同惠TH2851-130 精密阻抗分析仪功率器件电容阻抗分析演示案例

一、项目背景

随着SiC、GaN等宽禁带半导体功率器件在新能源汽车、光伏逆变器等领域的规模化应用，其结电容（Ciss、Coss、Crss）的精密测量日益重要。这些参数直接影响器件开关速度与驱动损耗，且随频率和偏置电压显著变化。

某功率半导体研究所需在0~200V直流偏置、1kHz~100MHz宽频段内精密扫描功率器件结电容及ESR、Q值等阻抗参数，同时需完成I-V特性测量以支撑器件建模。针对上述需求，选用同惠TH1992A精密SMU与TH2851-130精密阻抗分析仪构建测试平台，安泰测试AE团队完成系统集成、联调与培训。

二、应用分析

（一）测试系统核心需求匹配

宽频阻抗分析：TH2851-130频率覆盖10Hz~130MHz，精度0.045%，一次扫频可获得|Z|、θ、Cp、ESR、Q等20余项参数，精确表征器件全频段特性。

可程控直流偏置：TH2851内置±40V偏置，超出范围时可经由TH1992A（±200V）外部接入Bias端口实现高压C-V扫描，配合Compliance保护确保安全。

精密I-V表征：TH1992A双通道SMU支持±200V/±1A，电压分辨率0.1μV、电流分辨率10fA，Expert页面内置MOSFET/IGBT/Diode标准测试程序，一键完成特性曲线扫描。

两仪协同形成闭环：TH1992A提供偏置与I-V测量，TH2851在偏置条件下完成宽频阻抗分析，完整覆盖功率器件建模与评估需求。

三、主要仪器技术规格

（一）TH1992A 精密源/测量单元

TH1992A是同惠推出的精密源/测量单元（SMU），具备高分辨率电压/电流源与高精度测量能力，适用于功率器件I-V特性、二极管曲线、击穿测试及与阻抗分析仪配合的精密直流偏置供给。主要技术规格如下：

参数

规格（TH1992A）

型号

TH1992A 精密源/测量单元（同惠）

SMU通道数

2通道独立SMU（CH1/CH2）

电压源范围

±200mV / ±2V / ±20V / ±200V（四档）

电流源范围

±10nA / ±100nA / ±1μA ... ±1A（九档）

电压源精度

±（0.015% rdg + 225μV）@±200mV量程

电流源精度

±（0.02% rdg + 10pA）@±10nA量程

脉冲I-V模式

支持脉冲宽度与延时可设，有效抑制器件热效应

合规性保护

电压源时设电流合规性；电流源时设电压合规性

内置测试程序

FETs / BJTs / IGBTs / Diodes / Utility（Expert页面）

通信接口

USB / LAN / GPIB / RS232 / Digital I/O

表3.1 TH1992A主要技术规格

（二）TH2851-130 精密阻抗分析仪

TH2851-130精密阻抗分析仪（Precision Impedance Analyzer），测试频率覆盖10Hz～130MHz，支持直流偏置电压（±40V）与偏置电流（±100mA），四端对测量架构，广泛应用于无源元件、功率器件结电容、陶瓷电容、电感线圈及电路板阻抗测试。主要技术规格如下：

参数

规格（TH2851-130）

型号

TH2851-130 精密阻抗分析仪（同惠）

测试频率范围

10Hz～130MHz（-130型号）

频率分辨率

1mHz

信号源电平（电压）

5mVrms～1Vrms（25Ω内阻）/ 5mVrms～2Vrms（100Ω，≤1MHz）

信号源电平（电流）

50μArms～20mArms

直流偏置电压

0～±40V，分辨率1mV，精度±[0.1%+(5+30×|Imon|)mV]

直流偏置电流

0～±100mA，分辨率40μA

测量参数（20+）

|Z|、θ、Cp/Cs、Lp/Ls、Rp/Rs、D、Q、G、B、X、DCR等

测量端口配置

四端对（HCUR/LCUR/HPOT/LPOT，4×BNC）

阻抗精度（典型）

A1=0.045%（500mVrms，测量速度5，100Hz～1MHz）

扫描类型

频率扫描、电平扫描、直流偏置扫描（线性/对数）

通信接口

USB / LAN / GPIB / Handler

表3.2 TH2851-130主要技术规格

四、具体仪器操作

（一）硬件连接与校准：四端对Kelvin夹具连接器件，高压偏置时TH1992A经BNC接入TH2851外部Bias端口，两仪器共地。TH2851预热30分钟、TH1992A预热60分钟后完成Open/Short/Load三步校准。

信号链路

连接说明

注意事项

SMU偏置输出

TH1992A CH1输出→BNC→TH2851外部Bias Terminal（偏置扩展场景）

先设合规性，后开启SMU输出，缓慢升压

阻抗测量激励

TH2851内置信号源→四端对夹具→功率器件引脚

夹具校准后再接器件，避免重新接线

四端对Kelvin

HCUR/LCUR（驱动）分别接器件两端；HPOT/LPOT（感测）分别夹近器件本体

感测引线远离驱动回路，减少互感误差

安全接地

TH1992A保护地与TH2851机壳共地

高偏压测试前确认绝缘，操作人员戴绝缘手套

表4.1 系统连接关系说明

图4.1 TH2851夹具校准界面——Open/Short/Load三步校准引导

（二）C-V特性扫描（结电容随偏压变化）

设置1MHz测量频率、500mV电平，偏置电压从0V扫描至40V（对数分布，51~201点），获取Cp随偏压变化曲线，数据以CSV格式导出供建模使用。

图4.2 C-V特性扫描界面示意（Cp随偏置从0V升至40V逐渐下降的典型曲线）

（三）频率扫描阻抗分析（C-f及Z-f特性）

1kHz~130MHz对数扫描，同时显示Cp、Rs、Q、|Z|曲线，利用等效电路仿真功能获取模型参数，光标读取自谐振频率。

图4.3 频率扫描阻抗曲线示意（|Z|与θ随频率变化，揭示器件SRF特性）

TH1992A精密I-V特性测量

Expert页面选择FETs测试类型，CH1驱动漏极、CH2提供栅极偏压，设置Vgs台阶与Vds扫描范围及电流合规性，自动绘制Id-Vds输出特性曲线族。

图4.4 TH1992A Expert页面——SiC MOSFET Id-Vds输出特性曲线族

（五）脉冲I-V测量（抑制器件热效应）

切换至Pulse模式，设置脉冲宽度100μs~1ms，有效抑制器件自热效应，为SOA评估提供依据。

五、交付与现场调试

安泰AE团队完成设备验收、系统集成、现场校准演示，以SiC MOSFET为样品完成全部功能测试并提供操作培训与SCPI自动化编程示例。客户评价：1MHz下Coss测量重复性优于0.2%，宽频覆盖完整揭示器件阻抗特性，C-V与I-V一体化方案消除原有分立设备接线的繁琐与安全隐患，图形化界面经半天培训即可上手，后续将基于Python开发自动化批量测试脚本。

综上，TH1992A与TH2851-130组合方案为功率器件表征提供了"精密偏置激励+宽频阻抗扫描+精密I-V测量"的一体化平台，适用于SiC/GaN器件参数表征、建模与可靠性评估等高端应用场景。