CN113253085A - 一种功率半导体器件功率循环测试方法和*** - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种功率半导体器件功率循环测试方法和***，以使测试结果能够更加真实地反映被测器件的功率循环能力。该***包括：测试电路和控制器；所述测试电路的主回路上串联有直流电源、第一开关单元、感性器件和被测器件，所述测试电路还包括所述感性器件的续流回路；所述控制器，用于控制所述第一开关单元循环通断，并且在所述第一开关单元开通期间控制被测器件循环通断，在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，更具体地说，涉及一种功率半导体器件功率循环测试方法和***。
背景技术
一个功率半导体器件(例如IGBT)在设计时要求可承受上万次甚至上百万次的功率循环次数，因此需要对其进行功率循环测试以确认其功率循环能力。
在传统的功率循环测试方案中，被测器件保持常通，向被测器件通入一定占空比的大电流，配合冷却***，对被测器件循环加热和冷却(加热被测器件的热量来自于被测器件的导通损耗)，直至被测器件失效。
但是，上述测试方案没有考虑被测器件的通断损耗，与被测器件实际的运行状态相差较大，测试结果无法真实反映被测器件的功率循环能力。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种功率半导体器件功率循环测试方法和***，以使测试结果能够更加真实地反映被测器件的功率循环能力。
一种功率半导体器件功率循环测试***，包括：测试电路和控制器；所述测试电路的主回路上串联有直流电源、第一开关单元、感性器件和被测器件，所述测试电路还包括所述感性器件的续流回路；
所述控制器，用于控制所述第一开关单元循环通断，并且在所述第一开关单元开通期间控制被测器件循环通断，在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定。
可选的，被测器件的结温测量基于所述控制器和探测电流产生电路得到；
所述探测电流产生电路并联在被测器件上，用于在被测器件导通时通入探测电流，同时所述探测电流产生电路上还设置有防能量倒灌器件；
所述控制器具体用于在所述第一开关单元关断期间控制被测器件保持常通，根据被测器件在所述探测电流下的饱和压降值和饱和压降温度系数来计算结温。
可选的，所述探测电流产生电路包括相串联的电压源、防能量倒灌器件和限流器件。
可选的，所述探测电流产生电路包括相串联的电流源、防能量倒灌器件和第二开关单元，所述第二开关单元与所述第一开关单元的开关时序互补。
可选的，所述续流回路包括相串联的二极管和电阻。
可选的，所述直流电源的输出电压等于被测器件实际工作时要承受的直流母线电压大小。
可选的，所述感性器件的感值大小等于被测器件实际工作时电路中的感性负载大小。
可选的，所述测试电路还包括：被测器件的驱动电路，用于改变被测器件的门极电阻阻值大小，从而调节被测器件的通断过程，改变被测器件的加热效率。
一种功率半导体器件功率循环测试方法，应用于测试电路；所述测试电路的主回路上串联有直流电源、第一开关单元、感性器件和被测器件，所述测试电路还包括所述感性器件的续流回路；
所述方法包括：控制所述第一开关单元循环通断，并且在所述第一开关单元开通期间控制被测器件循环通断，在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定。
可选的，所述测试电路还包括：与被测器件相并联的探测电流产生电路；所述探测电流产生电路用于在被测器件导通时通入探测电流，同时所述探测电流产生电路上还设置有防能量倒灌器件；
所述在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定，具体包括：
确定被测器件在所述探测电流下的饱和压降温度系数；
在所述第一开关单元关断期间控制被测器件保持常通，获取被测器件在所述探测电流下的饱和压降值；
根据被测器件在所述探测电流下的饱和压降值和饱和压降温度系数来计算结温，通过冷却***对被测器件进行冷却以使其结温波动符合规定。
可选的，直至被测器件失效或者达到失效判定标准或者完成要求的功率循环次数时，结束测试。
从上述的技术方案可以看出，本发明在测试过程中考虑了被测器件的高频通断、承受高电压以及流过大电流，相比传统的功率循环测试方案更接近被测器件实际的运行工况，所以能够更加真实地反映被测器件的功率循环能力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例公开的一种功率半导体器件功率循环测试电路结构示意图；
图2为本发明实施例公开的又一种功率半导体器件功率循环测试电路结构示意图；
图3为图2所示电路的一种具体拓扑结构示意图；
图4为图3所示电路中主开关T1和被测器件Tdut的通断时序图；
图5a为图3所示电路中主开关T1和被测器件Tdut均导通时对应的电流路径示意图；
图5b为图3所示电路中主开关T1导通而被测器件Tdut关断时对应的电流路径示意图；
图5c为图3所示电路中主开关T1关断而被测器件Tdut导通时对应的电流路径示意图；
图6为图3所示电路中电感L电流和被测器件Tdut电流波形图；
图7为图2所示电路的又一种具体拓扑结构示意图；
图8为图2所示电路的又一种具体拓扑结构示意图；
图9为本发明实施例公开的一种在第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定的方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
功率半导体器件的功率循环能力，是指功率半导体器件在运行过程中能够承受交流负载引起的温度变化而不失效的能力。为测试功率半导体器件的功率循环能力，本发明实施例公开了一种功率半导体器件功率循环测试***，包括：测试电路和控制器；被测器件接入测试电路后，控制器开始控制测试电路配合冷却***对被测器件循环加热和冷却(即当被测器件被加热到一定温度后，让被测器件进入冷却阶段，冷却到一定温度后再进入加热阶段，……，如此循环往复)，直到被测器件失效或者达到失效判定标准或者完成要求的功率循环次数时结束测试，以此评估被测器件的功率循环能力。
传统的测试方案中被测器件保持常通，没有开关过程，不产生通断损耗；但是被测器件在变流器等***中实际工作时，在PWM波控制下，处于高频通断状态，会受功率波动、环境温度变化、输出频率等因素影响产生结温(结温是功率半导体器件的实际工作温度)波动，因此传统测试方案下的测试环境与被测器件实际的运行工况相差太大。为使测试环境更接近被测器件实际的运行工况，更加真实地反映被测器件的功率循环能力，本发明实施例在设计所述测试电路和控制器时，考虑了被测器件的高频通断、承受高电压以及流过大电流。
所述测试电路和控制器的设计如下：所述测试电路的主回路上串联有直流电源、第一开关单元、感性器件和被测器件Tdut，所述测试电路还包括所述感性器件的续流回路，如图1所示；所述控制器，用于控制所述第一开关单元循环通断，并且在所述第一开关单元开通期间控制被测器件Tdut循环通断，在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件Tdut进行冷却，以使被测器件Tdut的结温波动符合规定。
在上述设计中，所述第一开关单元低频通断；被测器件Tdut在所述第一开关单元开通期间高频通断；当所述第一开关单元和被测器件Tdut均开通时，所述直流电源输出的电流经所述感性器件通入被测器件Tdut；当所述第一开关单元开通而被测器件Tdut断开时，所述感性器件通过所述续流回路续流，主回路电流衰减到上升前水平，防止下次被测器件Tdut开通后主回路电流持续上升；由于被测器件Tdut在所述第一开关单元开通期间高频通断，被测器件Tdut将被加热，加热被测器件Tdut的热量来自于被测器件Tdut的导通损耗和通断损耗。所述第一开关单元断开后，被测器件Tdut停止加热，冷却***开始对被测器件Tdut进行冷却，以使被测器件Tdut的结温波动符合规定。
其中，所述直流电源的输出电压可设计为被测器件Tdut在变流器等***中实际工作时所承受的直流母线电压，主回路电流可设计为被测器件Tdut在变流器等***中实际工作时通入的大电流，被测器件Tdut在直流母线电压下进行高频通断，对通入被测器件Tdut的大电流进行高频斩波，这样的测试环境充分考虑了被测器件的高频通断、承受高电压以及流过大电流，相比传统的测试方案更接近被测器件实际的运行工况，能够更加真实地反映被测器件的功率循环能力。
可选的，在被测器件Tdut循环加热和冷却过程中，被测器件Tdut的结温测量可以基于所述控制器和探测电流产生电路得到；
如图2所示，所述探测电流产生电路并联在被测器件Tdut上，用于在被测器件Tdut导通时通入探测电流，同时所述探测电流产生电路上还设置有防能量倒灌器件；
所述控制器具体用于在所述第一开关单元关断期间控制被测器件Tdut保持常通，根据被测器件Tdut在所述探测电流下的饱和压降值和饱和压降温度系数来计算结温。
具体的，主回路电流为大电流，而探测电流为小电流，在冷却阶段对被测器件通入探测电流就是为了计算结温。被测器件在探测电流下的饱和压降值可直接采样得到。而被测器件在探测电流下的饱和压降温度系数是在对被测器件循环加热和冷却前事先获取得到的，其获取方式如下：将被测器件放入控温箱中，给被测器件通入一定电流，并保持被测器件处于常通状态，将控温箱温度设定到一定值并加热较长时间，从而保证被测器件结温与控温箱的温度一致，改变控温箱的温度即可改变被测器件结温；在固定电流下，被测器件的饱和压降与结温成线性关系，测量设定温度下被测器件的饱和压降，即可得到其饱和压降温度系数。
除此之外，也可以通过将被测器件安装在控温板(内部流体变温度)上来获取被测器件在探测电流下的饱和压降温度系数，该系数获取方式较多，此处不再一样列举。
下面，以所述开关器件为主开关T1，所述感性器件为电感L为例，如图3所示，来说明引入探测电流产生电路后的测试原理：
在加热阶段，主开关T1保持常通，被测器件Tdut高频通断；在冷却阶段，控制主开关T1保持常断，被测器件Tdut保持常通。主开关T1和被测器件Tdut的通断时序如图4所示。
其中，当主开关T1和被测器件Tdut均导通时，对应的电流路径如图5a所示，直流电源输出的主回路电流经电感L通入被测器件Tdut，同时由于此时被测器件Tdut两端压降较低，所以探测电流也注入被测器件Tdut中，但其电流幅值较小，加热效果相比主回路电流可忽略不计。
当主开关T1导通而被测器件Tdut关断时，对应的电流路径如图5b所示：电感L电流通过续流回路续流，防止下次被测器件Tdut开通后电流持续上升，同时由于探测电流产生电路上设置有防能量倒灌器件，所以防止了被测器件Tdut关断时，电感L电流流入探测电流产生电路造成探测电流产生电路中器件损坏。
当主开关T1关断而被测器件Tdut导通时，对应的电流路径如图5c所示：探测电流产生电路向被测器件Tdut注入探测电流。
电感L电流和被测器件Tdut电流波形如图6所示。可以看出，当被测器件Tdut导通时，Tdut电流和电感L电流同时上升，实际上Tdut电流会略大一些，是因为其中含有探测电流分量。当被测器件Tdut关断时，Tdut电流下降为0，而电感L电流开始通过续流电路续流，其电流值在被测器件Tdut关断的间隙衰减到上升前相同幅值。
可选的，主开关T1可采用IGBT，但并不局限。
可选的，在上述公开的任一实施例中，如图7所示，所述直流电源包括电容Cbus，用于模拟实际电路的直流母线电容；电容Cbus电压Ubus由前级电路提供。
可选的，在上述公开的任一实施例中，仍参见图7，所述续流回路包括相串联的二极管D和电阻R。
可选的，在上述公开的任一实施例中，电感L模拟实际电路的感性负载，二极管D使得被测器件导通时含有二极管恢复电流分量，更加接近被测器件在变流器中工作的实际情况。
可选的，在上述公开的任一实施例中，所述探测电流产生电路包括相串联的电压源、防能量倒灌器件和限流器件。仍参见图7，所述电压源用Us进行标识，防能量倒灌器件例如为防倒灌二极管Ds，所述限流器件例如为限流电阻Rs。
或者，所述探测电流产生电路包括相串联的电流源、防能量倒灌器件和第二开关单元，第二开关单元与所述第一开关单元的开关时序互补。参见图8，所述电流源用Is进行标识，防能量倒灌器件例如为防倒灌二极管Ds，所述第二开关单元例如为开关管Ts。由于电感L在工作时也等效为电流源，无法与探测电流产生电路中的电流源Is进行串联，所以需要用Ts和Ds使其在电感L工作时脱离主回路。
可选的，在上述公开的任一实施例中，所述测试电路还包括：被测器件的驱动电路，用于改变被测器件的门极电阻阻值大小，从而调节被测器件的通断过程，改变被测器件的加热效率。
此外，与上述方法实施例相对应的，本发明实施例还公开了一种功率半导体器件功率循环测试方法，应用于测试电路；所述测试电路的主回路上串联有直流电源、第一开关单元、感性器件和被测器件，所述测试电路还包括所述感性器件的续流回路；
所述方法包括：控制所述第一开关单元循环通断，并且在所述第一开关单元开通期间控制被测器件循环通断，在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定。
可选的，所述测试电路还包括：与被测器件相并联的探测电流产生电路；所述探测电流产生电路用于在被测器件导通时通入探测电流，同时所述探测电流产生电路上还设置有防能量倒灌器件；
所述在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定，如图9所示，具体包括：
步骤S01：确定被测器件在所述探测电流下的饱和压降温度系数；
步骤S02：在所述第一开关单元关断期间控制被测器件保持常通，获取被测器件在所述探测电流下的饱和压降值；
步骤S03：根据被测器件在所述探测电流下的饱和压降值和饱和压降温度系数来计算结温，通过冷却***对被测器件进行冷却以使其结温波动符合规定。
可选的，直至被测器件失效或者达到失效判定标准或者完成要求的功率循环次数时，结束测试。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (11)
1.一种功率半导体器件功率循环测试***，其特征在于，包括：测试电路和控制器；所述测试电路的主回路上串联有直流电源、第一开关单元、感性器件和被测器件，所述测试电路还包括所述感性器件的续流回路；
所述控制器，用于控制所述第一开关单元循环通断，并且在所述第一开关单元开通期间控制被测器件循环通断，在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定。
2.根据权利要求1所述的功率半导体器件功率循环测试***，其特征在于，被测器件的结温测量基于所述控制器和探测电流产生电路得到；
所述探测电流产生电路并联在被测器件上，用于在被测器件导通时通入探测电流，同时所述探测电流产生电路上还设置有防能量倒灌器件；
所述控制器具体用于在所述第一开关单元关断期间控制被测器件保持常通，根据被测器件在所述探测电流下的饱和压降值和饱和压降温度系数来计算结温。
3.根据权利要求2所述的功率半导体器件功率循环测试***，其特征在于，所述探测电流产生电路包括相串联的电压源、防能量倒灌器件和限流器件。
4.根据权利要求2所述的功率半导体器件功率循环测试***，其特征在于，所述探测电流产生电路包括相串联的电流源、防能量倒灌器件和第二开关单元，所述第二开关单元与所述第一开关单元的开关时序互补。
5.根据权利要求1所述的功率半导体器件功率循环测试***，其特征在于，所述续流回路包括相串联的二极管和电阻。
6.根据权利要求1所述的功率半导体器件功率循环测试***，其特征在于，所述直流电源的输出电压等于被测器件实际工作时要承受的直流母线电压大小。
7.根据权利要求1所述的功率半导体器件功率循环测试***，其特征在于，所述感性器件的感值大小等于被测器件实际工作时电路中的感性负载大小。
8.根据权利要求1所述的功率半导体器件功率循环测试***，其特征在于，所述测试电路还包括：被测器件的驱动电路，用于改变被测器件的门极电阻阻值大小，从而调节被测器件的通断过程，改变被测器件的加热效率。
9.一种功率半导体器件功率循环测试方法，其特征在于，应用于测试电路；所述测试电路的主回路上串联有直流电源、第一开关单元、感性器件和被测器件，所述测试电路还包括所述感性器件的续流回路；
所述方法包括：控制所述第一开关单元循环通断，并且在所述第一开关单元开通期间控制被测器件循环通断，在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定。
10.根据权利要求9所述的功率半导体器件功率循环测试方法，其特征在于，所述测试电路还包括：与被测器件相并联的探测电流产生电路；所述探测电流产生电路用于在被测器件导通时通入探测电流，同时所述探测电流产生电路上还设置有防能量倒灌器件；
所述在所述第一开关单元关断期间通过冷却***对被测器件进行冷却，以使被测器件的结温波动符合规定，具体包括：
确定被测器件在所述探测电流下的饱和压降温度系数；
在所述第一开关单元关断期间控制被测器件保持常通，获取被测器件在所述探测电流下的饱和压降值；
根据被测器件在所述探测电流下的饱和压降值和饱和压降温度系数来计算结温，通过冷却***对被测器件进行冷却以使其结温波动符合规定。
11.根据权利要求9所述的功率半导体器件功率循环测试方法，其特征在于，直至被测器件失效或者达到失效判定标准或者完成要求的功率循环次数时，结束测试。
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