VDMOS雪崩耐量参数测试技术研究*

乔文霞 黄 伟

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430205）

1 引言

采用DMOS工艺的VMOS最初称为VDMOS（Vertical Double-diffused MOSFET，垂直沟道，双扩散MOSFET），这是直到目前仍然是绝对主流的功率MOSFET品种。近几年使用的VDMOS型号越来越多，特别是在重大军工项目中都有广泛的应用，全面客观地测试其性能特性变得尤为迫切。但国内由于测试设备的限制，目前关于VDMOS动态参数测试领域仍旧处于起步阶段。

2 VDMOS雪崩耐量参数测试

2.1 VDMOS特殊参数

一款VDMOS器件其动态参数则是衡量该器件工作在高频或开关状态下的重要指标，是器件研发阶段和使用阶段重点关注的特殊参数。

由于VDMOS结构特性，大电流工作特性导致寄生电容、寄生电阻、体二极管等对器件性能的影响尤为突出。雪崩耐量则是反映器件在感性负载特性下的耐受能量冲击特性；结电容反映了器件在工作状态的充放电过程和特性；开关时间反映器件的高频工作特性，对器件的开关功耗和频率特性有直接关系；反向恢复时间是贮存在器件内的大量少子在被抽取过程，发射结内建电势降低的过程，这些参数优劣对器件的性能有着至关重要的影响。

本文重点分享了在VDMOS雪崩耐量测试过程中的技术难点和解决思路。表1是某VDMOS器件动态参数表。

表1 某VDMOS动态参数表

2.2 雪崩耐量的测试

在待测VDMOS器件的漏极和电源的正极之间加特定值的电感，当VDMOS导通时电感充电，当VDMOS关断时电感放电。因为每一个VDMOS器件都有一个额定的反向最大电压，超过这个额定的最大反向电压时，器件会发热甚至损毁。雪崩耐量的测试是指感性负载在发生断路时引起的高压将器件击穿之后，存储在电感中的能量流经器件时，器件所能承受的最大能量。

2.2.1 测试原理分析

依美军标MIL-STD－750E方法3470之标准其雪崩能量测试电路如图1。

图1 美军标MIL-STD-750E方法3470雪崩能量测试电路

其相应波形如下：

现在根据测试电路（图1）和波形响应（图2）计算单脉冲雪崩能量EAS。

图2 雪崩测试波形

为t的线性函数：

发生雪崩时：

将带入：

Ia为雪崩电流。在测试过程中，选取一定的电感值，然后将电流增大，也就是功率MOS管导通的时间增加，然后关断，直到功率MOSFET损坏，对应的最大电流值就是最大的雪崩电流。

BVDSS为雪崩击穿电压。

下面根据器件的详细规范来分析计算单脉冲雪崩能量EAS这一参数。通过下面公式计算得出器件最大雪崩能量。

2.2.2 测试难点分析及解决思路

根据式（1）可以看出，当BVDSS＞VDD时，EAS＞0；当BVDSS＜VDD时，EAS＜0，该器件就会雪崩击穿。从波形中可以看出VDD电压始终参与能量的释放，那么就会带来以下的问题。

1）如果VDD一直加在能量释放环路中，器件如果短路坏掉，环路中的电流就会无限变大。即便在电路中加入过流保护，也存在有烧毁设备的隐患。

2）当VDD参与能量的释放的话，一旦VDD发生变化，器件受到的能量就会随着VDD的电压变化而变化。

3）根据式（1）可看出，当施加的VDD值趋近于或大于BVDSS值时，定会发生雪崩击穿，把器件打坏。

为了解决以上问题，经过分析，在栅驱动电压断开的同时，通过加入一个高速开关将VDD断开。这样既可以保证VDD不参与能量的释放，也可以将VDD电压设任意值，并且可以设很高，即使VDD的设定高于BVDSS也不会把器件打坏，这样可充入电感的能量可以很大。

同时，假如一个器件其BVDSS=30V，ID=100A，如果使用VDD只能小于BVDSS的电路来测试的话不可能测试出来，因为小于30V的VDD电压不可能提供这么大的能量，但如果在测试回路中加入高速开关就能很好解决这些问题。

高速开关的选择：如何选择合适的高速开关既能有效的切换VDD又不对测试结果带来影响？

方案1：电磁继电器，电磁继电器常用于电子线路中负载切换，器件也容易获得，但是电磁继电器开关速度毫秒级，VDMOS器件的开关速度在微妙级以上，另外电磁继电器长时间在大电流下工作触点容易起弧，性能会下降。所以此方案不合适。

方案2：固态继电器，固态继电器电流范围大，开关速度比较快，开关速度在微妙级甚至纳秒级，长时间工作不存在触点起弧的机理，所以此方案可选但固态继电器控制较难实现。

方案3：VDMOS器件，电流能力强，开关速度较快，便于控制，可以与被测器件实现同步栅脉冲控制，有成熟的测试线路可借鉴，实施难度小。

方案实施：高速开关选定后对测试线路进行了改造，在雪崩耐量的测试回路中增加VDMOS器件作为高速开关［3］。增加高频开关的线路图见图3。

图3 雪崩耐量测试线路图

结论验证：方案实施后选某型号VDMOS器件验证方案的有效性和对测试结果的影响。验证前后相同器件测试波形图见图4和图5。

未加高速开关前的电流测试波形见图4。

图4 未加高速开关示波器捕获的雪崩耐量波形

回路中增加了高速开关的测试波形见图5。

图5 增加高速开关示波器捕获的雪崩耐量波形

从测试波形可以看出，改造前后对能量测试波形几乎没有影响，后续通过10多个批次器件的测试统计，未出现过以前的烧毁器件和雪崩击穿器件的现象发生。

同时通过改造解决了低压大电流器件测试时无法提供规定的测试能量问题，改造不但排除了雪崩耐量测试中潜在隐患同时又扩展了设备的测试能力，很好地解决了低压大电流器件的雪崩耐量测试问题。

3 结语

随着微电子技术的发展，功率半导体技术也得到了长足发展，特别是以栅控功率器件与智能功率集成电路为代表的现代功率半导体技术得到了迅速发展，进而极大地推动了电子技术的进步。但同时，对于此类器件的动态参数的测试研究没有足够的文献参考，本文旨在通过在对VDMOS动态参数雪崩耐量的测试方案的研究，为设计和使用提供可借鉴的测试方法。以及对将来测试仪器的国产化提供理论而系统的数据支撑。