Introduction
Les MOSFET de puissance sont utilisés dans différentes applications et peuvent être utilisés comme commutation à grande vitesse. La vitesse de commutation de l’appareil est affectée par les capacités internes, qui sont généralement spécifiées dans les fiches techniques en termes de Ciss et Coss, qui sont dérivées de la capacité de grille d’entrée et de drain, Cgs et Cgd. En plus de spécifier la capacité, la charge de grille de MOSFET (Qgs et Qgd) peut également être utilisée pour évaluer les performances de commutation du MOSFET.
Une méthode de mesure de la charge de grille d’une charge de grille de MOSFET est décrite dans la norme JEDEC JESD24-2, « Méthode de test de charge de grille de MOSFET ». Dans cette méthode, un courant de grille est forcé tandis que la tension grille-source est mesurée en fonction du temps. À partir de la forme d’onde de tension de grille résultante, la charge grille-source (Qgs), la charge grille-drain (Qgd) et la charge de grille (Qg) sont dérivées.
L’analyseur de paramètres 4200A-SCS prend en charge les mesures de charge de grille de MOSFET à l’aide de deux instruments d’unité de source et de mesure (SMU) et du test de mesure de charge de grille inclus dans le système. Ce test est l’un des nombreux tests inclus dans la vaste bibliothèque de tests fournie dans la suite logicielle Clarius+ 4200A-SCS. Cette note d’application décrit comment mesurer la charge de grille du MOSFET sur la base de la méthode de test de charge de grille JEDEC à l’aide de l’analyseur de paramètres 4200A-SCS.
Vue d’ensemble de la mesure de la charge de grille de MOSFET
Dans la méthode de charge de grille, un courant d’essai fixe (Ig) est forcé dans la grille d’un MOS, d’un transistor et la tension de source de grille mesurée (Vgs) est tracée par rapport à la charge circulant dans la grille. Une polarisation de tension fixe est appliquée à la borne de drain. La figure 1 montre la tension de grille en fonction de la charge de grille de MOSFET de puissance.
La charge de grille (Q) est dérivée du courant et du temps de grille forcés (Igdt). La charge grille-source (Qgs) est la charge nécessaire, comme le montre la figure 1, pour atteindre le début de la région du plateau où la tension (Vgs) est presque constante. La tension de plateau (ou de Miller) (Vpl) est définie, selon la norme JEDEC, comme la tension grille-source lorsque dVgs/dt est au minimum. Le plateau de tension est la région où le transistor passe de l’état OFF à l’état ON. La charge de grille de MOSFET nécessaire pour effectuer cette commutation, c’est-à-dire la charge nécessaire pour commuter l’appareil du début à la fin de la région du plateau, est définie comme la charge de drain de grille (Qgd) et est connue sous le nom de charge de Miller. La charge de grille (Qg) est la charge de l’origine au point où la tension de la source de grille (Vgs) est égale à un maximum spécifié (VgsMax).
S1 est la pente du segment de droite entre l’origine et le premier point de plateau. S2 est la pente du segment de ligne à partir du dernier point de plateau jusqu’à la tension de grille maximale spécifiée (VgsMax). Les pentes sont utilisées pour calculer Qgs et Qgd, comme spécifié dans la norme JESD24-2.
La figure 2 montre les formes d’onde typiques de la grille et du drain en fonction du temps. Au fur et à mesure que le courant est forcé vers la grille, Vgs augmente jusqu’à ce qu’il atteigne la tension de seuil. À ce stade, le courant de drain (Id) commence à circuler. Lorsque Cgs est chargé à l’instant t1, Id reste constant et la tension de drain (Vd) diminue. Vgs reste constant jusqu’à ce qu’il atteigne la fin du plateau. Une fois que Cgd est chargé à l’instant t2, la tension grille-source (Vgs) recommence à augmenter jusqu’à ce qu’elle atteigne la tension de grille maximale spécifiée (VgsMax).
Utilisation du 4200A-SCS pour les mesures de charge de grille de MOSFET
Le 4200A-SCS mesure la charge de grille de MOSFET de puissance à l’aide de deux instruments SMU. La figure 3 illustre le schéma de circuit de base de l’essai de charge de grille. La borne Force HI d’un SMU (SMU1) est connectée à la borne de grille du MOSFET et force le courant de grille (Ig) et mesure la tension grille-source (Vgs) en fonction du temps. Une deuxième SMU (SMU2) applique une tension fixe (Vds) au drain à un courant conforme spécifié (Ib). Le courant de conformité maximal de la 4200-SMU est de 0,1 A ; la conformité maximale de la 4210-SMU est de 1 A.
Pendant le test de charge de grille de MOSFET, la tension de grille augmente et allume le transistor. Au cours de cette transition dans la région du plateau, le SMU de drain (SMU2) passe du mode de contrôle de tension au mode de contrôle de courant, car le courant dépasse le niveau de conformité spécifié. Le logiciel renvoie les transitoires de courant de drain et la tension de drain pendant la transition de l’état OFF à l’état ON.
La borne source du MOSFET est connectée à la borne Force LO ou GNDU du châssis 4200A-SCS.
Configuration du logiciel Clarius+ pour les mesures de charge de grille de MOSFET
Le test de charge de porte se trouve à la fois dans les bibliothèques de test et de projet, qui se trouvent dans le volet Sélectionner en recherchant l’expression « charge de porte ». Une fois que le test est trouvé dans la bibliothèque de tests, il peut être ajouté à un projet en le sélectionnant et en l’ajoutant à l’arborescence du projet. Ce test a été créé à partir du module utilisateur gate_charge de la bibliothèque utilisateur GateCharge.
Entrez les paramètres d’entrée
Avant d’exécuter le test, vous devez entrer les paramètres de test d’entrée dans le volet Configurer du logiciel Clarius (Figure 4). Les paramètres d’entrée varient en fonction de l’appareil et du modèle de SMU utilisé.
Les descriptions des paramètres d’entrée sont présentées dans le tableau 1. Tout d’abord, entrez les numéros SMU qui sont connectés à la grille (gateSMU) et au drain (drainSMU) du MOSFET. La borne source doit toujours être connectée au GNDU, ou Force LO.
L’amplitude du courant forcé à la grille par la gateSMU, est le paramètre gateCurrent (Ig). La tension de drain (Vds) est la tension de polarisation appliquée au drain et drainLimitI est le courant de conformité de la SMU de drain.
Le paramètre Coffset est utilisé pour corriger la capacité de décalage et est décrit dans les paragraphes suivants.
Tableau 1. Paramètres d’entrée pour gate_charge module utilisateur.
| Plage de valeurs | Valeurs par défaut | Description | |
| gateSMU | SMU1-SMU9 | SMU1 | Le numéro SMU connecté à la borne de portail |
| drainSMU | SMU1-SMU9 | SMU2 | Le numéro SMU connecté à la borne de vidange |
| Source | GNDU | GNDU | La borne source est toujours connectée à la borne Force LO sur GNDU |
| Vds | ±200 V | 10 V | L’amplitude de la tension de polarisation du drain SMU |
| drainLimitI | 4200-SMU : 0,1 A 4210-SMU : 1 A |
0,1 A | Conformité actuelle de la SMU de vidange |
| gateCurrent | ± 1E-5 A | 1e-7 A | L’amplitude du courant de grille de la SMU de grille |
| VgsMax | ±200 V | 10 V | Niveau de tension maximal de l’unité SMU de la grille. |
| Temps de maintien | 0 à 300 s | 60 s | Le nombre de secondes avant un délai d’expiration. |
| measDrain | 1 (oui) ou 0 (non) | 1 | Retour du courant de drain mesuré |
| Coffset | 0 ou Ceff | 0 | Exécutez le test avec le circuit ouvert, puis entrez la valeur Ceff renvoyée à la feuille |
Corriger les capacités de décalage
En fonction du câblage et des connexions du système de mesure, la capacité de décalage peut être comprise entre des picofarads simples et des centaines de gammes de picofarads. Ces capacités peuvent être corrigées en exécutant le module utilisateur gate_charge avec un circuit ouvert, en obtenant la capacité de décalage, puis en entrant la valeur de capacité de décalage dans le logiciel pour la compensation. Voici comment effectuer ces étapes :
- Mesurez la capacitance de décalage. Configurez les paramètres de test, y compris le courant de grille d’entrée, comme si l’appareil était connecté aux SMU. (Augmentez le VgsMax uniquement pour la mesure Ceff.) Avant d’exécuter le test, soulevez les sondes ou retirez l’appareil de l’appareil de test. Exécutez le test de charge de grille de MOSFET avec un circuit ouvert.
- Obtenir la capacitance de décalage. Une fois le test exécuté, la capacitance de décalage mesurée du système est calculée et apparaît dans la colonne Ceff de la feuille. Ceff est dérivé de la tension de grille maximale, du courant de grille et du temps.
Étant donné qu’un circuit ouvert est mesuré au cours de cette étape, une valeur d’état de test de -9 ou -12 peut apparaître dans la feuille après l’exécution du test. En effet, aucun appareil n’est mesuré, il n’y a donc pas de région de plateau. Cependant, la valeur Ceff est correcte et peut être saisie en tant que Coffset dans la vue Configurer. - Entrez la capacitance de décalage mesurée et exécutez. Entrez la capacitance de décalage mesurée, Ceff, pour Coffset dans la vue Configurer. Par défaut, Coffset est égal à 0 F. Une compensation sera effectuée pour la capacitance de décalage dans les lectures suivantes.
Exécuter le test
Une fois les paramètres d’entrée entrés, exécutez le test en sélectionnant Exécuter en haut de l’écran. Au fur et à mesure que le test est en cours d’exécution, la forme d’onde de la charge de grille est mise à jour en temps réel dans le graphique de la vue Analyze (Analyser) et les paramètres de sortie calculés apparaissent dans la feuille.
Afficher les paramètres de sortie
Le test terminé, plusieurs paramètres sont renvoyés à la feuille. Le tableau 2 donne une description de ces paramètres.
Tableau 2. Paramètres de sortie pour gate_charge module utilisateur
| Description | |
| gate_charge | Valeurs d’état des tests - voir le tableau 3 pour les descriptions |
| timeArray | Temps mesuré (secondes) |
| VgArray | Tension grille-source mesurée (volts) |
| VgCharge | Charge de grille de MOSFET mesurée (coulombs) |
| VdArray | Tension de drain mesurée (volts) |
| IdArray | Courant de drain mesuré (ampères) |
| Pente | Pente dynamique (dVg/dt) de la tension de grille |
| Ceff | Rapport entre la charge de grille et la tension de grille maximale |
| Vpl | Tension de plateau ou de Miller (volts) |
| T1 | Horodatage du début de la zone du plateau (secondes) |
| T2 | Horodatage de la fin de la zone du plateau (secondes) |
| Qgs | Charge de grille de MOSFET de l’origine au premier point d’inflexion, ou plateau de tension (coulombs) |
| Qgd | Charge de grille de MOSFET entre les deux points d’inflexion de la courbe de charge de grille (coulombs) |
| Qg | Charge de porte de l’origine à VgsMax (coulombs) |
Représentation graphique des résultats
La tension grille-source résultante peut être tracée en fonction de la charge de grille de MOSFET ou du courant de drain, et la tension de drain peut être tracée en fonction du temps. La figure 5 est une forme d’onde typique de tension de grille générée par le 4200A-SCS
En plus de tracer Vgs, Vds et Id peuvent également être tracés en fonction de la charge ou du temps de grille de MOSFET. La figure 6 montre le graphique de la vue Analyser du logiciel Clarius, qui montre les trois paramètres tracés en fonction de la charge de grille. Dans ce cas, la tension est affichée sur l’axe Y1 et le courant est tracé sur l’axe Y2.
Vérifier l’état du test
Chaque fois que le test est exécuté, une valeur d’état de test est renvoyée à la première colonne de la feuille, nommée « gate_charge ». Le tableau 3 répertorie les valeurs d’état de test renvoyées dans la colonne « gate_charge », ainsi que leurs descriptions et notes correspondantes.
Tableau 3. Valeurs d’état de test
| Description | Remarques | |
| 1 | Aucune erreur | Test réussi. |
| -1 | L’unité SMU de grille n’est pas présente | Spécifiez le SMU correct. |
| -2 | Le SMU de drain n’est pas présent | Spécifiez le SMU correct. |
| -3 | VgsMax > 200 V | Vérifie que la tension de grille est inférieure à 200 V. Réduire la tension de grille. |
| -4 | La limite de courant de drain dépasse 1 A (4210-SMU) Les limites de courant de drain dépassent 0,1 A (4200-SMU) |
Vérifie que le courant de drain est inférieur à 1 A (ou 0,1 A pour les SMU de puissance moyenne). Réduire la limite de courant de drain (drainLimitI). |
| -5 | Dépassement de la limite de puissance | Le courant doit être << 0.1A if V >0,1 A si V >20 V. Diminuez la limite de courant de drain (drainLimitI) ou la tension de drain (Vds). |
| -6 | Vérification d’erreur sur les conditions d’entrée. Limite le délai d’attente à 200 s. | Spécifiez le délai d’expiration (timeOut) à <200 s. |
| -7 | La durée du test dépasse le délai d’expiration spécifié (timeOut). | Augmenter le délai d’expiration. Le maximum est de 200 s. Essayez d’augmenter gateCurrent pour charger l’appareil plus rapidement. |
| -8 | Nombre d’itérations/mesures >10000. | Augmenter le courant de grille (gateCurrent). |
| -9 | Nombre d’itérations/mesures <5 | Diminuer le courant de grille (gateCurrent). Vérifiez l’appareil, testez la configuration et recherchez le SMU correct. Cette erreur peut être ignorée si elle se produit lors de la mesure d’un circuit ouvert pour la correction du décalage. La valeur Ceff est toujours valide. |
| -10 | Le nombre de points entre le point d’origine et le premier point de plateau est de <10 | Diminuer le courant de grille (gateCurrent) |
| -11 | Erreur de calcul de la pente, S1. Facteur de corrélation < 0,9. La courbe de l’origine au premier point de plateau n’est pas linéaire. | Vérifiez l’appareil et la configuration du test. |
| -12 | Erreur de calcul de la pente, S2. Facteur de corrélation <0,9. La courbe du dernier point de plateau à VgsMax n’est pas linéaire. | Vérifiez l’appareil et la configuration du test. Si VgCharge ou VdArray semblent élevés, essayez de réduire gateCurrent et répétez le test. Cette erreur peut être ignorée si elle se produit lors de la mesure d’un circuit ouvert pour la correction du décalage. La valeur Ceff est toujours valide. |
| -13 | Vds > 200 V | Diminuez la tension de drain. |
| -14 | gateCurrent > 10 µA | Diminuer le courant de grille (Ig). |
Conclusion
Les mesures de charge de grille de MOSFET sur les transistors peuvent être facilement effectuées à l’aide de l’analyseur de paramètres Keithley 4200A-SCS. À l’aide de deux instruments SMU connectés à la grille et au drain de l’appareil, le logiciel Clarius dérive facilement les formes d’onde de charge de grille.
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