CN101762778A - 一种功率模块测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

一种功率模块测试系统及其测试方法，包括示波器，万用表，电流探头，电感，脉冲发生器，驱动模块，高压电源，低压电源，低压电源为脉冲发生器和驱动模块提供电源，高压电源为被试的IGBT功率模块的电容充电，示波器对IGBT功率模块的电压，电流波形进行采集，电感通过电流探头连接于IGBT功率模块的C极和E极之间，电流波形通过电流探头传送到示波器上，万用表对IGBT功率模块的输入电压进行监测。利用充电后电容内的电量进行功率模块测试，利用电感负载对变化电流具有阻碍作用的特性对IGBT功率模块中的二极管续流能力进行测试。本发明不仅能够降低所需供电电源的容量，节约了成本，而且提高了测试的覆盖率。

Description

一种功率模块测试系统及其测试方法

技术领域

本发明涉及一种应用于功率半导体领域的功率模块测试系统及其测试方法，尤其是一种应用于IGBT功率模块性能参数测试的斩波测试系统及其测试方法，该系统和方法也可用于功率半导体领域其他类似功率模块性能参数的测试。

背景技术

目前变流产品模块种类多，测试方法多样，传统的测试方法采用持续斩波试验方法来对功率器件进行测试，此方法采用电阻负载，斩波试验过程中，电源需要持续给支撑电容充电，通过控制单元持续给被测开关器件的驱动电路提供连续脉冲信号，以此来驱动开关器件导通关断，从而检测开关器件截止电压与导通电流等一系列关键性能指标。此方法需要持续供电，故所需电源容量较大，采购电源的成本较高。控制单元提供的脉冲为连续固定脉宽，无法进行调节，可兼容性差，且电阻负载由于无储能功能。这样造成产品的测试速度慢，测试效率不高，在大批量生产中，无法符合速度快低成本的要求，而且此类测试方法没有对开关器件续流二极管的续流能力进行考核，对开关器件的过流能力以及过流保护功能缺乏考核。

以往的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)功率模块使用的持续斩波试验系统具有一定的局限性，如没有对开关器件续流二极管的续流能力进行考核，对开关器件的过流能力以及过流保护功能也缺乏考核。此外由于该测试系统需要长时间占用测试台电源负载，降低了试验效率，而且所需电源功率较大，负载电阻不方便调节等缺点。造成试验场地灵活性差，且试验成本费用较高。

发明内容

本发明的目的在于针对现有功率模块测试系统和测试方法考核器件性能不全面、测试成本高、灵活性差等缺点，提供一种测试覆盖率高、测试成本低和灵活性高的功率模块测试系统及其测试方法。

按照本发明，上述技术问题是通过下述技术方案来实现的：

一种功率模块测试系统，包括示波器，万用表，电流探头，电感，脉冲发生器，驱动模块，高压电源，低压电源，低压电源为脉冲发生器和驱动模块提供电源，高压电源为被试的IGBT功率模块中的电容充电，示波器对IGBT功率模块的电压，电流波形进行采集，电感通过电流探头连接于IGBT功率模块的C极(集电极)和E极(发射极)之间，电流波形通过电流探头传送到示波器上，万用表对IGBT功率模块的输入电压进行监测。

作为进一步的实施方式，脉冲发生器进一步包括脉冲形成电路，电源电路和复位电路，电源电路为反馈电路和脉冲形成电路提供电源，复位电路为反馈电路和脉冲形成电路中的触发器进行清零复位。

作为进一步的实施方式，脉冲发生器进一步包括反馈电路，反馈电路与脉冲形成电路相连，当IGBT功率模块出现异常，发出封锁脉冲信号，封锁脉冲信号关断IGBT功率模块中的功率元件。

作为进一步的实施方式，封锁脉冲信号经过光电耦合器隔离，送入D触发器产生一高电平信号来封锁脉冲信号的形成。

作为进一步的实施方式，脉冲发生器进一步包括D触发器和单稳态触发器，脉冲发生器手动给D触发器一脉冲信号，D触发器产生的一个低脉冲信号再给双可重触发的单稳态触发器产生脉冲波形。

作为进一步的实施方式，复位电路进一步包括上电复位电路和手动复位电路，上电复位电路对D触发器和单稳态触发器进行清零复位，手动复位电路为D触发器进行清零复位，做好产生下一脉冲的准备。

一种利用所述功率模块测试系统对功率模块进行测试的方法，包括以下步骤：

(1)将高压电源、被试IGBT功率模块、示波器、万用表、电流探头、电感、驱动模块、脉冲发生器、低压电源进行连接；

(2)考核IGBT1，负载电感采用(B)方式连接N点，考核IGBT2，负载电感采用(A)方式连接P点；

(3)通过低压电源为脉冲发生器提供5V电源，为驱动模块提供5V和±15V电源；

(4)通过高压电源为被试IGBT功率模块中的电容充电，并用万用表进行监测，充到一定电压值后，断开高压电源的输出；

(5)通过脉冲发生器产生脉冲，经过驱动模块放大控制被试IGBT功率模块中的功率开关器件IGBT1和IGBT2的通断，通过示波器对被试IGBT功率模块的电压、电流波形进行采集；

(6)根据示波器采集到的被试IGBT功率模块的电压、电流波形进行分析，以确认IGBT功率模块是否满足器件技术参数要求。

作为进一步的实施方式，功率模块测试步骤进一步包括根据IGBT功率模块包括额定工作电压和电流在内的技术参数确定负载的电感的取值和脉冲发生器产生控制信号的脉宽值。

作为进一步的实施方式，功率模块测试步骤进一步包括利用充电后电容内的电量进行功率模块测试，利用电感负载对变化电流具有阻碍作用的特性对IGBT功率模块中的二极管续流能力进行测试。

作为进一步的实施方式，功率模块测试步骤进一步包括分别对IGBT功率模块中同一桥臂上的上、下管功率器件IGBT1和IGBT2的门极提供两个不同脉冲宽度可调的脉冲，测量并记录上管和下管功率器件第一个脉冲关断时C极与E极间ΔVDM、VD1的电压值和第二个脉冲打开时下管和上管功率器件C极与E极间VRS、VD2的电压值。

通过应用此种实施方式所描述的系统和方法，能够大大降低所需供电电源的容量，节约成本，提高了测试过程中对器件性能考察的全面性。可适用于不同型号的功率器件，电感负载自制，可降低测试成本，灵活性更高。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的功率模块测试系统的结构组成框图；

图2为本发明一种实施方式的功率模块测试系统脉冲发生器电源电路部分的电路原理图；

图3为本发明一种实施方式的功率模块测试系统脉冲发生器上电复位电路部分的电路原理图；

图4为本发明一种实施方式的功率模块测试系统脉冲发生器手动复位电路部分的电路原理图；

图5为本发明一种实施方式的功率模块测试系统脉冲发生器脉冲形成电路电路部分的电路原理图；

图6为本发明一种实施方式的功率模块测试系统脉冲发生器反馈电路部分的电路原理图；

图7为本发明一种实施方式的功率模块测试系统脉冲发生器部分的结构组成框图；

其中：1-IGBT功率模块，2-示波器，3-万用表，4-电流探头，5-电感，6-脉冲发生器，7-驱动模块，8-高压电源，9-电容，10-低压电源，11-反馈电路，12-脉冲形成电路，13-电源电路，14-复位电路，IGBT1-上管功率器件，IGBT2-下管功率器件，IC3-D触发器，IC4、IC5-单稳态触发器，PC2-光电耦合器。

具体实施方式：

附图给出了本发明的具体实施例，下面将通过附图和实施例对本发明作进一步的描述。

作为该功率模块测试系统一种较佳的实施方式，如图1所示的功率模块测试系统包括：

示波器2，万用表3，电流探头4，电感5，脉冲发生器6，驱动模块7，高压电源8，低压电源10，脉冲发生器6产生宽度可变的脉冲，经过驱动模块7放大控制功率开关器件IGBT的通断，以控制IGBT功率模块1输出电压和电流，以达到考核功率器件性能的目的。低压电源10给脉冲发生器6提供5V电源，为驱动模块7提供5V、±15V电源。高压电源8用于给被试的IGBT功率模块1的电容9充电。电感5通过电流探头4串联连接于IGBT功率模块1的C极和E极之间。示波器2对IGBT功率模块1的电压、电流波形进行采集，电流波形通过电流探头4传送到示波器2上。万用表3对IGBT功率模块1的输入电压进行监测。负载电感5的大小应根据考核功率器件的性能参数进行选择。

如图1中所示的被试IGBT功率模块1包括IGBT1和IGBT2，即上管功率器件和下管功率器件。它通过脉冲发生器6将控制信号转变为宽度可变的脉冲，且用此脉冲控制IGBT功率模块1中的功率开关元件的通断，以控制模块输出电压和电流，以达到考核功率器件性能的目的。所有台式仪器都采用精度等级，稳定性非常高的仪器，最大程度上保证整个系统的可靠性和精度。

如图2至图7所示，下面对功率模块测试系统的脉冲发生器6进行详细介绍。如图7所示的脉冲发生器部分结构组成框图，脉冲发生器6包括：反馈电路11，脉冲形成电路12，电源电路13和复位电路14。其中：

如图2脉冲发生器电源电路部分的电路原理图所示，电源电路13包括两个电源模块，即5V电源模块和15V电源模块。由交流220v/50HZ为两电源模块提供输入，一个电源模块输出5V/1A直流电压，为芯片提供工作电源；另一模块输出15V/1A直流电压，为波形输出转化成所需的工作电压。

如图3和图4脉冲发生器复位电路部分的电路原理图所示，脉冲发生器6的复位电路14包括上电复位电路和手动复位电路，复位电路主要完成电路的清零复位。如图3所示的上电复位电路主要是对IC3 D触发器(74LS74)和IC4、IC5单稳态触发器(74LS123)进行清零复位。如图4所示的手动复位电路主要为IC3D触发器进行清零复位，做好产生下一脉冲的准备。

如图5脉冲发生器的脉冲形成电路部分的电路原理图所示，脉冲发生器6是由手动给IC3D触发器CLK(3)端一脉冲信号，产生的一个低脉冲信号再给IC4双可重触发的单稳态触发器(74LS123)产生所需脉冲波形。该双可重触发的单稳态触发器基本原理是利用电阻、电容的充放电延时特性对充放电电压检测的功能，实现定时或延时，只需按需要灵活改变电阻、电容值大小，就可以取得在一定时间范围的定时或延时脉冲输出。双可重触发的单稳态74LS123的逻辑符号及功能表如下，其RC COM(7，15)和CTC端(6，14)接定时的电阻和电容，即决定触发后Q端产生的单脉冲宽度。CLR(3，11)是低电平复零，不作复零时为高电平。TRA(1，9)是下降沿触发输入端，通过A用负脉冲触发，不用时保持高电平。TRB(2，10)是上升沿触发输入端，通过B用正脉冲触发，不用时置低。Q(5，13)与Qbar(4，12)分别输出正负定时或延时单脉冲。

如图6脉冲发生器反馈电路部分的电路原理图所示，当IGBT功率模块1出现异常，发出FO信号时，经过光耦PC2隔离，送入D触发器IC3产生一高电平信号来封锁脉冲信号的形成。

作为该功率模块测试方法一种较佳的实施方式，本发明利用充电后电容内的电量进行斩波试验，大大降低所需供电电源的容量，节约了测试系统的成本，电感负载自制，可降低测试成本，灵活性更高，电感量可根据公式L＝V×t/希望电流值进行计算(其中t为功率器件导通时间，V为切换时的负荷电压)。利用电感负载对变化电流具有阻碍作用的特性对二极管的续流能力进行了考核，提高了测试覆盖率。

本发明所述的功率模块测试方法包括以下步骤：

1、根据图1功率模块测试系统的结构组成框图，将高压电源8、被试IGBT功率模块1、示波器2、万用表3、电流探头4、电感5、驱动模块7、脉冲发生器6、低压电源10进行连接；

2、考核IGBT1，负载电感5采用(B)方式连接N点，考核IGBT2，负载电感5采用(A)方式连接P点；

3、通过低压电源10为脉冲发生器6提供5V电源，为驱动模块7提供5V和±15V电源；

4、通过高压电源8为被试IGBT功率模块1中的电容9充电，并用万用表3进行监测，充到一定电压值后，断开高压电源8的输出；

5、通过脉冲发生器6产生脉冲，经过驱动模块7放大控制被试IGBT功率模块1中的功率开关器件IGBT1和IGBT2的通断，通过示波器2对被试IGBT功率模块的电压、电流波形进行采集；

6、根据示波器2采集到的被试IGBT功率模块1的电压、电流波形进行分析，以确认IGBT功率模块是否满足器件技术参数要求。

本发明首先根据考核IGBT功率模块的额定工作电压、电流等技术参数，确定负载电感值和控制信号的脉宽值。脉冲发生器通过调节脉宽满足不同功率器件技术参数要求，相对于固定的脉宽发生器具备灵活的特点。脉冲信号发生器由简单的硬件电路实现，相对于信号发生器又具备成本低，维护简单的特点。控制信号的脉宽通过调节脉冲发生器的电位器进行设定，脉冲发生器是功率器件的门极提供所需控制信号的设备。为验证变流产品模块上功率器件开关性能，需分别对同一桥臂上的上、下管功率器件的门极提供两个不同脉冲宽度(可调)的脉冲，测量并记录上管(下管)功率器件第一个脉冲关断时C极(集电极)与E(发射极)极间ΔVDM、VD1的电压值和第二个脉冲打开时下管(上管)功率器件C极与E极间VRS、VD2的电压值。VDM：关断尖峰电压；VD1：关断电压；VRS：反向恢复峰值电压；VD2：反向恢复电压。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域的普通技术人员可以在所附权利要求的范围内作出各种变形或修改。

Claims (10)

1.一种功率模块测试系统，其特征在于：包括示波器(2)，万用表(3)，电流探头(4)，电感(5)，脉冲发生器(6)，驱动模块(7)，高压电源(8)，低压电源(10)，低压电源(10)为脉冲发生器(6)和驱动模块(7)提供电源，高压电源(8)为被试的IGBT功率模块(1)的电容(9)充电，示波器(2)对IGBT功率模块(1)的电压和电流波形进行采集，电感(5)通过电流探头(4)连接于IGBT功率模块(1)的C极和E极之间，电流波形通过电流探头(4)传送到示波器(2)上，万用表(3)对IGBT功率模块(1)的输入电压进行监测。

2.根据权利要求1所述的一种功率模块测试系统，其特征在于：所述脉冲发生器(6)包括脉冲形成电路(12)，电源电路(13)和复位电路(14)，电源电路(13)为反馈电路(11)和脉冲形成电路(12)提供电源，复位电路(14)为反馈电路(11)和脉冲形成电路(12)中的触发器进行清零复位。

3.根据权利要求2所述的一种功率模块测试系统，其特征在于：所述脉冲发生器(6)包括反馈电路(11)，反馈电路(11)与脉冲形成电路(12)相连，当IGBT功率模块(1)出现异常，发出封锁脉冲信号，封锁脉冲信号关断IGBT功率模块(1)中的功率元件。

4.根据权利要求3所述的一种功率模块测试系统，其特征在于：所述封锁脉冲信号经过光电耦合器(PC2)隔离，送入D触发器(IC3)产生一高电平信号来封锁脉冲信号的形成。

5.根据权利要求2或3或4所述的一种功率模块测试系统，其特征在于：所述脉冲发生器(6)包括D触发器和单稳态触发器，脉冲发生器(6)手动给D触发器一脉冲信号，D触发器产生的一个低脉冲信号再给双可重触发的单稳态触发器产生脉冲波形。

6.根据权利要求5所述的一种功率模块测试系统，其特征在于：所述复位电路(14)包括上电复位电路和手动复位电路，上电复位电路对D触发器和单稳态触发器进行清零复位，手动复位电路为D触发器进行清零复位，做好产生下一脉冲的准备。

7.一种利用权利要求1所述的功率模块测试系统对功率模块进行测试的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将高压电源(8)、被试的IGBT功率模块(1)、示波器(2)、万用表(3)、电流探头(4)、电感(5)、驱动模块(7)、脉冲发生器(6)、低压电源(10)进行连接；

(2)考核上管功率器件(IGBT1)，负载电感(5)采用(B)方式连接N点，考核下管功率器件(IGBT2)，负载电感(5)采用(A)方式连接P点；

(3)通过低压电源(10)为脉冲发生器(6)和驱动模块(7)提供电源；

(4)通过高压电源(8)为被试IGBT功率模块(1)中的电容(9)充电，并用万用表(3)进行监测，充到一定电压值后，断开高压电源(8)的输出；

(5)通过脉冲发生器(6)产生脉冲，经过驱动模块(7)放大控制被试IGBT功率模块(1)中上管功率器件(IGBT1)和下管功率器件(IGBT2)的通断，通过示波器(2)对被试IGBT功率模块(1)的电压和电流波形进行采集；

(6)根据示波器(2)采集到的被试IGBT功率模块(1)的电压和电流波形进行分析，以确认IGBT功率模块(1)是否满足器件技术参数要求。

8.根据权利要求7所述的一种功率模块测试方法，其特征在于：所述步骤包括根据IGBT功率模块(1)包括额定工作电压和电流在内的技术参数确定负载的电感(5)的取值和脉冲发生器(6)产生控制信号的脉宽值。

9.根据权利要求7或8所述的一种功率模块测试方法，其特征在于：所述步骤包括利用充电后电容(9)内的电量进行功率模块测试，利用电感(5)负载对变化电流具有阻碍作用的特性对IGBT功率模块(1)中的二极管续流能力进行测试。

10.根据权利要求9所述的一种功率模块测试方法，其特征在于：所述步骤包括分别对IGBT功率模块(1)中同一桥臂上的上、下管功率器件(IGBT1，IGBT2)的门极提供两个不同脉冲宽度可调的脉冲，测量并记录上管和下管功率器件第一个脉冲关断时C极与E极间ΔVDM、VD1的电压值和第二个脉冲打开时下管和上管功率器件C极与E极间VRS、VD2的电压值。

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