CN102654557B - 一种绝缘栅双极型晶体管性能退化试验方法 - Google Patents

一种绝缘栅双极型晶体管性能退化试验方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于测试技术领域，涉及一种绝缘栅双极型晶体管性能退化试验方法。该方法以绝缘栅双极型晶体管为对象，利用程控脉冲发生器、程控电子开关、程控数字万用表、功率电阻、工作电阻和直流电源，通过短路电流冲击，得到不同短路电流值下的绝缘栅双极型晶体管导通饱和电压随短路电流冲击次数的偏移值，以此作为绝缘栅双极型晶体管的性能退化数据。该方法可以在较短的时间里获得准确的绝缘栅双极型晶体管由于短路电流所造成的性能退化数据，利用此数据可以准确预测绝缘栅双极型晶体管在使用过程中的失效时间，以便在绝缘栅双极型晶体管失效前及时采取措施防止由于绝缘栅双极型晶体管失效而产生的严重故障，进而减少经济损失。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管性能退化试验方法
技术领域
本发明属于测试技术领域，涉及一种绝缘栅双极型晶体管性能退化试验方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gated Bipolar Transistor，IGBT)，，是由双极型三极管(BJT)和绝缘栅型场效应管(MOS)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有高输入阻抗和低导通压降两方面的优点。鉴于IGBT的以上特点，IGBT在高压、大电流、高速三方面是其他功率器件不能比拟的，因而是电力电子领域理想的开关器件，常用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等方面。
然而在实际应用中，IGBT常会受到过电压冲击、短路电流冲击、热应力循环、静电发生性能退化，最终导致器件失效。IGBT发生短路电流冲击时，IGBT内部电场重新分布，使得IGBT载流子迁移率产生严重的退化，导致N-沟道电阻增加，从而增加通态压降，而这种退化具有累积效应，当退化累积超过损伤容限时IGBT便发生失效。
目前，国内外对IGBT性能退化试验的研究较少，尚没有形成合理的、操作性强的IGBT性能退化试验方法。本试验方法可以在较短的时间里获得准确的绝缘栅双极型晶体管由于短路电流所造成的性能退化数据，利用此数据可以准确预测绝缘栅双极型晶体管在使用过程中的失效时间，以便在绝缘栅双极型晶体管失效前及时采取措施防止由于绝缘栅双极型晶体管失效而产生的严重故障，进而减少经济损失。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够更快、更准确获取绝缘栅双极型晶体管性能退化数据的性能退化试验方法，用于快速、准确的构建绝缘栅双极型晶体管性能退化模型，实现相关产品的健康监控。本发明的技术解决方案是，试验方法包括如下步骤，
(一)搭建试验装置
试验装置包括程控脉冲发生器、绝缘栅双极型晶体管试验电路板、程控电子开关A、程控电子开关B、程控数字万用表、功率电阻R功率、工作电阻R工作和直流电源，功率电阻R功率和工作电阻R工作并联后，一端与被测绝缘栅双极型晶体管T的集电极相接，另一端通过直流电源与绝缘栅双极型晶体管T的发射极相接，程控电子开关A与功率电阻R功率串联，程控电子开关B与工作电阻R工作串联；程控数字万用表的正端与绝缘栅双极型晶体管T的集电极相接，程控数字万用表的负端与绝缘栅双极型晶体管T的发射极相接；程控脉冲发生器通过绝缘栅双极型晶体管T试验电路板上的驱动模块与绝缘栅双极型晶体管T的栅极相接，并使程控脉冲发生器发出高电平绝缘栅双极型晶体管T导通，程控脉冲发生器发出低电平绝缘栅双极型晶体管闭合；
(二)设置试验装置参数
确定绝缘栅双极型晶体管的短路电流值I短路i(i＝1，2，...，n)，I短路i的取值范围为：
1.2×IMax≤I短路i≤2.5×IMax(1)
其中，IMax为被测绝缘栅双极型晶体管集电极-发射极最大正向电流；
利用公式：
确定功率电阻值R功率、直流电源输出电压V直流电源；
设置程控脉冲发生器参数：占空比＜0.5、脉冲宽度＜2ms及脉冲个数m为1～5个；
根据被测绝缘栅双极型晶体管T的实际工况，确定工作电阻R工作值；
(三)绝缘栅双极型晶体管的导通饱和电压的测试流程如下：
(1)在保证程控电子开关A和程控电子开关B均处于断开状态下，给绝缘栅双极型晶体管T试验电路板供电，启动试验装置；
(2)闭合程控电子开关B；
(3)用程控数字万用表DMM记录工作回路下绝缘栅双极型晶体管T的导通饱和电压值VCE_Normal；
(4)先断开程控电子开关B，再闭合程控电子开关A；
(5)程控脉冲发生器输出一组脉冲波形；
(6)先断开程控电子开关A，再闭合程控电子开关B；
(7)用程控数字万用表DMM记录绝缘栅双极型晶体管的导通饱和电压值VCE1，通过公式VCE_P＝|VCE1-VCE_Normal|计算导通饱和电压偏移值VCE_P；
(8)断开程控电子开关B；
(9)重复(2)～(8)，重复间隔时间为2分钟，由于试验中导通饱和电压偏移呈现一定的波动性，为了得到真实的退化规律，当VCE_P为180mV～230mv时，停止试验，得到在短路电流I短路i冲击下，导通饱和电压偏移值与冲击次数的关系数组
(10)调换同一型号的被测绝缘栅双极型晶体管，调整直流电源输出电压，进而调整绝缘栅双极型晶体管的短路电流为其它值，且调整后的短路电流值在满足公式(1)的要求，重复(1)～(9)，得到另一个导通饱和电压偏移值与冲击次数的关系数组；
(11)重复(1)～(10)步聚，得到一组 以任意一个为输入，通过多项式拟合得出相应的曲线模型，此模型为短路电流I短路i下的绝缘栅双极型晶体管性能退化模型。
所述的试验实施装置中的程控脉冲发生器、程控电子开关A、程控电子开关B、程控数字万用表DMM均由计算机进行控制。
本发明具有的优点和有益效果，本试验方法可以在较短的时间里获得准确的绝缘栅双极型晶体管由于短路电流所造成的性能退化数据，以该数据为基础，通过多项式拟合得到的性能退化模型可以准确预测绝缘栅双极型晶体管在实际使用过程中的失效时间，以便在绝缘栅双极型晶体管失效前及时采取措施防止由于绝缘栅双极型晶体管失效而产生的严重故障，进而减少经济损失。
本试验方法中试验装置结构简单、成本低，有效保证了试验的经济性。
本试验方法中试验装置参数取值范围科学合理，能够保证试验期间绝缘栅双极型晶体管失效机理不发生改变，从而保证了试验数据的有效性。
本试验方法中绝缘栅双极型晶体管导通饱和电压的测试流程完整有效且可操作性强，能够保证试验质量和试验安全性。
本试验方法由于采用可编程试验装置，并利用计算机对其进行操控，因此能够实现对试验的精确控制，能够实现在无人职守的情况下进行性能退化试验，一方面保证了试验数据的准确性，另一方面保证了试验的效率。
本试验方法可操作性，试验费用小，试验周期短，可作为绝缘栅双极型晶体管相关产品健康监控设计的一个关键环节，可以提高健康监控设计的有效性和经济性，进而可以有效提高相关产品的可靠性、维修性和安全性。
附图说明
图1IGBT试验装置示意图；
图2在13.5A短路电流冲击下的GT5J301导通饱和电压偏移曲线；
图3在14A短路电流冲击下的GT5J301导通饱和电压偏移曲线；
图4在14.5A短路电流冲击下的GT5J301导通饱和电压偏移曲线；
图5在13.5A、14A和14.5A短路电流冲击下的GT5J301导通饱和电压偏移拟合曲线。
具体实施方式
以型号为GT5J301的绝缘栅双极型晶体管为试验对象，其集电极-发射极最大正向电流为10A。试验过程如下：
(1)搭建试验装置；
(2)设置程控脉冲发生器参数为占空比0.2、脉冲宽度1ms、脉冲个数1；设定短路电流为13.5A，选择2欧姆1000W的功率电阻，工作电阻1000欧姆，设置直流电源输出电压为27V。
(3)在保证程控电子开关A和程控电子开关B均处于断开状态下，给绝缘栅双极型晶体管试验电路板供电，开启直流电源；
(4)闭合程控电子开关B；
(5)用程控数字万用表记录工作回路下绝缘栅双极型晶体管的导通饱和电压值1.245V；
(6)先断开程控电子开关B，再闭合程控电子开关A；
(7)程控脉冲发生器输出1个脉冲波形；
(8)先断开程控电子开关A，再闭合程控电子开关B；
(9)用程控数字万用表记录GT5J301绝缘栅双极型晶体管导通饱和电压值1.246V，计算导通饱和电压偏移值0.001V；
(10)断开程控电子开关B；
(11)重复(4)～(10)，重复间隔时间为2分钟，当GT5J301绝缘栅双极型晶体管通饱和电压偏移值超过180mV时停止，得到短路电流为13.5A下的导通饱和电压偏移值与冲击次数的关系数组VCE_P_13.5A，关系数组图如图2所示；
(12)调换同一型号的被测绝缘栅双极型晶体管，将直流电源输出电压分别设为28V、29V，进而产生不同大小的短路电流14A、14.5A，重复(3)～(11)，得到VCE_P_14A和VCE_P_14.5A，其对应的关系数组图如图3、图4所示；
(13)以VCE_P_13.5A、VCE_P_14A、VCE_P_14.5A为输入，通过多项式拟合得出GT5J301在13.5A、14A和14.5A冲击下的导通饱和电压偏移曲线模型，即性能退化模型，如图5所示。

Claims (2)

1.一种绝缘栅双极型晶体管性能退化试验方法，其特征是，试验方法包括如下步骤，
(一)搭建试验装置
试验装置包括程控脉冲发生器、绝缘栅双极型晶体管试验电路板、程控电子开关A、程控电子开关B、程控数字万用表、功率电阻R功率、工作电阻R工作和直流电源，功率电阻R功率和工作电阻R工作并联后，一端与被测绝缘栅双极型晶体管的集电极相接，另一端通过直流电源与绝缘栅双极型晶体管的发射极相接，程控电子开关A与功率电阻R功率串联，程控电子开关B与工作电阻R工作串联；程控数字万用表的正端与绝缘栅双极型晶体管的集电极相接，程控数字万用表的负端与绝缘栅双极型晶体管的发射极相接；程控脉冲发生器通过绝缘栅双极型晶体管试验电路板上的驱动模块与绝缘栅双极型晶体管的栅极相接，并使程控脉冲发生器发出高电平绝缘栅双极型晶体管导通，程控脉冲发生器发出低电平绝缘栅双极型晶体管闭合；
(二)设置试验装置参数
确定绝缘栅双极型晶体管的短路电流值I短路i(i＝1,2,...,n)，I短路i的取值范围为：
1.2×IMax≤I短路i≤2.5×IMax(1)
其中，IMax为被测绝缘栅双极型晶体管集电极-发射极最大正向电流；
利用公式：
确定功率电阻值R功率、直流电源输出电压V直流电源；
设置程控脉冲发生器参数：占空比<0.5、脉冲宽度<2ms及脉冲个数m为1～5个；
根据被测绝缘栅双极型晶体管的实际工况，确定工作电阻R工作值；
(三)绝缘栅双极型晶体管的导通饱和电压的测试流程如下：
(1)在保证程控电子开关A和程控电子开关B均处于断开状态下，给绝缘栅双极型晶体管试验电路板供电，启动试验装置；
(2)闭合程控电子开关B；
(3)用程控数字万用表记录工作回路下绝缘栅双极型晶体管的导通饱和电压值VCE_Normal；
(4)先断开程控电子开关B，再闭合程控电子开关A；
(5)程控脉冲发生器输出一组脉冲波形；
(6)先断开程控电子开关A，再闭合程控电子开关B；
(7)用程控数字万用表记录绝缘栅双极型晶体管的导通饱和电压值VCE1，通过公式VCE_P＝|VCE1-VCE_Normal|计算导通饱和电压偏移值VCE_P；
(8)断开程控电子开关B；
(9)重复(2)～(8),重复间隔时间为2分钟，由于试验中导通饱和电压偏移呈现一定的波动性，为了得到真实的退化规律，当VCE_P为180mV～230mv时，停止试验，得到在短路电流I短路i冲击下，导通饱和电压偏移值与冲击次数的关系数组
(10)调换同一型号的被测绝缘栅双极型晶体管，调整直流电源输出电压，进而调整绝缘栅双极型晶体管的短路电流为其它值，且调整后的短路电流值在满足公式(1)的要求，重复(1)～(9)，得到另一个导通饱和电压偏移值与冲击次数的关系数组；
(11)重复(1)～(10)步聚，得到一组以任意一个为输入，通过多项式拟合得出相应的曲线模型，此模型为短路电流I短路i下的绝缘栅双极型晶体管性能退化模型。
2.根据权利要求1所述一种绝缘栅双极型晶体管性能退化试验方法，其特征是，所述的程控脉冲发生器、程控电子开关A、程控电子开关B、程控数字万用表均由计算机进行控制。
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