CN104764988A - 一种功率器件的失效测试电路和失效测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率器件的失效测试电路和失效测试方法，该失效测试电路包括：第一开关，其与被测器件串联，并与被测器件共同构成第一导电支路；第二开关，其与第一导电支路并联；控制器，其与第一开关和第二开关连接，用于根据检测到的被测器件的状态信号闭合第一开关并断开第二开关，或断开第一开关并闭合第二开关。当被测功率器件失效时，该测试电路和方法能够及时地开启旁路以对电流进行疏导，从而避免被测器件在失效之后进一步遭受大电流的冲击。

Description

一种功率器件的失效测试电路和失效测试方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地说，涉及一种功率器件的测试电路和测试方法。

背景技术

作为一种功率半导体器件，绝缘栅双极型晶体管IGBT是一种可通过外部信号控制自身开通和关断的器件。所以在大功率电气、电力、电子领域，IGBT可以在电路中起开关作用。通过特定的配置，IGBT电路可以达到改变电流方向的作用。

与日常生活中所使用的普通电器开关相比，IGBT具有无触点、开通关断速度快、通流能力大以及耐受电压高的特点。无触点可以使使得IGBT在开关过程中没有电火花和机械振动产生。IGBT的开关频率可以从数千赫兹到数兆赫兹，这远非普通电器开关可比；IGBT的通流能力可以到数千安培，耐受电压可以达到数千伏，这样也就可以保证IGBT在电力系统、高压变频等领域的应用。

IGBT在自身流过大电流时，会因本身的通态阻抗而发热。当IGBT开通、关断时，由于高电压和大电流会有瞬时的重叠，因此也会产生热量。如果不能将热量有效散出，那么IGBT的温度就会逐渐上升，从而导致IGBT的温度超过极限温度而发生失效。IGBT的短路安全工作区和反偏安全工作区测就是将IGBT置于高压大电流的工作状态下，以测试其在恶劣的电路环境下工作的能力。然而现有的这些测试方法都是破坏性测试，一旦IGBT失效，芯片也将在测试过程中被烧毁。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种功率器件的失效测试电路，所述失效测试电路包括：

第一开关，其与被测器件串联，并与所述被测器件共同构成第一导电支路；

第二开关，其与所述第一导电支路并联；

控制器，其与所述第一开关和第二开关连接，用于根据检测到的被测器件的状态信号闭合所述第一开关并断开第二开关，或断开所述第一开关并闭合第二开关。

根据本发明的一个实施例，所述失效测试电路还包括第一负载电感和第一二极管，其中，所述第一负载电感连接在电源正极与所述第一导电支路之间，所述第一二极管与所述第一负载电感并联。

根据本发明的一个实施例，所述失效测试电路还包括第二负载电感和第二二极管，其中，所述第二负载电感连接在电源正极与所述第一导电支路之间，所述第二二极管反向连接在电源正负极之间。

根据本发明的一个实施例，所述控制器根据所述状态信号判断所述被测器件是否失效，如果被测器件失效，则断开所述第一开关并闭合第二开关。

根据本发明的一个实施例，所述控制器将所述状态信号与预设信号阈值进行匹配，如果匹配，则判断所述被测器件失效，否则判断所述被测器件没有失效。

根据本发明的一个实施例，所述状态信号包括被测器件两端的电压和/或流过被测器件的电流。

根据本发明的一个实施例，所述失效测试电路还包括：

电压变化率检测单元，其与所述被测器件连接，用于检测所述被测器件两端电压的变化率；和/或，

电流变化率检测单元，其与所述被测器件连接，用于检测流过所述被测器件的电流的变化率。

本发明还提供了一种功率器件的失效测试方法，所述失效测试方法包括：

导通第一导电支路或导通后断开所述第一导电支路，所述第一导电支路包括串联的被测器件和第一开关，检测所述被测器件的状态信号；

根据所述状态信号判断所述被测器件是否失效，并根据判断结果闭合所述第一开关并断开第二开关，或断开所述第一开关并闭合第二开关，所述第二开关与所述第一导电支路并联。

根据本发明的一个实施例，所述状态信号包括以下所列项中的任一项或几项：

被测器件两端的电压、被测器件两端的电压变化率、流过被测器件的电流、流过被测器件的电流变化率。

根据本发明的一个实施例，如果被测器件失效，则断开所述第一开关并闭合第二开关。

现有的功率器件测试电路对被测器件时，被测功率器件都会承受高压大电流。一旦被测器件失效，测试过程就不可逆且无法迅速有效中断，电容器或电感会继续通过被测器件放电，将被测芯片完全烧毁，破坏失效芯片的失效信息。而本发明所提供的测试电路通过实时监测被测器件的状态来判断被测器件是否发生失效。当被测器件失效时，测试电路能够及时地开启旁路以对电流进行疏导，从而避免被测器件在失效之后进一步遭受大电流的冲击。这样也就有效保护失效后的被测器件，保证了被测器件的失效信息不被损坏，为被测器件的失效研究提供了重要信息。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

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的附图做简单的介绍：

图1是现有的IGBT短路安全工作区测试电路的原理图；

图2是根据本发明一个实施例的IGBT短路安全工作测试电路的原理图；

图3是根据本发明一个实施例的短路安全工作区测试IGBT失效时芯片两端的电压及电流变化示意图；

图4是根据本发明一个实施例的短路安全工作区测试IGBT未失效时芯片两端的电压及电流变化示意图；

图5是现有的VDMOS雪崩能量测试电路的原理图；

图6是根据本发明一个实施例的VDMOS雪崩能量测试电路的原理图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

同时，在以下说明中，出于解释的目的而阐述了许多具体细节，以提供对本发明实施例的彻底理解。然而，对本领域的技术人员来说显而易见的是，本发明可以不用这里的具体细节或者所描述的特定方式来实施。

实施例一：

图1示出了现有的IGBT短路安全工作区测试电路的原理图。

如图1所示，现有的IGBT短路安全工作区测试电路包括电容器C1、寄生电感L1、二极管D1和D2、负载电感L2、控制器Vg以及串联在控制器Vg与IGBT栅极之间的电阻R1。

在测试的过程中，控制器Vg发出控制信号使得被测器件DUT(即待测IGBT)导通。由于电容C1就存储有极高的能量，其上下极板之间存在大电压，因此电容器C1将通过寄生电感L1、负载电感L2和IGBT DUT放电，并在放电回路中形成大电流。

如果IGBT的性能可靠，那么它就可以在一段时间内承受住高电压和大电流；而如果IGBT存在缺陷，那么其就会在该测试过过程中失效。而IGBT的这种失效一般是不可逆的，它会使得IGBT失去承受电压的能力，从而使得放电回路中的电流陡然增大。放电回路中陡然增大的电流很可能会使得IGBT损坏甚至烧毁。

从而上述描述中可以看出，利用现有的IGBT测试电路对被测器件进行测试时，被测器件会承受高电压和大电流。而一旦被测器件失效，那么测试过程将不可逆，从而损坏被测器件。

此外，IGBT的反偏安全工作区测试电路与IGBT的短路安全工作区测试电路的结构相同，其主要区别在于负载电感L2的取值大小不同。一般的，短路安全工作区的负载电感感值较小，而反偏安全工作区的电感感值较大。利用现有的IGBT的反偏安全工作区测试电路对IGBT进行测试时，也会损坏被测器件。

针对现有的IGBT测试电路的缺陷，本实施例提供了一种新的IGBT测试电路以及利用该电路对IGBT进行测试的方法，该测试电路在对被测器件(即IGBT)进行测试(例如短路安全工作区测试或反偏安全工作区测试等)时，通过检测被测器件的状态信号来判断被测器件是否失效，并在被测器件失效时开启旁路以疏导电流，从而被测器件在失效后进一步遭受大电流冲击。

图2示出了本实施例提供的IGBT测试电路的原理图。

如图2所示，本实施例所提供的IGBT测试电路包括电容器C1、负载电感L2、二极管D1、第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3和控制器201。其中，第一开关SW1与被测IGBT DUT串联形成第一导电支路202。第二开关SW2与第一导电支路202并联。负载电感L2与二极管D1并联并形成第二导电支路，第三开关SW3、第二导电支路和第一导电支路串联在电容器C1的正负极之间。

具体地，本实施例中，第一开关SW1、第二开关SW2和第三开关SW3均采用了能够承受高电压、大电流的IGBT来实现。第一开关SW1、第二开关SW2和第三开关SW3的栅极分别与控制器201的相应控制端口连接。第一开关SW1的源极与被测IGBT DUT的漏极连接，漏极与电容C1的负极连接。第二开关SW2的源极与被测IGBT DUT的源极连接，漏极与电容C1的负极连接。第三开关SW3的源极与电容C1的正极连接，负极与第二导电支路连接。

在对被测IGBT DUT进行测试前，控制器201首先输出相应的控制信号来使得第一开关SW1和第三开关SW3工作在导通状态，并使得第二开关SW2工作在关断状态。为保证测试时所有开关不会损坏，这三个开关均选用了额定电流很大的IGBT器件或者通过并联多个IGBT器件来实现。当然，在本发明的其他实施例中，第一开关SW1、第二开关SW2和/或第三开关SW3还可以采用其他合理的电路形式或元器件来实现，本发明不限于此。

在测试的过程中，控制器201会检测IGBT的状态信号，并根据该状态信号来判断被测IGBT是否失效。本实施例中，控制器201所检测的状态信号为流过IGBT DUT的电流。图3和图4分别示出了短路安全工作区测试IGBT失效和IGBT未失效时IGBT两端的电压及电流变化示意图。

如图3和图4所示，在测试过程中，如果被测IGBT DUT失效，那么流过其内部的电流将增大；而如果被测IGBT DUT没有失效，那么流过被测IGBT的电流将会保持稳定并在被测IGBT断开后降低。因此如果流过被测IGBT DUT的电流大于预设电流阈值，那么控制器201则会判断出此时被测IGBT DUT失效。

在正常的短路安全工作区测试过程中，由于关断过冲电压的存在，即使被测IGBT DUT没有失效，被测IGBT DUT在关断时也会形成上升的电流，而对于控制器201来说，这些信号是干扰信号，此时被测IGBT DUT并未失效。因此，为了确保判断结果的准确性，用于作为判断被测IGBT是否失效的基准的预设电流阈值可以根据被测IGBT的额定电流和额定耐压以及测试电路的实际情况来确定，例如在实际测试过程中，预设电流阈值设置为大于过冲电流的值。只有当流过被测IGBT的电流大于该预设电流阈值时，控制器201才会判断此时被测IGBT失效。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，控制器201还可以利用其他合理方式来判断被测IGBT是否失效，本发明不限于此。例如在本发明的一个实施例中，控制器201所检测的被测IGBT的状态信号还可以为被测IGBT DUT两端电压的电压变化率和/或流过被测IGBT DUT的电流的电流变化率。

例如，当被测IGBT DUT两端电压的电压变化率dv/dt的绝对值大于预设电压变化率阈值且/或流过被测IGBT DUT的电流的电流变化率di/dt大于预设电流变化率阈值时，控制器201则判断此时被测IGBT失效。其中，电压变化率dv/dt可以通过与被测器件连接的电压变化率检测单元来进行测量，而电流变化率di/dt则可以通过与被测器件连接的电流变化率检测单元来进行测量。当然，根据实际需要，还可以采用其他合理的方式来测量得到电压变化率dv/dt和电流变化率di/dt，本发明不限于此。

此外，在本发明的其他实施例中，控制器201所检测的状态信号既可以为以上所列项中的任一项或几项，也可以为其他未列出的合理参数，本发明同样不限于此。

当被测IGBT DUT发生失效，控制器201将发出控制信号来控制第一开关SW1断开并同时控制第二开关SW2导通。第三开关SW3一直处于导通状态。这样，当被测IGBT DUT发生失效时，第二开关SW2能够很快将短路电流旁路，从而形成对被测器件的保护。

经过一段时间(例如数微秒)的延迟后，电容C1内的电荷会通过第二开关SW2、第二导电支路和第三开关SW3构成的线路释放完毕。随后，控制器201再正常断开第二开关SW2和第三开关SW3。

当然，利用上述电流结构也可以实现对IGBT的反偏安全工作区的测试，其在电路中的主要区别在于负载电感L2的取值的不同，而测试的原理以及过程与对IGBT的短路安全区的测试相同，在此不再赘述。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，根据实际需要，第三开关SW3以及由负载电感L2和二极管D1构成的第二导电支路还可以有选择地进行配置，本发明不限于此。同时，在本发明的其他实施例中，测试电路还可以采用其他合理形式或元器件来提供电能，本发明同样不限于此。

实施例二：

常用的VDMOS的雪崩耐量测试电路如图5所示。该电路包括负载电感L2、续流二极管D。其中，负载二极管L2连接在电源Vdd与被测VDMOS的源极之间。续流二极管D的正极与被测VDMOS的漏极连接，负极与电源Vdd连接。

在测试的过程中，先将VDMOS导通，于是负载电感L2会被充电，其电流线性上升。在电感电流上升一段时间后，电感电流达到一定值时断开VDMOS，负载电感L2上会产生一个反激电压。该反激电压会将VDMOS击穿，然后与续流二极管D形成一个释放电感电荷的回路。此时，VDMOS上的电压会维持在击穿电压，而其电流会从关断之前的峰值电流逐渐减小。由于VDMOS此时也处于高压大电流状态，也容易被击穿，一旦被击穿，电感中剩余的能量形成的大电流会迅速将VDMOS芯片烧毁。

针对现有VDMOS测试电路的上述缺陷，本实施例提供了一种新的VDMOS测试电路以及利用该电路对VDMOS进行测试的方法，其中，测试电路的原理图如图6所示。

如图6所示，本实施例所提供的VDMOS测试电路包括第一开关SW1、第二开关SW2、控制器201、负载电感L2以及第二二极管D。其中，第一开关SW1与被测VDMOS DUT串联次形成第一导电支路202。第二开关SW2与第一导电支路202并联。负载电感L2与第一导电支路202串联在电源Vdd的正负极之间。

具体地，本实施例中，第一开关SW1、第二开关SW2均采用了能够承受高电压、大电流的VDMOS来实现。其中，第二开关SW2的电流承受能力比被测VDMOS大数倍。第一开关SW1、第二开关SW2和被测VDMOS的栅极分别与控制器201的相应控制端口连接。第一开关SW1的源极与被测VDMOS DUT的漏极连接，漏极与电源Vdd的负极(即GND)连接。第二开关SW2的源极与被测IGBT DUT的源极连接，漏极与第一开关SW1的漏极连接。

在对被测VDMOS DUT进行测试前，控制器201首先输出相应的控制信号来使的第一开关SW1工作在导通状态，并使得第二开关SW2工作在关断状态。此时负载电感L2会被充电，其电流线性上升。负载电感中的电流上升一端时间后，在电感电流达到一定值是控制器201向被测VDMOS发出控制信号使得VDMOS断开，此时负载电感L2上会产生一个反激电压。该反激电压会将VDMOS击穿，然后与第二二极管形成一个释放电感电荷的回路。

为保证测试时所有开关不会损坏，这两个开关均选用了额定电流很大的VDMOS器件或者通过并联多个VDMOS器件来实现。当然，在本发明的其他实施例中，第一开关SW1和/或第二开关SW2还可以采用其他合理的电路形式或元器件来实现，本发明不限于此。

在测试的过程中，控制器201会检测被测VDMOS的状态信号，并根据该状态信号来判断被测VDMOS是否失效。本实施例中，控制器201所检测的状态信号为流过VDMOS DUT的电流。如图6所示，在测试过程中，如果流过被测VDMOS DUT的电流大于预设电流阈值，那么控制器201则会判断出此时被测VDMOS DUT失效。

在正常的雪崩耐量测试过程中，由于关断过冲电压的存在，即使被测VDMOS DUT没有失效，被测VDMOS DUT在断开时也会形成上升的电流。因此，与实施例一类似的，本实施例中，控制器201在判断被测VDMOS是否失效时所依据的预设电流阈值也这设置为大于电压和过冲电流的值，确定这些阈值的原理以及过程与实施例一中相同，在此不再赘述。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，控制器201还可以利用其他合理方式来判断被测IGBT是否失效，本发明不限于此。例如在本发明的一个实施例中，控制器201所检测的被测VDMOS的状态信号还可以为被测VDMOS DUT两端电压的电压、被测VDMOS DUT两端电压的电压变化率和/或流过被测VDMOS DUT的电流的电流变化率。

当被测IGBT DUT两端电压的电压变化率dv/dt的绝对值大于预设电压变化率阈值且/或流过被测VDMOS DUT的电流的电流变化率di/dt大于预设电流变化率阈值时，控制器201则判断此时被测VDMOS失效。其中，电压变化率dv/dt可以通过与被测器件连接的电压变化率检测单元来进行测量，而电流变化率di/dt则可以通过与被测器件连接的电流变化率检测单元来进行测量，当然，根据实际需要，还可以采用其他合理的方式来测量得到电压变化率dv/dt和电流变化率di/dt，本发明不限于此。

此外，在本发明的其他实施例中，控制器201所检测的状态信号既可以为以上所列项中的任一项或几项，也可以为其他未列出的合理参数，本发明同样不限于此。

当被测IGBT DUT发生失效，控制器201将发出控制信号来控制第一开关SW1断开并同时控制第二开关SW2闭合。这样，当被测IGBT DUT发生失效时，第二开关SW2能够很快将电流旁路，从而形成对被测器件的保护。经过一段时间(例如数微秒)的延迟后，负载电感L2内的电荷会通过第二开关SW2和第二二极管D构成的线路释放完毕。

从上述描述中可以看出，现有的功率器件测试电路对被测器件时，被测功率器件都会承受高压大电流。一旦被测器件失效，测试过程就不可逆且无法迅速有效中断，电容器或电感会继续通过被测器件放电，将被测芯片完全烧毁，破坏失效芯片的失效信息。而本发明所提供的测试电路通过实时监测被测器件的状态来判断被测器件是否发生失效。当被测器件失效时，测试电路能够及时地开启旁路以对电流进行疏导，从而避免被测器件在失效之后进一步遭受大电流的冲击。这样也就有效保护失效后的被测器件，保证了被测器件的失效信息不被损坏，为被测器件的失效研究提供了重要信息。

应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。

说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。

为了方便，在此使用的多个项目、结构单元和/或组成单元可出现在共同列表中。然而，这些列表应解释为该列表中的每个元素分别识别为单独唯一的成员。因此，在没有反面说明的情况下，该列表中没有一个成员可仅基于它们出现在共同列表中便被解释为相同列表的任何其它成员的实际等同物。另外，在此还可以连同针对各元件的替代一起来参照本发明的各种实施例和示例。应当理解的是，这些实施例、示例和替代并不解释为彼此的等同物，而被认为是本发明的单独自主的代表。

虽然上述示例用于说明本发明在一个或多个应用中的原理，但对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的原理和思想的情况下，明显可以在形式上、用法及实施的细节上作各种修改而不用付出创造性劳动。因此，本发明由所附的权利要求书来限定。

Claims (10)

1.一种功率器件的失效测试电路，其特征在于，所述失效测试电路包括：

第一开关，其与被测器件串联，并与所述被测器件共同构成第一导电支路；

第二开关，其与所述第一导电支路并联；

控制器，其与所述第一开关和第二开关连接，用于根据检测到的被测器件的状态信号闭合所述第一开关并断开第二开关，或断开所述第一开关并闭合第二开关。

2.如权利要求1所述的失效测试电路，其特征在于，所述失效测试电路还包括第一负载电感和第一二极管，其中，所述第一负载电感连接在电源正极与所述第一导电支路之间，所述第一二极管与所述第一负载电感并联。

3.如权利要求1所述的失效测试电路，其特征在于，所述失效测试电路还包括第二负载电感和第二二极管，其中，所述第二负载电感连接在电源正极与所述第一导电支路之间，所述第二二极管反向连接在电源正负极之间。

4.如权利要求1～3中任一项所述的失效测试电路，其特征在于，所述控制器根据所述状态信号判断所述被测器件是否失效，如果被测器件失效，则断开所述第一开关并闭合第二开关。

5.如权利要求1～4中任一项所述的失效测试电路，其特征在于，所述控制器将所述状态信号与预设信号阈值进行匹配，如果匹配，则判断所述被测器件失效，否则判断所述被测器件没有失效。

6.如权利要求1～5中任一项所述的失效测试电路，其特征在于，所述状态信号包括被测器件两端的电压和/或流过被测器件的电流。

7.如权利要求1～6中任一项所述的测试电路，其特征在于，所述失效测试电路还包括：

电压变化率检测单元，其与所述被测器件连接，用于检测所述被测器件两端电压的变化率；和/或，

电流变化率检测单元，其与所述被测器件连接，用于检测流过所述被测器件的电流的变化率。

8.一种功率器件的失效测试方法，其特征在于，所述失效测试方法包括：

导通第一导电支路或导通后断开所述第一导电支路，所述第一导电支路包括串联的被测器件和第一开关，检测所述被测器件的状态信号；

根据所述状态信号判断所述被测器件是否失效，并根据判断结果闭合所述第一开关并断开第二开关，或断开所述第一开关并闭合第二开关，所述第二开关与所述第一导电支路并联。

9.如权利要求8所述的失效测试方法，其特征在于，所述状态信号包括以下所列项中的任一项或几项：

被测器件两端的电压、被测器件两端的电压变化率、流过被测器件的电流、流过被测器件的电流变化率。

10.如权利要求9所述的失效测试方法，其特征在于，如果被测器件失效，则断开所述第一开关并闭合第二开关。