是德科技解析如何轻松掌握功率器件Rg测试技术的技巧

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。

IGBT测试参数可以分为静态参数和动态参数

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。

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。重要的动态参数包括：栅极电阻、栅极电容、寄生电容、充电电荷、开关时间等。

下表列举了IGBT功率器件典型IV，CV, Rg参数和Qg参数

表1 IGBT功率器件典型指标

栅极电阻Rg参数

Rg (Gate Resistance)参数是指栅极电阻的缩写。栅极电阻是指在栅极电压变化时,导致栅极电流变化的电阻。

RG参数的计算方法取决于绝缘栅型场效应管MOS管的结构和工作条件。Rg参数的值受到多种因素的影响，包括器件结构、工作温度、材料特性等。在NOS 管的设计和应用中，选择适当的Rg参数可以优化器件的性能和功能。Rg参数在信号放大器、开关电路、电源管理和射频应用等领域都有着重要的应用。

栅极电阻Rg的作用

1. 绝缘栅器件(IGBT、MOSFET)的栅极-发射极(或栅极-源极)之间的电容结构是不可避免的, 栅极电路的寄生电感也是不可避免的。栅极电阻Rg的作用是消除栅极振荡。

2.传输驱动器的功率损耗、电容和电感都是无功分量。如果没有栅极电阻,大部分驱动功率将消耗在驱动器内部的输出管上,导致其温度显著升高。

3.调节功率开关器件的导通/关断速度具有低栅极电阻、快开关器件导通/断速度和低开关损耗；相反，它是缓慢的并且开关损耗是高的。然而，如果驱动速度过快，则会大大提高电压和电流变化率。这将造成较大的干扰，在严重的情况下会导致整个设备无法运行。因此，必须给予全面考虑。

栅极电阻Rg的选择

1.栅极电阻值的确定

2.栅极电阻功率的确定

设置栅极电阻的其他注意事项：

尽可能减小栅极电路的电感阻抗。

具体措施包括：

a）当驱动器靠近IGBT时，减小引线长度；
b） 扭曲驱动器的栅极-发射极引线，不要使用太厚的导线；
c） 电路板上两条驱动线之间的距离应尽可能近；
d） 栅极电阻器采用无感电阻器；
e） 如果是电感电阻器，可以使用几个并联连接来减少电感。

2. 为了获得更好的驱动效果，通常需要为IGBT的导通和截止选择不同的栅极电阻器。IGBT的导通和截止可以采用不同的驱动速度，通常需要分别选择Rgon和Rgoff（也称为Rg+和Rg-）。

栅极电阻Rg测试

Rg测试原理

Rg测试原理是指通过对电路或设备进行频率响应的测量来评估其性能和质量的一种方法。Rg测试原理基于信号的传输和响应特性，通过测量输入信号与输出信号之间的差异来判断电路或设备的性能。

在Rg测试中，通常会使用信号源产生一个特定的频率信号作为输入信号，然后将这个信号输入到被测试的电路或设备中。接下来，通过测量输出信号的幅度和相位，可以得到电路或设备在不同频率下的响应特性。根据这些响应特性，可以评估电路或设备的频率响应范围、增益、相位延迟等参数，从而判断其性能和质量。

MOSFET栅极对其栅极驱动器呈现类似于RC网络的阻抗。一般需要采用交流方式测试阻抗进而得到Rg。B1505A配置B1520A电容测试模块以及N1265A夹具，可以实现栅极电阻Rg测试功能。

B1505A 功率器件分析仪/曲线追踪仪是用于评测 pA 以下到 10 kV/1500 A 功率器件的一体化解决方案。 具有准确测量 10 µs 脉冲和 µΩ 导通电阻的能力。

一. 栅极电阻Rg测试连接示意图

二. 栅极电阻Rg测试校准

因为交流阻抗测试包含了夹具或线缆的寄生效应，需要通过针对夹具的校准，尽可能的去除夹具和线缆对于被测件真实阻抗的影响，校准可以直接通过easyexpert软件中的校准菜单（Tools>System>calibration>CMU calibration）执行相应的操作。

校准需要执行开路，短路和负载校准：

开路校准时，需要移除被测件并且保证其他连线和正常测试一致，点击测试后完成开路测试。

短路校准时，需要使用随机附带的短路件，需要注意器件的电极分布和夹具的电极分布不同，点击短路测试。

三. 通过软件配置参数测试

Rg测试可以直接使用软件提供的CV扫描，选择Cs-Rs模式进行测试

Rg测试结果参照

如何用B1505A功率器件分析仪结合N1272A测试RG，和B1506A有什么区别?

用B1505A功率器件分析仪结合N1272A测试Rg的方法以及和B1506A默认测试方法的区别。

MOSFET栅极的等效电路如下图所示，其中包括了栅极电阻Rg以及两个输入电容Cgs和Cgd。测试时，通常将Rg作为测试Cgs的等效串联电阻。

B1505A上运行的EasyEXpert软件中提供了利用N1272A直接测试Rg的测试库，通过几个简单的设置便可以轻松测试。

需要注意的是：在串联测试模型中，如果电容的电抗远大于Rg，那么Rg测试的精度会下降，所以，建议测试Rg的频率稍高一些，推荐用1MHz。

另外，B1505A的应用测试是漏极源极短路连接，而B1506A内部软件默认是漏极开路。在漏极开路配置中，存在漏极电缆电容，该杂散电容可能会影响1MHz下Rg 测量。

栅极电荷Qg测试

栅极电荷Qg测试原理

1.栅极电荷测试是通过在电路中加入测量回路来实现的。
2.测量回路通常由电容器、电阻和测量仪器组成。
3.测试过程中,电容器与场效应管的栅极相连,测量仪器则通过电阻和栅极之间的电压差来获得栅极电荷的数值。

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。

栅极电荷Qg测试结果

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。

宽禁带器件SiC,GaN凭借其耐高压、高频率、开关损坏低等优异特性，是光伏逆变器，储能系统，电动汽车等新能源行业的心脏。 也正是因为其开关频率高，电源设计工程师功率器件选型时，除了关注传统的IV曲线扫描外，CV频率特性和极电容等动态参数已经非常重要。

B1506A功率器件分析仪能够完成功率器件完整参数测试：

I-V参数测试 (Ron, BV, Leakage, Vth, Vsat)
电容和栅极电荷测试 (Ciss, Coss, Crss, Rg, Qg)
功率损耗测试
热效应测试 (-50℃ to +250℃)
高达 3kV / 1500A的测试能力