背景介绍
功率半导体器件应用非常广泛，是各种电子系统及仪器的基础，通常包括功率二极管、三极管、MOS场效应管、结型场效应管、可控硅等。目前，功率半导体器件应用单位涉及航天、航空、高等院校、电子研究所等诸多部门。其制造工艺及其设计水平较原来普通器件在功率上有了很大的提高，而功率器件直流参数是器件性能验收必测参数，以功率半导体二极管为例，直流参数主要包括：击穿电压VR、反向直流电流IR、正向直流电压VF、工作电压VZ等。
功率半导体器件测试系统是用于测试半导体器件直流参数的系统。测试过程中，半导体器件的附加温升导致测试数据漂移和不稳定，因此在美军标、国军标、国标等标准中提出了“脉冲测试”法。美军标MIL-STD-750E半导体器件试验方法4.3.2.1、国军标GJB128A-1997半导体分立器件试验方法3.3.2.1中，300μs脉冲宽度的测试条件推荐选取。
功率半导体器件直流参数测量，需要高压电压源、脉冲大电流源、可测试大电流的恒压源、小电流源、小电压源、数字电压表等多个模块配合才能实现。其中，其技术要求为：上升下降时间快（优于20μs）、脉冲宽度满足标准要求（优选300μs）、脉冲电流幅度（高达1000A）。
总体设计方案
本文所研制功率半导体器件直流参数测试系统，采用模块化设计，主要分为电源模块、脉冲大电流矩阵开关模块、高压电压源、脉冲大电流源、可测试大电流的恒压源、小电流源、小电压源、数字电压表等模块组成。测试系统组成框图如图1所示。
电源模块分别给其他各模块提供工作电源。测试系统通过计算机使用测量软件进行功率半导体器件参数测量控制。通过VC++6.0开发环境开发功率半导体器件直流参数测量软件，可快速、准确、全面的对二极管、双极晶体管、场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管（IGBT）进行直流参数测试。
1各部分技术指标及主要功能
1）系统背板
主要实现高压电压源、大电流源、可测试大电流的恒压源、小电流源、小电压源、数字电压表各模块与计算机通过专用接口之间的通信。
2）系统专用接口
实现计算机与系统背板之间通信。
3）计算机
为功率半导体器件直流参数测量软件的运行平台。
4）高压电压源
提供击穿电压等高电压电信号的供给，电压范围：30～3000V，最大允许误差：±2%。
5）大电流源
提供测量所需偏置脉冲电流，脉冲电流范围：10～500A（脉冲宽度：50A以下为100μs～10ms，50～500A为300μs），最大允许误差：±2%，开路电压：4V。
6）可测试大电流的恒压源
通过该恒压源，实现脉冲电流的测量，电压范围：-30～+30V，最大允许误差：±1%。
7）小电流源
提供较小的直流电流驱动能力，电流范围：10mA～10A。
8）小电压源
提供较小的直流电压驱动能力，电压范围：-30～+30V，最大允许误差：±1%，开路电压：20V。
9）数字电压表
提供直流电压的测量，测量范围：1～3000V，最大允许误差：±1%。
10）矩阵开关
通过矩阵开关实现各模块资源的调配，为直流参数测量准备好条件。
11）测试端子
实现与被测功率半导体器件的连接。
2直流参数测量原理
以绝缘栅双极晶体管正向跨导gm参数测量原理为例进行介绍，其余参数测量原理参照国军标GJB128A-1997半导体分立器件试验方法。
可测试大电流的恒压源（恒压测流源一）施加规定电压，调整小电压源（恒压测流源二）电压值使所测试出的电流为规定值Id1，记录此时的电压V1，改变V1的电压为V2，记录此时可测试大电流的恒压源（恒压测流源一）测试出的电流为规定值Id2，正向跨导通过式1可计算
脉冲大电流源主要技术指标为电流范围：10～500A（脉冲宽度：50A以下为100μs～10ms，50～500A为300μs），最大允许误差：±2%，开路电压：4V。
脉冲大电流源主要实现脉冲大电流产生，自重脉冲电流幅度为50～500A部分，脉冲宽度采用相关标准规定的300μs。该模块的研制是本项目的关键技术之一，主要采用电容充放电技术，即通过精心挑选的变压器对电容器矩阵进行充电，充电达到一定值后，通过软件控制负载通断时间，实现脉冲大电流的产生。中间涉及多项难点，包括：1）脉冲电流幅度精度的保证，通过大功率精密电阻保证所提供脉冲电流幅度的准确度；2）降低电容充放电矩阵容抗的影响，本项目通过采用低值电容进行并联的技术，既达到了需要的电容值，又降低了大电容必然产生高阻抗特性。
所设计脉冲大电流源模块如图3所示。
4技术指标的保证
保证技术指标是整个硬件设计的基本要求。这里以小电压源、小电流源部分为例进行说明。两部分技术指标为电压范围：-30～30V（零点除外）；最大允许误差：±1%；电流范围：10mA～10A；最大允许误差：±1%，开路电压：20V。为了提高精度采取以下措施：
1）数模转换芯片选择完整的双通道、12位、电压输出数模转换器。一个通道为电路提供驱动电压和驱动电流，另一个通道提供钳位电压和钳位电流。12位的DAC的精度是±0.024%；
3）防止地塌陷影响精度，对加流测压反馈回路中的地进行噪声处理；
4）电压分挡模式切换使用串联连接方法组成不同的阻值，如果使用并联方式，继电器切换瞬间会构成反馈环路断开，主运放开环输出电压接近电源轨道，影响精度；
5）如果输出端与负载直接相连，在测试元件等效电阻小时，会由于线损而产生测试误差，故在实际设计中，输出端与负载的相连可采用开尔文电桥接法，负载两端采用四线连接；
6）为了防止地、电源的干扰，把FORCE包裹起来，形成等电位，保证精度；
7）SENCE端采用电压跟随器，进行隔离，保证精度；
8）在电路板布线的过程中，避免直角走线，减少噪声辐射和耦合。同时电源和地线尽量粗，减小耦合噪声。
5测量软件开发
功率半导体器件直流参数测量软件编制是基于PCI总线的控制软件，该软件采用VisualC++6.0作为开发平台。功率半导体器件直流参数测量软件，主要流程分为启动程序，选择器件类型，调入器件参数或者根据器件手册编制器件参数文件，进行电路保护判断，防止损坏系统，调整参数直到满足系统相关资源为止；启动测试，以图形或者文字形式进行测试结果显示。详细流程如图4所示。
6器件扫描新特性的开发
本测量软件在完成二极管、双极型晶体管、场效应晶体管、IGBT模块相关参数点测试的同时，通过对测量软件的功能进行升级，在点测试基础上，实现对器件特性曲线测量技术。实现了二极管、双极型晶体管、场效应晶体管、IGBT模块直流参数器件4种特性曲线的描绘功能，对话框如图5所示。
以功率半导体器件BSM111AR为例，特性曲线扫描结果如图6所示。
结论
本文突破电容充放电产生脉冲大电流技术，研制了高压电压源、脉冲大电流源、可测试大电流的恒压源、小电流源、小电压源、数字电压表等关键模块，编制了功率半导体器件直流参数测量软件，并增加图形扫描功能，实现了功率半导体器件测试系统的研发。实验证明，能满足绝大多数功率半导体器件的测试，测试速度较快，满足器件生产、研发单位的双重需要。