パワーデバイス試験ソリューション

1 はじめに

近年、産業制御市場、電気自動車市場、再生可能エネルギー発電分野の需要が増加する中で、パワーデバイスに関連する需要も増え続けており、パワーデバイスの性能に対する要求も徐々に高まっています。パワーデバイスは半導体デバイスの重要な分野であり、主に高電圧および高電流の電力変換と制御に使用され、大きな電力に耐えることができます。

現在、パワーデバイスには主に以下の種類があります：

1. ダイオード：その一方向導通特性を利用し、回路の整流や定電圧などに使用されます。

2. トランジスタ：代表的なトランジスタには、バイポーラトランジスタ（BJT）やフィールド効果トランジスタ（FET）などがあり、広くアンプ、オーディオアンプ、電源レギュレーターなどのデバイスに使用され、パワーアンプやスイッチング回路に利用されます。

3. サイリスタ：一般的なサイリスタ（SCR）、双方向サイリスタ（TRIAC）、ゲートターンオフサイリスタ（GTO）などがあり、交流電圧調整や制御整流に使用されます。

4. MOSFET：単極性デバイスで、スイッチング速度が速く、駆動電力が低く、入力インピーダンスが高いという特徴を持ち、高周波応用に適しています。高周波スイッチング電源、DC-DCコンバータ、モーター駆動など、スイッチング速度が要求される場面でよく使用されます。

5. 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（IGBT）：MOSFETとバイポーラトランジスタ（BJT）を組み合わせたデバイスで、MOSFETの高入力インピーダンスとBJTの低導通電圧降下の利点を持ち、同時に強力な耐圧能力を備えています。高圧アプリケーションに適しており、電力電子分野で広く利用されています。

6. 新型のシリコンカーバイド（SiC）およびガリウムナイトライド（GaN）パワーデバイス：新しい広バンドギャップ半導体材料で作られたパワーデバイスで、高耐圧、低導通抵抗、高スイッチング周波数、高温耐性を特徴としており、電気自動車、充電スタンド、太陽光インバータ、産業用電源などの分野で広く使用されています。特に、高圧急速充電のトレンドの中で、電気自動車は新型パワーデバイスの最も重要な応用シーンとなっており、800V SiCプラットフォームの利用がSiCパワーデバイスの発展を促進しています。

2 困難と課題

MOSFETとIGBTはさまざまな分野でますます広く使用されており、MOSFETとIGBTの関連パラメータのテストを効果的に行う方法は多くのエンジニアにとっての課題となっています。IGBTのオンとオフの設計プロセスは複雑であり、そのスイッチング特性の正確な測定と分析には一定の難しさがあります。また、IGBTの安全動作領域（SOA）の決定には、電圧、電流、時間など複数の要素を考慮する必要があります。測定中も寄生パラメータの影響を受けやすく、デバイスのパッケージやテスト回路に存在する寄生インダクタンス、キャパシタンスなどのパラメータは、高周波および高速スイッチングテストにおいて結果に顕著な影響を与え、信号の歪みや測定誤差を引き起こす可能性があります。さらに、MOSFETとIGBTはスイッチング速度が速く、その動的特性をテストする際には高精度のテスト機器と迅速な応答時間が必要です。適切な測定器具を選択してテストを行うことが非常に重要です。


これらのパワーデバイスのテストでは、デバイスのパラメータをよりよく表現するために、複数の測定機器と設備が協調して作業する必要があります。パワーデバイスで一般的なテスト項目には、以下のようなものがあります：

1. 静的パラメータテスト：
オン抵抗（Rds(on)）：MOSFETなどのデバイスの場合、導通状態でドレインとソースの間の抵抗を測定します。
スレッショルド電圧（Vth）：デバイスが導通し始めるときのゲート電圧。
降伏電圧（BV）：デバイスが耐えられる最大電圧を測定します。例えば、ドレインブレークダウン電圧（BVDSS）、ゲートブレークダウン電圧（BVGSS）などです。
漏れ電流（Idss、Igss）：特定の条件下で、ドレインとソース間の漏れ電流、またはゲートとソース間の漏れ電流を測定します。

2. 動的パラメータテスト：
スイッチング時間（ton、toff）：機器がオンからオフ、またはオフからオンになるまでの時間を測定します。
スイッチング遅延時間（td(on)、td(off)）：パワーデバイスのスイッチングプロセスにおいて、制御信号の印加／立ち下がり開始からデバイスの導通／オフ開始までの時間間隔。
損失（Eon、Eoff）：スイッチング時の電圧と電流を測定し、ターンオン時およびターンオフ時のデバイスのエネルギー損失を計算す。
電流上昇・下降時間（tr、tf）：測定する電流が定格値の10％から90％まで上昇するのに要する時間します。
逆回復時間（trr）：正方向の導通から逆方向のカットオフに切り替わる際、電流がゼロに戻るまでの時間を測定します。

3. セキュアワークエリア（SOA）テスト：
 デバイスの安全動作領域を特定し、パワーデバイスがどの電圧と電流の組み合わせで正常に動作するかをテストします。これにより、実際の使用環境でデバイスの動作電圧と電流が安全範囲を超えないようにし、過熱、ブレークダウン、またはその他の損傷が発生しないことを確認します。
上記はパワーデバイスの共通のテスト項目の一部に過ぎません。実際のテスト測定では、デバイスの特性に基づいてテスト機器を準備し、テスト回路を構築して、デバイスの各パラメータをテストします。

3 ソリューション

3.1 ダブル・パルス・テスト

ダブルパルス試験は、MOSFETおよびIGBTの動的パラメータ測定で一般的に使用される方法であり、このテストを使用することで、パワーデバイスの特性をより良く評価できます。パワーデバイスのスイッチング損失、電圧および電流のピーク値、寄生パラメータなどの特性を評価し、製品の長期的な信頼性を理解し、後続の製品の最適化を支援します。テストでは、異なるパルス幅を持つ2つの電圧パルスが必要です。最初のパルスは初期状態を確立するために使用され、回路内の他のコンポーネントを比較的安定した動作温度に加熱し、温度変化がテスト結果に与える影響を減らします。同時に、回路内のインダクタンスに一定の電流を供給し、2番目のパルスのテストのための条件を整えます。2番目のパルスは、パワーデバイスの動的特性をテストするために使用され、この時示波器と差動プローブを使用して、デバイスのスイッチング時の電圧と電流のパラメータをテストします。最初のパルスの下降エッジでパワーデバイスのオフ動作を観測し、2番目のパルスの上昇エッジでオン動作を観測します。簡略化された双脉冲テスト回路は、図1に示されています。

図1 ダブルパルス試験回路の簡略例

ダブルパルス試験は通常ハーフブリッジの形で行われるが、試験過程で発生する電界干渉などの影響を軽減したい場合は、フルブリッジの構造で試験を行うことができます。ハーフブリッジでは、上側の管を常閉に保ち、インダクタを並列に接続します。そして、下側の管のゲートにダブルパルスを送り、下側の管の両端の電圧Vceとコレクタ電流Icを検出し、ダブルパルスによって駆動される短いターンオンとターンオフのプロセスでパワーデバイスのパラメータをテストします。ダブルパルス試験における基本波形を図2に示されています。

図2 ダブル・パルス・テストの基本波形例

図に図の青い波形はゲートに送信される双脈衝波形で、緑の波形は下部スイッチの両端の電圧Vceを示し、黒い波形はテスト中に測定された下部スイッチのコレクタ電流Icを示しています。t0の時点で、最初の脈衝がゲートに到達し、この時点で下部スイッチのIGBTは飽和導通状態に入り、電圧はインダクタに加わります。インダクタで発生した電流は線形に増加し、この電流の値は電圧とインダクタンスによって決まります。電圧とインダクタンスが決まっている場合、最初の脈衝の持続時間が長いほど、オン時間が長く、発生する電流も大きくなります。

t1の時点で最初の脈衝が終了し、下部スイッチがオフになります。この時、インダクタの電流は上部スイッチのダイオードによって継続流れます。この電流は徐々に減衰します。この時、電流プローブを下部スイッチのエミッタ端に配置すると、ダイオードによる継続流れ時のインダクタ電流は観測できません。

t2の時点で、2番目の脈衝が到達し、下部スイッチが再び導通します。継続流れのダイオードは逆回復を開始し、逆回復電流は同様に下部スイッチのIGBTを通ります。下部スイッチのコレクタ端に配置された電流プローブは、この瞬間の電流のスパイクをキャッチできます。

t3の時点で、2番目の脈衝が終了し、下部スイッチがオフになります。この時、電流は比較的大きく、散逸インダクタンスの影響により、電圧にスパイクが発生します。

上記のステップが双脈衝テストの完全なテストプロセスであり、この中でIGBTの逆回復時間、上昇時間、下降時間などのパラメータを測定することができます。測定可能なパラメータの一部は図3に示されています。この中のスイッチング損失パラメータは、オシロスコープの関数演算機能を使用して計算することができ、電圧と電流信号の積を一定時間内で積分することで損失値を求めることができます。オン損失の積分区間はゲート電圧が10%上昇し、Vce電圧が2%低下する区間で、オフ損失の積分区間はゲート電圧が90%下降し、電流が2%低下する区間です。

図3 ダブル・パルス・テストで測定可能なパラメーター

この特別な脈衝シーケンスは、数学ツールソフトウェアで編集して生成することができ、脈衝のパラメータを調整した後、ファイルを任意の波形発生器にインポートして出力することができます。この方法は煩雑でパラメータ調整が不便ですが、SIGLENTのSDG1000X Plusなどのシリーズには、双脈衝波形設定オプションが標準で搭載されており、信号源のインターフェースに双脈衝波形の特性が直感的に表示され、脈衝幅などのパラメータの設定が簡単に行えます。インターフェースは簡単で、操作が明確にガイドされています。これにより、エンジニアは時間を節約でき、パワーデバイスのテストや問題の調整および解決により集中できるようになります。関連する多重脈衝設定インターフェースは図4に示されています。

図4 信号源のマルチパルス出力設定画面

マルチパルス・多脈衝インターフェースでは、脈衝の数と幅を選択でき、各脈衝に対して上昇および下降時間、正負脈衝幅の設定が可能です。インターフェースはシンプルで、操作ロジックも明確です。
また、オシロスコープでは、鼎陽科技が提供する双脈衝テスト用のテストソフトウェアもあります。DPTソフトウェアを使用することで、手動でのテスト操作を減らし、テスト時間を効果的に短縮できます。このソフトウェアは、JEDEC/IEC標準のテスト結果範囲を提供し、ユーザーがカスタムパラメータでテストを行うこともサポートしています。テスト終了後、テスト結果を直感的に表示し、結果をエクスポートすることができます。

図5 DPTソフトウェアの実際のテスト波形の例

図6 試験結果表示インターフェース

4 まとめ

双脈衝テストはパワーデバイスの動的パラメータを測定する主要な方法であり、デバイスの関連特性を正確に表現できます。テスト用の双脈衝を構築し、関連パラメータをテストすることは、数多くのエンジニアにとっての難題でした。SDG1000X Plus任意波形発生器は、波形インターフェースで直接選択できる多脈衝構築方法を提供しており、ユーザーに迅速かつ便利な脈衝信号の編集を提供します。また、オシロスコープにはDPT双脈衝テストアプリケーションが提供されており、双脈衝テストのパラメータを簡単にテストでき、テスト時間を短縮し、直感的なテスト結果レポートを提供します。