IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管是电力控制和电力转换的核心器件，是由BJT-Bipolar Junction Transistor（双极型晶体管）和MOS-Metal Oxide Semiconductor（绝缘栅型场效应管）组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，具有高输入阻抗，低导通压降，高速开关特性和低导通状态损耗等特点，非常适合高电压和高电流的光伏逆变器、储能装置和新能源汽车等电力电子应用。
图1 各类功率器件的应用范围
IGBT属于什么器件?
在新能源汽车中，最有提升空间的当属电机驱动部分，而电机驱动部分最核心的元件IGBT。从成本来说，IGBT占整车成本的7-10%，是除电池之外成本第二高的元件，并且决定了整车的能源效率。为了获得更高的耐压，更大的电流和高可靠性，通常会将多个IGBT器件级联成模块来使用，价格也更加昂贵。
对于IGBT的下一代SiC（碳化硅）宽禁带功率器件来说，具有高转换效率，高工作频率，高使用环境温度。但是目前限制SiC应用主要是两方面，一是价格，其价格是传统Si型IGBT的7倍；其次是电磁干扰； SiC的开关频率远高于传统Si型IGBT，电路回路寄生参数已经大到无法忽略，需要额外注意EMI问题。例外SiC的产能也非常有限，国外也是刚开始大规模进行6英寸SiC晶圆的投产，未来的主要应用还是IGBT功率器件。
IGCT与IGBT有什么区别
- IGCT属于电流型器件，IGBT属于电压场控型器件。
- IGCT是电流脉冲驱动，驱动功率比较大。IGCT是晶闸管的复合管，可直接串联，因此不必过多考虑均压措施。而IGBT在串联使用时应考虑均压措施。
- IGCT导通和关断损耗都很低，如果不计驱动功率，同电压等级的IGCT损耗要比IGBT更低。
- 相对于IGBT而言，IGCT投放市场的时间较晚，应用也没有IGBT广，技术成熟度应该不如IGBT。
IGBT功率器件主要测试参数
不管是功率器件的研发人员，还是设计中使用功率器件的电路设计人员，那么一定知道， 全面、精确地了解功率器件在各种条件下的性能表现是多么重要。功率器件将最终决定电子电路的功率损耗，因此深入了解它们的特征对于开发可靠和节能的产品非常关键。获得完整的功率器件技术参数的方法有时非常繁琐，而且使用曲线追踪仪和其他传统设备测量器件参数的过程十分耗时和冗长。
IGBT器件参数可以分为两大类，分别是静态参数和动态参数。
静态参数主要是指本身固有的，与其工作条件无关的相关参数，相关参数主要有：门极开启电压、门极击穿电压，集电极发射极间耐压、集电极发射极间漏电流，寄生电容：输入电容、转移电容、输出电容，以及以上参数的相关特性曲线的测试。
动态参数是指开关过程中的相关参数，这些参数会随着开关条件如电压，工作电流，驱动电压，驱动电阻等的改变而变化，相关参数有栅极电荷，导通延迟时间、上升时间、关断延迟时间、下降时间、开通损耗、关断损耗、反向恢复电流、反向恢复时间以及反向恢复能量等。
下表列举了IGBT功率器件典型IV，CV和Qg参数
表1 IGBT功率器件典型指标
用于电路设计的 B1506A 功率器件分析仪自动全参数测试
面对IGBT功率器件高压、高流的测试要求，Keysight可以提供B1505A和B1506A两套测试方案，可以支持晶圆和封装器件全参数测试：
- 测量所有IV参数(Ron、BV、泄漏、Vth、Vsat等)；
- 测量高电压3kV偏置下的输入、 输出和反向转移电容
- 支持自动CV测试
- 测量栅极电荷(Qg)
- 电流崩塌测试（针对GaN器件，独家）
- 高低温测试功能（-50°C至+250°C）
其中用于电路设计的 B1506A 功率器件分析仪有着宽泛的电流和电压工作范围(1500A，3kV)，易于使用并且支持全自动测试，可以完成IGBT功率器件IV，CV和Qg全参数测试，最终输出产品Datasheet报告。
1 静态参数IV参数和CV参数测试
通常需要切换测试仪表和器件连接方式来完成在进行功率器件IV和CV整体参数测试，尤其在进行CV特性参数测试。IGBT功率器件需要在很高的直流偏置下测量其关断状态下的特性，其中在进行输入电容Cige，同时需要给集电极加直流偏置，同时对集电极和发射极之间进行交流短路。如果是常开型的功率器件，需要在Gate上加负电压关断器件，测试系统会更加复杂。
而B1506A中测试夹具集成了switch，AC Blocking和DC Blocking，从而可以实现IV和CV全参数的全自动化测试。只需要设置好测试条件，将器件放置在测试夹具中，就可以完成IV和CV自动测试。
图2 静态参数IV和CV参数测试连接框图
2 栅极电荷Qg测试
栅极电荷是启动功率器件所需的电荷总量，表现为由三个不同斜率线段构成的连续曲线。
以MOSFET功率器件为例：
Qg曲线的第一个线段显示 Vgs升高，其中器件断开，Ciss_off由 Ig充电: 表达式为 Vgs = (1/Ciss_off)*Qg。Cgs通常远大于 Crss，因此近似表达式为 Vgs = (1/Cgs)*Qg。该阶段的栅极电荷称为 Qgs。Vgs高于阈值电压 (Vth)时，漏极 (或集电极)电流开始流动。该阶段Vgs持续升高，直到漏极电流达到Id-Vgs特征的额定电流。
第二个水平线段中，器件从接通转换为完全启动状态，所有Ig电流进入Crss，因此Vgs不变。这一段该阶段的电荷称为 Qgd，决于Crss断开状态和接通状态的漏极(或集电极)电压，Qgd值影响器件的开关性能。
最后阶段，器件完全启动，Ciss_on恢复充电。Vgs表示为Vgs = (1/Ciss_on)*Qg。
图3 栅极电荷Qg曲线
Keysight分别测量强电流/低电压和高电压/弱电流的 Qg，然后合并测量结果，提取从高电压关断状态到强电流导通状态的总体 Qg 曲线实际值。
图4 栅极电荷Qg测试原理图
图5 栅极电荷Qg测试结果
3 高低温测试功能
功率器件广泛应用于众多产品中，包括重型设备、高铁和汽车等。显然，所有这些产品都必须具有极高的可靠性，并且能够在恶劣的环境条件下正常使用。其高低温工作性能尤为重要，因为设备必须保证能够在低温(汽车“冷”启动) 和高温 (器件处于热辐射设备附近) 下正常使用。
B1506A能够应对所有这些功率器件温度测试挑战，能够在 -50 °C至220 °C温度范围内自动精确地表征器件。B1506A与inTest THERMOSTREAM® (高低温冲击试验箱) 结合使用，可在 -50 °C 至 +220°C 的温度范围内快速执行自动化器件表征；例外一种是使用inTest加热板可置于B1506A测试夹具中,支持自动温度表征(室温至+250°C)。
图6 高低温实验
IGBT功率器件实测和总结
IGBT功率器件实测步骤
使用B1506A的Datasheet测试功能对某IGBT功率器件进行实测，整个测试过程使用非常简单，在极短的时间内完成IV，CV和Qg参数测试。
具体测试步骤如下：
1 选择IGBT测试模板，按照测试要求设置测试条件；
2 设置测试曲线的显示范围；
3 选择需要测试的参数；
4 点击执行测试。
图7 实际测试设置
测试完成后，可以生成Datasheet测试报告如下所示，包括IV参数（击穿电压，漏电，开启特性），CV参数（Rg，输入，输出和反向传输电容）和栅极电荷Qg。
图8 IGBT功率器件实测结果
IGBT功率器件测试总结
- 完成功率半导体器件的完整参数测试，包括IV，CV和Qg，支持在高低温条件下进行参数测试；
- 测试全自动化，B1506A将所有的接线切换通过开关矩阵实现，实现了测量的自动化，既能保证测试精度和重复性，同时极大的提升了测量速度；
- 可以建立Datasheet Characterization测试模板，测试结果可以输出测试数据、Datasheet报告和数据汇总等。
来源：是德科技
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