IWATSU-CS3000/5000 系列半导体分析仪 栅极电荷(Qg)测试指南

引言

作为电子测试工程师，精准测量功率器件的栅极电荷(Qg)对优化开关电源设计和可靠性评估至关重要。本文将系统介绍如何使用CS半导体参数分析仪的测试方案完成这一关键测试。

正文

栅极电荷（Qg）是功率MOSFET和IGBT等开关器件的关键参数，它描述了器件打开或关断栅极所需的电荷量，单位是库仑(C)。这一参数直接影响开关损耗和开关速度，进而影响整个系统的效率与可靠性。

（Qg测试原理图）

（开关过程中Vg的波形）

对测试工程师而言，准确测量Qg有助于验证器件性能、进行可靠性评估，以及为驱动电路设计提供关键数据。

1.栅极电荷的概念与重要性

栅极电荷Qg主要包括以下几个部分：

Qgs（栅源电荷）：使栅源电压达到平台区域所需的电荷。

Qgd（栅漏电荷，也称米勒电荷）：完成器件开关状态转换所需的电荷，对应米勒平台区域。

Qg（总栅极电荷）：从原点至栅源电压达到指定最大值（如10V）所需的总电荷量。

Qg参数对功率器件的开关性能影响显著。总栅极电荷值较大时，导通MOSFET所需的电容充电时间变长，从而导致开关损耗增加。较小的Qg值意味着更低的开关损耗和更快的开关速度，有助于提高系统效率。

2.测试原理与标准

JEDEC JESD24-2标准中详细描述了MOSFET栅极电荷的测试方法。其核心原理是：将固定测试电流（Ig）引入栅极，同时测量栅源电压（Vgs）随时间的变化，并对漏极端子施加固定的电压偏置。

测试过程中，当电流注入栅极时，输入电容Ciss开始充电，栅极电压VGS线性上升。

Vgs增加直至达到阈值电压，漏极电流（Id）开始流动，但此时漏源电压VDS仍然保持不变。

当VGS继续上升，到达米勒平台电压VGS(pl)，此时Cgd被充电，此时漏极电流达到最大值，漏源电压开始下降，从开始到VGS达到VGS(pl)此阶段的斜率我们命名为S1。

米勒平台结束后，漏极电流仍然保持最大值，但漏源电压继续下降，Vgs再次上升直至达到指定的最大栅极电压，最后稳定在VDS=ID(max)×RDS(on)，此阶段斜率我们命名为S2。根据JESD24-2标准，用坡度计算Qgs 和 Qgd 。

（JEDEC Qg计算公式）

3.CS测试解决方案

岩通计测IWATSU提供了多种用于功率器件特性分析的测试仪器，其中CS3000系列和CS5000系列功率器件分析仪均可进行传统硅基器件的栅极电荷测试，通过算法拟合提取Qg曲线。

栅极电荷 (Qg) 的测试通常需要能够提供从高电压到高电流输出的无缝切换的激励源，同时仪器必须具有高精度电流和电压测量功能，以确保结果准确。对于标准的功率器件静态参数测试仪来说，高电压和大电流输出通常由独立的功率模块提供。高压模块通常用于击穿参数测试（例如，BVdss），不需要大电流输出。大电流模块用于测试输出特性和传输特性，不需要高电压输出。 这种配置使得单个源表模块很难满足Qg 测试中漏极和源极之间从高电压到高电流快速切换的要求。 CS功率器件分析仪可以利用高压和大电流模块进行单独测试，满足了这一要求。 然后，通过数据拟合在一起，生成高压和大电流条件下综合的 Qg 结果。

具体拟合过程如上图所示

CS 5000系列功率器件分析仪具有测试高压（最高5kV）和大电流（最高1500A脉冲）的能力，能够对5kV和1500A以内的高功率器件进行表征。它综合了VGS-VDS、VDS-ID（输出曲线）、VGS-ID（转移曲线）、VTH（阈值电压）、Vbr（击穿电压）、栅电荷Qg参数等测试功能。

搭配PHS功率半导体高温测试系统支持更广泛的温度测试范围（室温至175°C）。其软件EC200X内置一键式Datasheet规格书生成功能，可直接生成与功率器件规格书完全相同的PDF格式测试报告，极大提高了测试效率。

4.测试步骤与流程

使用CS进行Qg测试通常包括以下步骤：

打开CS仪器：打开CS的电源开关，并预热30min

连接待测器件（DUT）：将功率器件的栅极、漏极和源极分别连接到分析仪的相应端口。需要使用适当的测试夹具（原装或Vamtek）以减少寄生参数的影响。

打开软件设置测试参数：

条件设置：

栅极驱动电流（Ig）：一般在10nA-10mA之间选择，取决于被测MOSFET的Ciss大小。

漏极电压（VCC）：根据Datasheet测试条件设置，例如对于某些MOSFET，可能设置为1200V。

漏源电流目标值（IC LimitI）：根据器件规格设置。

阈值电压（VGSth）：根据器件规格设置。

Vgs限值（Vgsmax）：根据Datasheet上Qg测试条件或者图像设置。

仪器设置：

HV模式峰值电压:通常为三个档位，选择大于器件要求电压的档位

HV模式最大功率:通常为三个档位，结合峰值电压与目标电流，选择大于测试要求的档位

HC模式最大功率:选择大于器件要求的档位

执行测试：运行栅极电荷测试程序，仪器会自动施加电流并测量电压变化。

结果分析：分析生成的栅极电荷曲线，提取Qgs、Qgd和Qg等参数。

典型的Qg测试波形如下图所示（以安森美FCH104N60F测试为例）：

通过分析这些波形，可以提取关键参数：

Qgs = Ig × t1（Vgs从0V上升到米勒平台的时间）

Qgd = Ig × t2（Vgs在米勒平台持续的时间）

Qg = Ig × (t1 + t2 + t3)（Vgs从0上升到最大值的时间）

5.数据分析与解读

分析Qg测试结果时，测试工程师应关注以下几个方面：

参数值验证：将测量得到的Qg、Qgs、Qgd值与器件数据手册中的标称值进行对比，判断器件是否符合规格。

开关性能评估：Qg值的大小直接反映了器件的开关性能。通常，Qg值越小，器件的开关速度越快，开关损耗越低。

器件一致性检查：对于批量生产的器件，Qg参数的一致性非常重要。通过统计多颗器件的Qg值，可以评估生产过程的一致性和稳定性。

温度特性分析：使用CS配合PHS系统，可以测试不同温度下的Qg值，分析器件的温度特性。

CS的一个突出优点是能够自动生成专业测试报告，其格式与器件数据手册几乎相同，极大简化了文档工作。

6.测试注意事项与技巧

进行Qg测试时，测试工程师需要注意以下几点：

选择合适的栅极电流：栅极电流太小会导致测试时间过长，太大会引起测量误差。一般建议在10nA-10mA之间选择，根据器件特性调整。

减少寄生参数：测试夹具和电缆的寄生电感和寄生电容会严重影响测试结果。应尽量使用短连接线，并选择寄生参数小的专用测试夹具。

热管理：对于大功率器件，测试时可能会产生大量热量，需要采取适当的散热措施，防止器件过热影响测试结果甚至损坏器件。

理解测试条件：注意数据手册中Qg参数的测试条件（如VDS、ID值），并在相同的条件下进行测试，以保证结果的可比性。

结语

作为测试工程师，掌握功率器件栅极电荷的精确测量技术对于保证电源系统和功率电子装置的可靠性至关重要。IWATSU的功率器件分析仪（如CS3000和CS5000）提供了全面、精准且高效的测试解决方案，能够满足从研发到生产等各种应用场景的需求。

通过遵循JEDEC标准测试方法，注意测试中的关键细节，并充分利用仪器提供的高级功能，测试工程师可以全面表征功率器件的开关性能，为产品设计和质量保证提供可靠的数据支持。

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