CN109765470A - 温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，包括：设定电流和温度下功率半导体器件的开关特性测试方法、恢复特性测试方法和导通特性测试方法。测试方法包括：对被测开关管施加一组包括三个脉冲的测试脉冲序列，在第一个脉冲的下降沿测试开关管的关断特性；第二个脉冲补偿负载电流的损耗；在第一个脉冲结束与三个脉冲开始之间测试开关管或二极管的导通特性；在第三个脉冲的上升沿测试开关管的开通特性和二极管的恢复特性；从而达到温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试效果。

Description

温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法。

背景技术

随着电力电子器件额定容量的升高，以及工作环境的复杂化，应用中对功率半导体器件可靠性的要求也越来越高。功率半导体器件作为电力电子***中较为昂贵的元件和主要热源，对其损耗及热特性进行准确的建模评估，是提高电力电子设备经济性和安全性的重要手段。

功率半导体器件的损耗及热特性分析，需要建立其热阻抗及损耗模型，因此需要对功率半导体器件在各种电压、电流、温度条件下的开关和导通特性参数进行再现和测试。但是要获得精确的功率半导体器件特性参数，对测试条件及测试方法有较高的要求：需要测试时功率半导体器件电压、负载电流、器件温度可调；需要保证提取开关与导通特性时功率半导体器件的电流和温度与设定值一致；由于同一型号功率半导体器件的差异性，需要测量多个器件及重复测试。

现有的技术通常采用双脉冲测试方法对功率半导体器件开关特性进行提取，采用I/V曲线量测仪对功率半导体器件导通特性进行提取。然而这些方法均存在负载电流、器件温度不方便调节；寄生参数较大，测试条件和实际应用相差较远；开关特性与导通特性测试时电流、温度不准确；测试效率低，一次只能测一个器件的开关特性或导通特性；无法测试被测功率半导体器件中反并联二极管的恢复特性等问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法。

本发明提供一种温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，用于测试包括开关管和二极管在内的功率半导体器件，并测试在设定条件下的功率半导体器件的开关特性、恢复特性和导通特性；所述方法包括：

每个测试阶段对被测模块中的被测开关管施加一组包括N个脉冲的测试脉冲序列，其中N为大于2的整数；

在第一个脉冲信号的下降沿测试所述被测开关管的关断特性；

在第一个脉冲信号结束与第N个脉冲信号开始之间，测试所述被测开关管和/或二极管的导通特性；第一个脉冲信号和第N个脉冲信号之间的脉冲信号用于补偿测试电流的损耗；

在第N个脉冲的上升沿测试所述被测开关管的导通特性和/或所述二极管的恢复特性。

可选地，包括：所述被测模块中包含有至少一个被测单元，所述被测单元用于模拟功率半导体器件的工作状态；所述被测单元中包含有由开关管和二极管在内的功率半导体器件所构成的任意拓扑形式的全桥结构以及相对应的负载模块；

其中，所述功率半导体器件包括以下任一或者任多特征：

包括基于模块、压接、分立式封装技术在内的功率半导体器件；

包括基于硅、碳化硅、氮化镓在内的半导体芯片；

所述负载模块包括以下任一特征：

纯电感电路；

电感、电容、电阻、变压器所组成的混合型电阻抗网络。

可选地，所述设定条件包括：电压条件、电流条件、温度条件；其中：

所述温度条件包括：通过温控模块调节的所述被测模块的温度；

所述电流条件包括：第一个脉冲在测试电流达到设定值时停止；第N个脉冲在测试电流达到设定值时开始。

可选地，第一个脉冲信号和第N个脉冲信号之间的脉冲信号作为补偿脉冲信号，用于补偿第一个脉冲信号和第N个脉冲信号之间因为电路寄生参数造成的电流下降；当被测模块温度恢复并维持在设定值时，开始施加补偿脉冲信号，当负载电流在预设的范围内时，停止施加补偿脉冲。可选地，还包括：

在负载电流续流状态下，测试续流回路中二极管的导通压降特性；

在负载电流从续流状态转化至充放电状态时，测试续流回路中的二极管的恢复特性；

其中，所述充放电状态是指：负载电流流经由至少一个开关管、负载模块、直流电压源构成的闭合回路；

所述续流状态是指：负载电流流经由一个二极管和负载模块构成的闭合回路，或者由一个开关管、一个二极管和负载模块构成的闭合回路。

可选地，当被测单元包含全桥结构时，测试开关管的导通压降特性；

所述测试开关管的导通压降特性，包括：

对被测单元中的至少一个功率半导体器件施加持续的开通信号，以使所述被测单元处于负载电流续流状态，在该负载电流续流状态下，检测续流回路中功率半导体器件的导通压降特性。

可选地，还包括：

根据检测到的功率半导体器件的电压电流值，计算所述功率半导体器件的损耗特性。

可选地，根据检测到的功率半导体器件的电压电流值，计算所述功率半导体器件的损耗特性，包括：

在检测到的功率半导体器件在开关过程中，对功率半导体器件两端的电压与流过的电流的乘积对时间进行积分，得到所述功率半导体器件的开关损耗能量；

在检测到的功率半导体器件在导通过程中，对功率半导体器件两端的电压与流过的电流的乘积，得到所述功率半导体器件的导通损耗；

在检测到的二极管在恢复过程中，对功率半导体器件两端的电压与流过的电流的乘积对时间进行积分，得到所述二极管的恢复损耗能量。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，其中的测试电路结构与功率半导体器件常用的电路拓扑结构相近，从而能够更好地进行功率半导体器件的损耗测试，得到的数据更贴近被测器件在实际运行状况下的特性。

2、本发明提供的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，可实现多个被测器件在设定电压、电流、温度条件下的开关损耗以及通态特性测试。

3、本发明提供的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，可有效减小所述负载中寄生电容对所述被测器件开关过程的影响，从而得到更准确的开关损耗测试结果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法的流程图；

图2为本发明提供的被测单元的实施例一的结构示意图；

图3为本发明提供的被测单元的实施例二的结构示意图；

图4为本发明提供的功率半导体器件特性测试方法实施例在一个测试周期中一个开关管及其反并联二极管的电气状态、温度状态以及负载电流波形图；

图5为本发明提供的功率半导体器件特性测试方法实施例在一个开关管测试阶段的流程图；

图6为本发明提供的功率半导体器件特性测试方法实施例在一个测试周期中被测模块中所有开关管的驱动信号以及负载电流的波形图；

图7为本发明提供的功率半导体器件特性测试方法实施例在一个测试周期中测试所有功率半导体器件特性的流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明提供的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法的流程图。当被测单元为半桥结构时，以没有并联负载的开关管为被测开关管，在直流电压和所有功率半导体器件温度稳定在设定值的条件下向被测开关管依次发出N个测试脉冲，可以按流程图中顺序可以依次测得被测开关管的关断特性、与被测开关管串联的二极管的导通特性和恢复特性以及被测开关管的开通特性，即完成一个周期。当被测单元为全桥结构时，四个开关管均可以作为被测开关管，可依次作为被测开关管测试全桥结构中所有开关管的开关特性和导通特性以及所有二极管的导通特性和恢复特性，图4-7即以一种全桥结构的被测单元与N＝3为例，具体描述本方法的实施过程。

图2为本发明提供的被测单元的实施例一的结构示意图，图3为本发明提供的被测单元的实施例二的结构示意图。其中图2为半桥结构，可由本发明提供的测试方法测试图中DUT_L中开关管的开关特性和DUT_H中二极管的导通特性和恢复特性，图中Diode_H与负载构成续流回路，IGBT_L、负载和直流电压源构成充放电回路；图3为全桥回路，可由本发明提供的测试方法测试图中所有开关管的开关特性与导通特性以及所有二极管的导通特性和恢复特性，图中Diode_1H、负载与直流电压源构成续流回路，且共有四个类似的续流回路，IGBT_1H、负载、IGBT_2L与直流电压源构成充放电回路，且共有两个类似的充放电回路。

图4为本发明提供的功率半导体器件特性测试方法实施例在一个测试周期中一个开关管及其反并联二极管的电气状态、温度状态以及负载电流波形图，图5为本发明提供的功率半导体器件特性测试方法实施例在一个开关管测试阶段的流程图。参见图4、图5，以一个开关管IGBT_1H为例，其中Diode_1H表示其反并联二极管，波形图和流程图展示了实现温度电流精确测试的原理。

如图5所示，一个测试周期分为四个阶段分别对应全桥电路的四个IGBT的测试阶段，第一个测试阶段IGBT_1H为被测器件，对其施加三个测试脉冲。其中第一个脉冲对应0-t1阶段，将负载电流充电至设定值后关断，可以测试IGBT_1H的关断特性，保证了此时电流的精确度，并在充电过程中利用温控模块的冷却功能使IGBT_1H的壳温维持在设定值附近，保证了测试关断特性时温度的精确度；t1-t2阶段测试Diode_1L的导通特性，稳定各功率半导体器件的壳温，保证了测试导通特性时温度的精确性；第二个脉冲对应t2-t3阶段，用于补偿寄生参数造成的负载电流损耗，将负载电流补偿至等于或略大于设定值，由于寄生参数造成的损耗较小，第二个脉冲的导通过程时间较短，各功率半导体器件温度变化范围不大；t3-t4阶段测试IGBT_2L的导通特性以及稳定各功率半导体器件的壳温，由于此时被测模块处于续流状态，因此电流损耗和温度变化都较小，保证了测试导通特性时温度和电流的精确性；第三个脉冲对应t4-t5，在负载电流下降至设定值时发出脉冲，保证了测试时电流的精确性，在脉冲的上升沿测试IGBT_1H的开通特性和Diode_1L的恢复特性，经过t3-t4的温度稳定过程，保证了测试时温度的精确性。

图6为本发明提供的功率半导体器件特性测试方法实施例在一个测试周期中被测模块中所有开关管的驱动信号以及负载电流的波形图；图7为本发明提供的功率半导体器件特性测试方法实施例在一个测试周期中测试所有功率半导体器件特性的流程图。

参见图6、图7，0-T1阶段:被测开关管为IGBT_1H，IGBT_2L导通，IGBT_1L与IGBT_2H关断，IGBT_1H接收三个测试脉冲，如图2所示流程依次测试IGBT_1H的关断特性、IGBT_2L的导通特性、IGBT_1H的开通特性和Diode_1L的恢复特性。T1-T2阶段：被测开关管为IGBT_2H，IGBT_1L导通，IGBT_1H与IGBT_2L关断，IGBT_2H接收三个测试脉冲，如图3所示流程依次测试IGBT_2H的关断特性、IGBT_1L的导通特性、IGBT_2H的开通特性和Diode_2L的恢复特性。T2-T3阶段：被测开关管为IGBT_2L，IGBT_1H导通，IGBT_1L与IGBT_2H关断，IGBT_2L接收三个测试脉冲，如图3所示流程依次测试IGBT_2L的关断特性、IGBT_1H的导通特性、IGBT_2L的开通特性和Diode_2H的恢复特性。T3-T4阶段：被测开关管为IGBT_1L，IGBT_2H导通，IGBT_1H与IGBT_2L关断，IGBT_1L接收三个测试脉冲，如图3所示流程依次测试IGBT_1L的关断特性、IGBT_2H的导通特性、IGBT_1L的开通特性和Diode_1H的恢复特性。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，其特征在于，用于测试包括开关管和二极管在内的功率半导体器件，并测试在设定条件下的功率半导体器件的开关特性、恢复特性和导通特性；所述方法包括：

每个测试阶段对被测模块中的被测开关管施加一组包括N个脉冲的测试脉冲序列，其中N为大于2的整数；

在第一个脉冲信号的下降沿测试所述被测开关管的关断特性；

在第一个脉冲信号结束与第N个脉冲信号开始之间，测试所述被测开关管和/或二极管的导通特性；第一个脉冲信号和第N个脉冲信号之间的脉冲信号用于补偿测试电流的损耗；

在第N个脉冲的上升沿测试所述被测开关管的导通特性和/或所述二极管的恢复特性。

2.根据权利要求1所述的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，其特征在于，包括：所述被测模块中包含有至少一个被测单元，所述被测单元用于模拟功率半导体器件的工作状态；所述被测单元中包含有由开关管和二极管在内的功率半导体器件所构成的任意拓扑形式的全桥结构以及相对应的负载模块；

其中，所述功率半导体器件包括以下任一或者任多特征：

包括基于模块、压接、分立式封装技术在内的功率半导体器件；

包括基于硅、碳化硅、氮化镓在内的半导体芯片；

所述负载模块包括以下任一特征：

纯电感电路；

电感、电容、电阻、变压器所组成的混合型电阻抗网络。

3.根据权利要求1所述的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，其特征在于，所述设定条件包括：电压条件、电流条件、温度条件；其中：

所述温度条件包括：通过温控模块调节的所述被测模块的温度；

所述电流条件包括：第一个脉冲在测试电流达到设定值时停止；第N个脉冲在测试电流达到设定值时开始。

4.根据权利要求1所述的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，其特征在于，第一个脉冲信号和第N个脉冲信号之间的脉冲信号作为补偿脉冲信号，用于补偿第一个脉冲信号和第N个脉冲信号之间因为电路寄生参数造成的电流下降；当被测模块温度恢复并维持在设定值时，开始施加补偿脉冲信号，当负载电流在预设的范围内时，停止施加补偿脉冲。

5.根据权利要求1所述的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，其特征在于，还包括：

在负载电流续流状态下，测试续流回路中二极管的导通压降特性；

在负载电流从续流状态转化至充放电状态时，测试续流回路中的二极管的恢复特性；

其中，所述充放电状态是指：负载电流流经由至少一个开关管、负载模块、直流电压源构成的闭合回路；

所述续流状态是指：负载电流流经由一个二极管和负载模块构成的闭合回路，或者由一个开关管、一个二极管和负载模块构成的闭合回路。

6.根据权利要求2所述的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，其特征在于，当被测单元包含全桥结构时，测试开关管的导通压降特性；

所述测试开关管的导通压降特性，包括：

对被测单元中的至少一个功率半导体器件施加持续的开通信号，以使所述被测单元处于负载电流续流状态，在该负载电流续流状态下，检测续流回路中功率半导体器件的导通压降特性。

7.根据权利要求1所述的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，其特征在于，还包括：

根据检测到的功率半导体器件的电压电流值，计算所述功率半导体器件的损耗特性。

8.根据权利要求7所述的温度电流精确可控的功率半导体器件特性测试方法，其特征在于：根据检测到的功率半导体器件的电压电流值，计算所述功率半导体器件的损耗特性，包括：

在检测到的功率半导体器件在开关过程中，对功率半导体器件两端的电压与流过的电流的乘积对时间进行积分，得到所述功率半导体器件的开关损耗能量；

在检测到的功率半导体器件在导通过程中，对功率半导体器件两端的电压与流过的电流的乘积，得到所述功率半导体器件的导通损耗；

在检测到的二极管在恢复过程中，对功率半导体器件两端的电压与流过的电流的乘积对时间进行积分，得到所述二极管的恢复损耗能量。