一种功率器件动态阈值电压Vth测量系统

一种功率器件动态阈值电压vth测量系统
技术领域
1.本发明涉及功率器件测量技术领域，具体涉及一种功率器件动态阈值电压vth测量系统。


背景技术：

2.针对现有的技术，目前市面上测量功率器件阈值电压vth值只能得到静态的固定值，而它不能有效的反应出功率器件开关时阈值电压vth值的实时变化，更不能体现出功率器件阈值电压vth值的偏移情况。
3.因此，亟需一种可以测量出功率器件动态阈值电压vth值，以及能有效的反应出功率器件在开关时阈值电压vth的实时变化情况的方案。


技术实现要素：

4.本发明提供一种功率器件动态阈值电压vth测量系统，以解决现有技术中存在的上述问题。
5.本发明提供一种功率器件动态阈值电压vth测量系统，包括：
6.高压源、电流源、施压时间控制单元、被测试器件、阈值电压开关单元；电流源为被测试器件提供恒流电源，高压源为被测试器件提供高压直流电，阈值电压开关单元控制被测试器件导通，当被测试器件导通时，被测试器件的栅极电压为阈值电压vth；施压时间控制单元通过控制施压时间确定不同施压时间条件或不同频率条件下阈值电压vth的变化。
7.优选的，所述阈值电压开关单元包括：场效应管q2、二极管d1、二极管d2和第一pwm信号源；所述场效应管q1的源极和漏极之间连接二极管；
8.所述电流源的输出端经由二极管d1连接被测试器件的漏极，所述电流源的输出端经由二极管d2分别连接被测试器件的栅极以及场效应管q2的漏极，所述场效应管q2的栅极接入第一pwm信号源；所述第一pwm信号源为场效应管q2提供pwm信号。
9.优选的，所述施压时间控制单元包括：场效应管q1和第二pwm信号源；
10.场效应管q1的栅极连接第二pwm信号源，所述第二pwm信号源为场效应管q1提供pwm信号；所述第二pwm信号源和第一pwm信号源同步输入pwm信号；
11.场效应管q1的源极连接所述被测试器件的漏极；所述场效应管q1的漏极连接高压源的正极；所述被测试器件的源极连接所述高压元的负极；
12.所述场效应管q1的源极和漏极之间连接二极管。
13.优选的，当电流源开启向被测试器件提供恒流电源时，场效应管q1和场效应管q2处于关闭状态，电流源通过二极管d2给被测试器件的栅极充电，当在栅极累计的电压达到阈值vth时，被测试器件导通；电流源通过二极管d1和被测试器件回到接地端，形成回路，被测试器件的栅极电压不再增加，测量出被测试器件的栅极电压为被测试器件的阈值电压vth。
14.优选的，高压源施加所需电压，通过第一pwm信号源和第二pwm信号源分别向场效
应管q1和场效应管q2输入同步pwm信号；被测试器件的栅极电压降低，被测试器件关闭；停止电压源的施压，施压时长等于pwm信号正占空比时间，pwm信号关闭后，测量被测试器件的栅极电压的变化情况，确定在不同施压时间条件或不同频率条件下栅极的阈值电压vth的变化情况。
15.优选的，所述在不同施压时间条件或不同频率条件下栅极的阈值电压vth的变化情况，包括：
16.在高压源施加所需电压之前，栅极的阈值电压vth保持为第一恒定值，在高压源施加所需电压之后以及施压过程中，栅极的阈值电压vth保持为第二恒定值，所述第二恒定值低于所述第一恒定值；
17.在高压源施压过程结束后，即pwm信号关闭的瞬间，栅极的阈值电压vth处于最大值，通过实时检测栅极的阈值电压vth的值确定vth测量阶段阈值电压vth由最大值逐渐降低至第一恒定值的变化情况。
18.优选的，通过调整高压源施压时间，测量出阈值电压vth由最大值降低为第一恒定值所需时间以及变化曲线。
19.优选的，所述电流源采用可调恒流电源为被测试功率器件的栅极进行充电；
20.高压源包括：高压直流输入接口、电解电容以及并联的五个电容，通过点解电容以及并联的电容滤波得到稳定的直流电压。
21.优选的，所述施压时间控制单元采用pwm_inmh1为信号输入，采用第一隔离驱动芯片u1进行隔离驱动，通过隔离驱动芯片u1控制被测器件漏级与源级的施压时间。
22.优选的，所述阈值电压开关单元采用pwm_inm1作为信号输入，采用第二隔离驱动芯片隔离驱动被测试器件在不同频率下的工作；在被测试器件的栅极与源极之间设置电压测量设备，以及在被测试器件的漏极与源极之间设置电压测试设备，将栅源之间以及漏源之间作为被测试器件的阈值电压vth的检测点。
23.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
24.本发明提供一种功率器件动态阈值电压vth测量系统，包括：高压源、电流源、施压时间控制单元、被测试器件、阈值电压开关单元；电流源为被测试器件提供恒流电源，高压源为被测试器件提供高压直流电，阈值电压开关单元控制被测试器件导通，当被测试器件导通时，被测试器件的栅极电压为阈值电压vth；施压时间控制单元通过控制施压时间确定不同施压时间条件或不同频率条件下阈值电压vth的变化。
25.本方案能测量出功率器件动态阈值电压vth值，因此能有效的反应出功率器件在开关时阈值电压vth的实时变化情况。具体的，可以变换不同条件去测量功率器件阈值电压vth值的变化情况；可以观察功率器件在不同电压vds及不同施压时间下vth值的变化情况；可以观察功率器件在不同频率下工作时，其阈值电压vth值的变化情况。
26.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
27.下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
28.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
29.图1为本发明实施例中一种功率器件动态阈值电压vth测量系统的系统电路示意图；
30.图2为本发明实施例中功率器件动态阈值电压vth测量系统的电路框架图；
31.图3为本发明实施例中动态阈值电压vth单次脉冲测试时序图；
32.图4为本发明实施例中电流源的电路图；
33.图5为本发明实施例中施压时间控制单元的电路图；
34.图6为本发明实施例中高压源的电路图；
35.图7为本发明实施例中阈值电压开关单元和被测试器件的电路图。
具体实施方式
36.以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
37.本发明实施例提供了一种功率器件动态阈值电压vth测量系统，请参照图1-图7所示，该测量系统包括：
38.高压源、电流源、施压时间控制单元、被测试器件、阈值电压开关单元；电流源为被测试器件提供恒流电源，高压源为被测试器件提供高压直流电，阈值电压开关单元控制被测试器件导通，当被测试器件导通时，被测试器件的栅极电压为阈值电压vth；施压时间控制单元通过控制施压时间确定不同施压时间条件或不同频率条件下阈值电压vth的变化。
39.上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是高压源、电流源、施压时间控制单元、被测试器件、阈值电压开关单元；电流源为被测试器件提供恒流电源，高压源为被测试器件提供高压直流电，阈值电压开关单元控制被测试器件导通，当被测试器件导通时，被测试器件的栅极电压为阈值电压vth；施压时间控制单元通过控制施压时间确定不同施压时间条件或不同频率条件下阈值电压vth的变化。
40.具体的，请参照图2-图7所示，
41.图1中，模块1是电流源，模块2是施压时间控制单元，模块3是高压源，模块4是被测试器件，模块5是阈值电压开关单元；
42.模块1是电流源，它为模块4被测试器件的阈值电压提供恒流电源；模块2是控制被测试器件漏级d和源级s的施压时间；模块3是提供高压直流电(vbus代表干路上的电压)；模块4是被测试器件dut；模块5是控制被测器件阈值电压开关。
43.在待测试状态时，模块1输出恒流源，由模块2中的场效应管q1及模块5中的场效应管q2关闭，电流源通过二极管d2给模块4(被测试器件dut)的栅极g充电，当它达到阈值vth电压时，模块4导通。模块1恒流源输出通过d1和被测试器件dut回路到gnd，被测试器件栅极g电压不再增加，此时测量出被测器件栅极g电压就是阈值电压；
44.当模块3(vbus)施加测试所需要电压，由模块2中的场效应管q1及模块5中的场效应管q2同步输入pwm信号。被测试器件栅极g电压被拉低，被测器件随即关闭。pwm信号正占空比时间为被测试器件漏源电压(vds_dut)的施压时长，pwm信号关闭后观察器件dut阈值
电压vth的变换情况。
45.另外，需要说明的是，本实施例提供一种构建被测试器件的比导通电阻与耐压之间的关系，根据阈值电压vth的变换规律与比导通电阻的变化规律可以构建耐压模型，基于耐压模型确定所有被测试器件的阈值电压与比导通电阻的关系。
46.具体的，采用下述公式确定被测试器件的比导通电阻的最小值：
[0047][0048]
其中，r
on
表示比导通电阻，v
ds
表示阈值电压，w表示p-n结的厚度，b表示p-n结的宽度，q表示单位电荷量，n表示p-n结的掺杂浓度，εs表示硅的介电系数，表示漏极耗尽区宽度的三次方，表示源极耗尽区宽度的三次方，μn表示电子迁移率。
[0049]
因此，基于比导通电阻的最小值与阈值电压的关系，进一步确定施压电压的范围和施压时间的调整。
[0050]
模块1如图4所示：
[0051]
它采用专用可调恒流电源u5为被测功率器件的栅极g进行充电。
[0052]
模块2如图5所示：
[0053]
pwm_inmh1为信号输入，用u1进行隔离驱动，一方面可以减少信号的干扰，另外还可以控制被测器件漏级d与源级s的施压时间。
[0054]
模块3如图6所示：
[0055]
cn1为高压直流输入接口，它通过ec1(电解电容)，c3，c4，c5，c6，c7滤波得到稳定的直流电压。
[0056]
模块4和模块5如图7所示：
[0057]
pwm_inm1为信号输入，采用u2隔离驱动m1。dut为被测功率器件，vgs_dut为被测功率器件dut阈值电压vth的检测点。
[0058]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案阈值电压开关单元控制被测试器件导通，当被测试器件导通时，被测试器件的栅极电压为阈值电压vth；施压时间控制单元通过控制施压时间确定不同施压时间条件或不同频率条件下阈值电压vth的变化。本方案能测量出功率器件动态阈值电压vth值，因此能有效的反应出功率器件在开关时阈值电压vth的实时变化情况。具体的，可以变换不同条件去测量功率器件阈值电压vth值的变化情况；可以观察功率器件在不同电压vds及不同施压时间下vth值的变化情况；可以观察功率器件在不同频率下工作时，其阈值电压vth值的变化情况。
[0059]
综上，本技术的方案设计电路简单、易实现，它可实时测试功率器件在不同频率下工作时，其阈值电压vth值的动态变化情况；另外，还可以实时测试功率器件漏级d与源级s在不同电压下工作时，其阈值电压vth值的动态变化情况。
[0060]
在另一实施例中，所述阈值电压开关单元包括：场效应管q2、二极管d1、二极管d2和第一pwm信号源；所述场效应管q1的源极和漏极之间连接二极管；
[0061]
所述电流源的输出端经由二极管d1连接被测试器件的漏极，所述电流源的输出端经由二极管d2分别连接被测试器件的栅极以及场效应管q2的漏极，所述场效应管q2的栅极
接入第一pwm信号源；所述第一pwm信号源为场效应管q2提供pwm信号。
[0062]
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述阈值电压开关单元包括：场效应管q2、二极管d1、二极管d2和第一pwm信号源；所述场效应管q1的源极和漏极之间连接二极管；
[0063]
所述电流源的输出端经由二极管d1连接被测试器件的漏极，所述电流源的输出端经由二极管d2分别连接被测试器件的栅极以及场效应管q2的漏极，所述场效应管q2的栅极接入第一pwm信号源；所述第一pwm信号源为场效应管q2提供pwm信号。
[0064]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述阈值电压开关单元包括：场效应管q2、二极管d1、二极管d2和第一pwm信号源；所述场效应管q1的源极和漏极之间连接二极管；
[0065]
所述电流源的输出端经由二极管d1连接被测试器件的漏极，所述电流源的输出端经由二极管d2分别连接被测试器件的栅极以及场效应管q2的漏极，所述场效应管q2的栅极接入第一pwm信号源；所述第一pwm信号源为场效应管q2提供pwm信号。
[0066]
在另一实施例中，所述施压时间控制单元包括：场效应管q1和第二pwm信号源；
[0067]
场效应管q1的栅极连接第二pwm信号源，所述第二pwm信号源为场效应管q1提供pwm信号；所述第二pwm信号源和第一pwm信号源同步输入pwm信号；
[0068]
场效应管q1的源极连接所述被测试器件的漏极；所述场效应管q1的漏极连接高压源的正极；所述被测试器件的源极连接所述高压元的负极；
[0069]
所述场效应管q1的源极和漏极之间连接二极管。
[0070]
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述施压时间控制单元包括：场效应管q1和第二pwm信号源；
[0071]
场效应管q1的栅极连接第二pwm信号源，所述第二pwm信号源为场效应管q1提供pwm信号；所述第二pwm信号源和第一pwm信号源同步输入pwm信号；
[0072]
场效应管q1的源极连接所述被测试器件的漏极；所述场效应管q1的漏极连接高压源的正极；所述被测试器件的源极连接所述高压元的负极；
[0073]
所述场效应管q1的源极和漏极之间连接二极管。
[0074]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述施压时间控制单元包括：场效应管q1和第二pwm信号源；
[0075]
场效应管q1的栅极连接第二pwm信号源，所述第二pwm信号源为场效应管q1提供pwm信号；所述第二pwm信号源和第一pwm信号源同步输入pwm信号；
[0076]
场效应管q1的源极连接所述被测试器件的漏极；所述场效应管q1的漏极连接高压源的正极；所述被测试器件的源极连接所述高压元的负极；
[0077]
所述场效应管q1的源极和漏极之间连接二极管。
[0078]
在另一实施例中，当电流源开启向被测试器件提供恒流电源时，场效应管q1和场效应管q2处于关闭状态，电流源通过二极管d2给被测试器件的栅极充电，当在栅极累计的电压达到阈值vth时，被测试器件导通；电流源通过二极管d1和被测试器件回到接地端，形成回路，被测试器件的栅极电压不再增加，测量出被测试器件的栅极电压为被测试器件的阈值电压vth。
[0079]
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是当电流源开启向被测试器件
提供恒流电源时，场效应管q1和场效应管q2处于关闭状态，电流源通过二极管d2给被测试器件的栅极充电，当在栅极累计的电压达到阈值vth时，被测试器件导通；电流源通过二极管d1和被测试器件回到接地端，形成回路，被测试器件的栅极电压不再增加，测量出被测试器件的栅极电压为被测试器件的阈值电压vth。
[0080]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案当电流源开启向被测试器件提供恒流电源时，场效应管q1和场效应管q2处于关闭状态，电流源通过二极管d2给被测试器件的栅极充电，当在栅极累计的电压达到阈值vth时，被测试器件导通；电流源通过二极管d1和被测试器件回到接地端，形成回路，被测试器件的栅极电压不再增加，测量出被测试器件的栅极电压为被测试器件的阈值电压vth。
[0081]
在另一实施例中，高压源施加所需电压，通过第一pwm信号源和第二pwm信号源分别向场效应管q1和场效应管q2输入同步pwm信号；被测试器件的栅极电压降低，被测试器件关闭；停止电压源的施压，施压时长等于pwm信号正占空比时间，pwm信号关闭后，测量被测试器件的栅极电压的变化情况，确定在不同施压时间条件或不同频率条件下栅极的阈值电压vth的变化情况。
[0082]
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是高压源施加所需电压，通过第一pwm信号源和第二pwm信号源分别向场效应管q1和场效应管q2输入同步pwm信号；被测试器件的栅极电压降低，被测试器件关闭；停止电压源的施压，施压时长等于pwm信号正占空比时间，pwm信号关闭后，测量被测试器件的栅极电压的变化情况，确定在不同施压时间条件或不同频率条件下栅极的阈值电压vth的变化情况。
[0083]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案高压源施加所需电压，通过第一pwm信号源和第二pwm信号源分别向场效应管q1和场效应管q2输入同步pwm信号；被测试器件的栅极电压降低，被测试器件关闭；停止电压源的施压，施压时长等于pwm信号正占空比时间，pwm信号关闭后，测量被测试器件的栅极电压的变化情况，确定在不同施压时间条件或不同频率条件下栅极的阈值电压vth的变化情况。
[0084]
在另一实施例中，如图3所示，所述在不同施压时间条件或不同频率条件下栅极的阈值电压vth的变化情况，包括：
[0085]
在高压源施加所需电压之前，栅极的阈值电压vth保持为第一恒定值，在高压源施加所需电压之后以及施压过程中，栅极的阈值电压vth保持为第二恒定值，所述第二恒定值低于所述第一恒定值；
[0086]
在高压源施压过程结束后，即pwm信号关闭的瞬间，栅极的阈值电压vth处于最大值，通过实时检测栅极的阈值电压vth的值确定vth测量阶段阈值电压vth由最大值逐渐降低至第一恒定值的变化情况。
[0087]
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述在不同施压时间条件或不同频率条件下栅极的阈值电压vth的变化情况，包括：
[0088]
在高压源施加所需电压之前，栅极的阈值电压vth保持为第一恒定值，在高压源施加所需电压之后以及施压过程中，栅极的阈值电压vth保持为第二恒定值，所述第二恒定值低于所述第一恒定值；
[0089]
在高压源施压过程结束后，即pwm信号关闭的瞬间，栅极的阈值电压vth处于最大值，通过实时检测栅极的阈值电压vth的值确定vth测量阶段阈值电压vth由最大值逐渐降
低至第一恒定值的变化情况。
[0090]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述在不同施压时间条件或不同频率条件下栅极的阈值电压vth的变化情况，包括：
[0091]
在高压源施加所需电压之前，栅极的阈值电压vth保持为第一恒定值，在高压源施加所需电压之后以及施压过程中，栅极的阈值电压vth保持为第二恒定值，所述第二恒定值低于所述第一恒定值；
[0092]
在高压源施压过程结束后，即pwm信号关闭的瞬间，栅极的阈值电压vth处于最大值，通过实时检测栅极的阈值电压vth的值确定vth测量阶段阈值电压vth由最大值逐渐降低至第一恒定值的变化情况。
[0093]
在另一实施例中，通过调整高压源施压时间，测量出阈值电压vth由最大值降低为第一恒定值所需时间以及变化曲线。
[0094]
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是通过调整高压源施压时间，测量出阈值电压vth由最大值降低为第一恒定值所需时间以及变化曲线。
[0095]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案通过调整高压源施压时间，测量出阈值电压vth由最大值降低为第一恒定值所需时间以及变化曲线。
[0096]
在另一实施例中，所述电流源采用可调恒流电源为被测试功率器件的栅极进行充电；
[0097]
高压源包括：高压直流输入接口、电解电容以及并联的五个电容，通过点解电容以及并联的电容滤波得到稳定的直流电压。
[0098]
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述电流源采用可调恒流电源为被测试功率器件的栅极进行充电；
[0099]
高压源包括：高压直流输入接口、电解电容以及并联的五个电容，通过点解电容以及并联的电容滤波得到稳定的直流电压。
[0100]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述电流源采用可调恒流电源为被测试功率器件的栅极进行充电；
[0101]
高压源包括：高压直流输入接口、电解电容以及并联的五个电容，通过点解电容以及并联的电容滤波得到稳定的直流电压。
[0102]
在另一实施例中，所述施压时间控制单元采用pwm_inmh1为信号输入，采用第一隔离驱动芯片u1进行隔离驱动，通过隔离驱动芯片u1控制被测器件漏级与源级的施压时间。
[0103]
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述施压时间控制单元采用pwm_inmh1为信号输入，采用第一隔离驱动芯片u1进行隔离驱动，通过隔离驱动芯片u1控制被测器件漏级与源级的施压时间。
[0104]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述施压时间控制单元采用pwm_inmh1为信号输入，采用第一隔离驱动芯片u1进行隔离驱动，通过隔离驱动芯片u1控制被测器件漏级与源级的施压时间。
[0105]
在另一实施例中，所述阈值电压开关单元采用pwm_inm1作为信号输入，采用第二隔离驱动芯片隔离驱动被测试器件在不同频率下的工作；在被测试器件的栅极与源极之间设置电压测量设备，以及在被测试器件的漏极与源极之间设置电压测试设备，将栅源之间以及漏源之间作为被测试器件的阈值电压vth的检测点。
[0106]
上述技术方案的工作原理为：本实施例采用的方案是所述阈值电压开关单元采用pwm_inm1作为信号输入，采用第二隔离驱动芯片隔离驱动被测试器件在不同频率下的工作；在被测试器件的栅极与源极之间设置电压测量设备，以及在被测试器件的漏极与源极之间设置电压测试设备，将栅源之间以及漏源之间作为被测试器件的阈值电压vth的检测点。
[0107]
上述技术方案的有益效果为：采用本实施例提供的方案所述阈值电压开关单元采用pwm_inm1作为信号输入，采用第二隔离驱动芯片隔离驱动被测试器件在不同频率下的工作；在被测试器件的栅极与源极之间设置电压测量设备，以及在被测试器件的漏极与源极之间设置电压测试设备，将栅源之间以及漏源之间作为被测试器件的阈值电压vth的检测点。
[0108]
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。