栅源电容,优化驱动回路布局。
  • 温度调节范围:室温~175℃,负温度可扩展至 -55℃。
  • 温度分辨率 <1℃,温度均匀度 <±2℃。
  • 温度波动应控制在 <±0.5℃,温度测量点应靠近芯片位置。

五、测试仪器要求

标准对电压探头、电流探头和示波器的关键指标提出了量化建议,目的是保证高速开关波形的测量精度和可信度。

01

电压探头选型指南

推荐带宽宜不小于 500MHz,响应时间不大于 0.7ns。

  • 最大平坦度带宽不小于 100MHz。
  • CMRR 宜不小于 80dB@0Hz、60dB@100MHz。
  • 输入电容 <5pF,噪声水平 <10mVrms。
  • 直流测量误差 ≤±2%。
02

电流探头选型指南

推荐带宽宜不小于 200MHz,响应时间不大于 1.75ns。

  • 寄生电感 <5nH,噪声水平 <0.1mArms。
  • 灵敏度 <10mA/div,直流测量误差 ≤±1%。
  • 同轴分流器适合高频大电流测量。
  • 罗氏线圈、霍尔探头可根据频率与精度需求选择。

5.1 示波器要求

  • 带宽宜不小于 500MHz,与电压探头匹配。
  • 垂直分辨率不小于 10 位,提高测量精度。
  • 噪声水平 <1mVrms(1V/div、50Ω输入阻抗)。
  • 测量通道不少于 4 路,通道同步误差 <0.5ns。

5.2 采样率考虑

虽然标准未明确规定采样率,但根据信号采样理论,采样率应至少为信号最高频率的 2 倍以上。对于 500MHz 带宽信号,建议采样率不低于 2.5GSa/s,推荐 5GSa/s 以上,以保证波形重建和参数提取的可靠性。

500MHz 电压探头与示波器推荐带宽下限
200MHz 电流探头推荐带宽下限
10位 示波器推荐垂直分辨率下限

六、测试方法与计量

标准对开通、关断和反向恢复过程的时间参数、损耗参数及速度参数进行了清晰定义,为不同实验室之间的统一计量提供了依据。

6.1 开关时间参数定义

  • 开通延迟时间 td(on):从栅极电压上升到稳态值 10% 起,到漏极电流上升到稳态值 10% 止的时间间隔。
  • 上升时间 tr:漏极电流从稳态值 10% 上升至 90% 的时间间隔。
  • 关断延迟时间 td(off):从栅极电压下降到稳态值 90% 起,到漏极电流下降到稳态值 90% 止的时间间隔。
  • 下降时间 tf:漏极电流从稳态值 90% 下降至 10% 的时间间隔。

6.2 开关损耗计算方法

  • Eon:从栅极电压上升至稳态值 10% 起,到漏源电压下降至稳态值 3% 止,对 Vds(t)×Id(t) 进行积分。
  • Eoff:从栅极电压下降至稳态值 90% 起,到漏极电流下降至稳态值 3% 止,对 Vds(t)×Id(t) 进行积分。
  • Err:从源漏电压开始下降起,到源漏电流下降至峰值的 2% 止,对 Vsd(t)×Isd(t) 进行积分。
dv/dt

电压变化率

定义为漏源电压从 10% 到 90% 或从 90% 到 10% 的变化速率。

dv/dt = (V90% - V10%) / (t90% - t10%)

dv/dt 是影响 EMI 设计和器件可靠性的关键参数,过高的 dv/dt 会导致严重电磁干扰,并对绝缘和轴承系统造成额外应力。

di/dt

电流变化率

定义为漏极电流从 10% 到 90% 或从 90% 到 10% 的变化速率。

di/dt = (I90% - I10%) / (t90% - t10%)

di/dt 通过回路寄生电感产生电压尖峰,过高的 di/dt 会增加器件电压应力,需要在驱动设计和回路布局中进行平衡优化。

七、安全注意事项

SiC MOSFET 测试涉及高电压、大电流和高温环境,标准对电气安全、操作规范和高温防护均提出了明确要求。

7.1 电气安全

  • 测试系统应可靠接地,接地电阻符合相关安全标准。
  • 高压部分应置于绝缘屏障中,防止人员触电。
  • 测试结束后,必须先将直流母线电容放电至安全电压以下。

7.2 操作规范

  • 测试应由两名或多名专业人员共同完成。
  • 操作人员应佩戴绝缘手套、护目镜等防护装备。
  • 应制定应急预案,并配备急救设备。

7.3 高温安全

  • 高温区域应设置醒目警示标识。
  • 测试后应等待温控平台冷却至安全温度再操作。
  • 接触高温部件时应使用专用工具,避免直接接触。

八、与相关标准的关系

这项标准并不是孤立存在的,它与国标、行业标准以及 JEDEC 指南共同构成了 SiC 功率器件测试的技术体系。

8.1 引用标准体系

  • GB 4793.5-2008:探头组件安全要求。
  • GB/T 15289-2013:数字存储示波器通用规范。
  • T/CASAS 002-2021:宽禁带半导体术语。
  • T/CASAS 006-2020:SiC MOSFET 通用技术规范。
  • JEP 190-2022:SiC 功率器件 dv/dt 鲁棒性评估指南。

8.2 与国际标准的对比

  • IEC 目前尚无专门针对 SiC MOSFET 开关动态测试的独立标准。
  • 本标准在参考 IEC 方法基础上,提高了测试仪器带宽要求。
  • 标准明确了高速开关测试方法,并增加温控测试要求。
  • 相较 JEDEC 文件,进一步细化了测试电路设计、计量方法与安全要求。

标准协调性

本标准与国内外相关标准在术语定义、测试原理和计量方法方面保持协调统一,降低了企业导入和实施门槛,也为后续与国际标准体系衔接打下基础。

九、对行业的意义

标准的价值不仅体现在实验室测试环节,也体现在产业标准化、测试结果互认以及国产化进程推动上。

9.1 推动产业标准化

  • 统一 SiC MOSFET 开关动态测试技术方法。
  • 规范从测试条件设置到结果处理的完整流程。
  • 为器件设计和优化提供统一技术基准。

9.2 提升测试结果可比性

  • 明确测试条件和计量方法,使结果可追溯。
  • 不同厂商、不同实验室结果可以相互比对。
  • 提升测试结果公信力,为用户提供可靠技术依据。

9.3 助力国产化进程

  • 为国产测试装备研发提供技术依据。
  • 有助于国产 SiC 器件性能评估和质量控制。
  • 推动专业测试人才培养与产业能力建设。

十、结语

T/CASAS 033-2024 的发布实施,标志着我国 SiC MOSFET 开关动态测试技术迈入标准化新阶段。标准填补了行业空白,建立了科学、统一、可操作的测试方法体系,为第三代半导体产业高质量发展提供了有力支撑。随着 SiC 技术持续进步和应用领域不断拓展,测试技术也将随之演进,行业各方可在实施与反馈中持续完善标准内容,推动我国第三代半导体产业进一步走向国际前沿。

附录:标准测试记录表格式

以下内容整理自原文附录,适合作为测试实施、留档和报告输出时的参考记录模板。

A.1 测试基本信息

项目 内容
测试日期YYYY-MM-DD
测试人员
测试地点
环境温度
相对湿度%
大气压力kPa

A.2 被测器件信息

项目 内容
器件型号
制造商
额定电压V
额定电流A
封装形式
生产批号

A.3 测试条件

项目 数值 单位
母线电压 VdcV
负载电流 ILA
结温 Tj
负载电感 LμH
开通驱动电阻 RonΩ
关断驱动电阻 RoffΩ
开通电压 VCCV
关断电压 VEEV

A.4 开通过程测试结果

参数 符号 数值 单位
开通延迟时间td(on)ns
上升时间trns
开通损耗EonμJ
开通电压变化率dv/dt(on)V/ns
开通电流变化率di/dt(on)A/μs

A.5 关断过程测试结果

参数 符号 数值 单位
关断延迟时间td(off)ns
下降时间tfns
关断损耗EoffμJ
关断电压变化率dv/dt(off)V/ns
关断电流变化率di/dt(off)A/μs

A.6 反向恢复测试结果

参数 符号 数值 单位
反向恢复损耗ErrμJ
反向恢复时间trrns
反向恢复峰值电流IrrA

A.7 备注与签字

记录测试过程中的特殊情况、波形截图、异常现象等。

项目 内容
备注
测试人员__________ 日期:__________
审核人员__________ 日期:__________

参考文献

  1. T/CASAS 033-2024 碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管(SiC MOSFET)功率器件开关动态测试方法
  2. T/CASAS 002-2021 宽禁带半导体术语
  3. T/CASAS 006-2020 SiC MOSFET通用技术规范
  4. JEP 190-2022 Guideline for Evaluating the dv/dt Robustness of SiC Power Devices
  5. GB 4793.5-2008 测量、控制和实验室用电气设备的安全要求 第5部分:探头组件的安全要求
  6. GB/T 15289-2013 数字存储示波器通用规范

寻找更多销售、技术和解决方案的信息?

联系我们
联系电话: 020-2204 2442
邮箱:Sales@greentest.com.cn
微信客服二维码