CN108387831B - 一种3000a半导体器件的功率循环试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3000A半导体器件的功率循环试验系统。该系统包括：焊接式半导体器件测试柜、压接式半导体器件测试柜、控制柜和水冷系统；控制柜与焊接式半导体器件测试柜或压接式半导体器件测试柜电连接；控制柜内的电源放置区设置3000A直流电源；水冷系统通过管道与测试柜连接；焊接式半导体器件测试柜的内部设置多组待测焊接式半导体器件组，每组所述待测焊接式半导体器件组均包括多个待测焊接式半导体器件；压接式半导体器件测试柜的内部设置多组待测压接式半导体器件组，每组待测压接式半导体器件组均包括多个待测压接式半导体器件。本发明可同时测试三个以上数量的半导体器件，测试效率高；能够满足对不同封装形式的器件的测试的需求；操作简单。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体器件可靠性测试技术领域，特别是涉及一种3000A半导体器件的功率循环试验系统。
背景技术
柔性直流输电技术作为新一代直流输电技术，为输电方式变革和构建未来电网提供了新的解决方案，新一代柔性直流输电技术中最核心的两个电力电子装置是柔性直流换流阀和高压直流断路器。基于模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的电压源换流器高压直流输电换流阀主要通过功率半导体器件，如绝缘栅双极型晶体管(IGBT)来实现电能有效转换、控制和传输；高压直流断路器也是通过IGBT作为开关器件快速限制并切断柔性直流系统中的故障电流，以维持直流电网安全稳定运行。因此，对于IGBT器件的研究对于柔性直流输电技术应用具有重要意义。
目前高压大功率IGBT器件的主流封装形式有两种：焊接式IGBT模块和压接型IGBT器件。焊接式IGBT模块一般应用于换流阀中，压接型IGBT则多应用于高压直流断路器中。尤其压接型IGBT器件具有双面散热、功率密度大、易于串联等优点，非常适用于柔性直流输电的应用，未来换流阀中也将广泛采用压接型IGBT器件。由于电网对自身安全稳定运行的极高标准，对IGBT器件的可靠性也提出了更高的要求，使用寿命需要达到30年。在现场应力的条件下，试验功率半导体器件的可靠性显然是不可能的，因为可能需要持续10～30年时间。为了考核功率半导体器件的可靠性，一般通过一系列可靠性试验近似等效实际工作状态，加速器件的老化进程。
功率半导体器件的可靠性试验中，功率循环和温度循环试验是最重要的可靠性试验，功率循环试验是器件可靠性考核中最重要的手段。功率循环试验是通过给半导体器件施加一定的工作电流，电流产生的功率损耗加热被测器件，使其结温达到预设温度。目前，国内外仅有极少的研究单位拥有电流等级低的功率循环试验系统，商用的功率循环试验系统仅有美国一家公司开发，但其每次最多只能测试3个IGBT器件，效率极低，并且只能对焊接式IGBT模块进行测试，不能满足对不同封装形式的IGBT器件可靠性测试的需求。
发明内容
基于此，有必要提供一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，以提高IGBT器件的测试效率，且满足对不同封装形式的IGBT器件可靠性测试的需求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，包括：焊接式半导体器件测试柜、压接式半导体器件测试柜、控制柜和水冷系统；所述控制柜与所述焊接式半导体器件测试柜或所述压接式半导体器件测试柜电连接；
所述焊接式半导体器件测试柜的内部从上到下依次设置多个第一测试区；每个所述第一测试区内均设置一组待测焊接式半导体器件组，每个所述待测焊接式半导体器件组均包括多个待测焊接式半导体器件；所述待测焊接式半导体器件组与所述水冷系统通过管道连接；当待测半导体器件为焊接式半导体器件时，所述待测焊接式半导体器件组通过第一测量线路接口与所述控制柜电连接；
所述压接式半导体器件测试柜的内部设置多个第二测试区；每个所述第二测试区内均设置一组待测压接式半导体器件组，每个所述待测压接式半导体器件组均包括多个待测压接式半导体器件；所述待测压接式半导体器件组与所述水冷系统通过管道连接；当待测半导体器件为压接式半导体器件时，所述待测压接式半导体器件组通过第二测量线路接口与所述控制柜电连接；
所述控制柜内设置测量控制区、电源放置区和开关控制区；所述测量控制区为一个封闭的区域；所述测量控制区内设置数据采集装置和移动终端；所述数据采集装置与所述待测焊接式半导体器件组或所述待测压接式半导体器件组电连接，用于采集待测电导体器件的电流、电压和温度；所述移动终端与所述数据采集装置电连接，用于对所述电流、所述电压和所述温度进行处理、存储和显示；所述电源放置区内设置3000A直流电源；所述开关控制区内设置多个控制支路区，每个控制支路区内设置一个控制支路，每个所述控制支路对应连接一组所述待测焊接式半导体器件组或一组所述待测压接式半导体器件组，每个控制支路还分别与所述移动终端和所述3000A直流电源连接。
可选的，所述待测焊接式半导体器件组还包括多个第一水冷散热器；所述第一水冷散热器与所述待测焊接式半导体器件对应设置，且设置在所述待测焊接式半导体器件的下侧。
可选的，所述待测压接式半导体器件组还包括多个第二水冷散热器；每两个所述第二水冷散热器之间设置一个待测压接式半导体器件；所述待测压接式半导体器件组通过夹具固定在所述第二测试区。
可选的，所述测量控制区内还设置有多个恒流源；每个所述恒流源并联在一组所述待测焊接式半导体器件组两端或并联在一组所述待测压接式半导体器件组两端。
可选的，所述开关控制区内还设置有辅助控制支路区；所述辅助控制支路区内设置有辅助控制支路，所述辅助控制支路分别与所述移动终端和所述3000A直流电源连接。
可选的，所述测量控制区内还设置有多个电压传感器；每个所述电压传感器并联在一个所述待测焊接式半导体器件两端或并联在一个所述待测压接式半导体器件两端。
可选的，所述测量控制区内还设置有两个电流传感器；两个所述电流传感器分别通过所述数据采集装置与所述移动终端相连，用于将采集的3000A直流电源输出的电流和流过所述辅助控制支路的电流通过所述数据采集装置在移动终端上处理、存储和显示。
可选的，所述焊接式半导体器件测试柜内部最底端的第一测试区下还设置有第一储物区；所述压接式半导体器件测试柜内部的第二测试区下还设置有第二储物区。
可选的，所述焊接式半导体器件测试柜上还设置有多个第一固定分水器；所述第一固定分水器与所述待测焊接式半导体器件组对应设置，所述第一固定分水器分别与所述水冷系统和多个所述第一水冷散热器通过管道连接。
可选的，所述压接式半导体器件测试柜上还设置有多个第二固定分水器，所述第二固定分水器与所述待测压接式半导体器件组对应设置，所述第二固定分水器分别与所述水冷系统和多个所述第二水冷散热器通过管道连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，所述系统包括：焊接式半导体器件测试柜、压接式半导体器件测试柜、控制柜和水冷系统；焊接式半导体器件测试柜的内部设置多组待测焊接式半导体器件组，每组所述待测焊接式半导体器件组均包括多个待测焊接式半导体器件；压接式半导体器件测试柜的内部设置多组待测压接式半导体器件组，每组待测压接式半导体器件组均包括多个待测压接式半导体器件；当待测半导体器件为焊接式半导体器件时，待测焊接式半导体器件组通过第一测量线路接口与控制柜电连接；当待测半导体器件为压接式半导体器件时，待测压接式半导体器件组通过第二测量线路接口与控制柜电连接；控制柜内的电源放置区设置3000A直流电源。本发明可同时测试三个以上数量的半导体器件，测试效率高；并且既能够测量焊接式半导体器件，又能够测量压接式半导体器件，满足了对不同封装形式的器件的测试的需求；还设置有测量线路接口，通过插拔的方式就能够迅速切换焊接式器件和压接型器件的测试，操作简单。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一种3000A半导体器件的功率循环试验系统的示意图；
图2为本发明实施例焊接式半导体器件测试柜的主视图；
图3为本发明实施例焊接式半导体器件测试柜的后视图；
图4为本发明实施例焊接式半导体器件测试柜的侧视图；
图5为第一测试区的结构示意图；
图6为本发明实施例压接式半导体器件测试柜的主视图；
图7为本发明实施例压接式半导体器件测试柜的后视图；
图8为本发明实施例压接式半导体器件测试柜的侧视图；
图9为本发明实施例控制柜主视图；
图10为本发明实施例控制柜后视图；
图11为本发明实施例控制柜中控制支路区的结构示意图。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例一种3000A半导体器件的功率循环试验系统的示意图。
参见图1，实施例的3000A半导体器件的功率循环试验系统，包括：焊接式半导体器件测试柜1、压接式半导体器件测试柜2、控制柜3和水冷系统4；所述控制柜3与所述焊接式半导体器件测试柜1或所述压接式半导体器件测试柜2电连接。
图2为本发明实施例焊接式半导体器件测试柜的主视图；图3为本发明实施例焊接式半导体器件测试柜的后视图；图4为本发明实施例焊接式半导体器件测试柜的侧视图；图5为第一测试区的结构示意图。
参见图2-5，所述焊接式半导体器件测试柜1的内部从上到下依次设置多个第一测试区5；每个所述第一测试区5内均设置一组待测焊接式半导体器件组，每个所述待测焊接式半导体器件组均包括多个待测焊接式半导体器件6和多个第一水冷散热器7，各个待测焊接式半导体器件组之间并联，每组待测焊接式半导体器件组中的多个待测焊接式半导体器件6通过第一铜排23串联；所述第一水冷散热器7与所述待测焊接式半导体器件6对应设置，且设置在所述待测焊接式半导体器件6的下侧，所述第一水冷散热器7与所述水冷系统4通过管道连接；在工作时，由于电流过大，所述第一铜排23温度会很高，尤其是第一铜排23与器件接触的位置温度会更高，因此，在每个第一测试区5的顶部设置多个第一风扇24，每个第一风扇24与一个待测焊接式半导体器件6上下对应设置，以保证很好地散热。
所述焊接式半导体器件测试柜1的背面设置有多个第一固定分水器8；所述第一固定分水器8与所述待测焊接式半导体器件组对应设置，所述第一固定分水器8分别与所述水冷系统4和多个所述第一水冷散热器7通过管道连接。
所述焊接式半导体器件测试柜1为左右开合门，所述左右开合门配备有有机玻璃面板，这样就可以很好的观察各个第一测试区的情况，同时作为保护缓冲，防止出现爆炸伤人的情况；所述焊接式半导体器件测试柜1的结构框架由铝合金型材构成；当待测半导体器件为焊接式半导体器件时，所述待测焊接式半导体器件组通过第一测量线路接口9与所述控制柜3电连接。
本实施中，设置有3个第一测试区5，每个所述待测焊接式半导体器件组包括4个待测焊接式半导体器件6，每个待测焊接式半导体器件6对应设置一个第一水冷散热器7和一个第一风扇24，设置2个所述第一固定分水器8，所述第一固定分水器8为一分八分水器，8个分水口分别对应4个第一水冷散热器7的出水口和入水口，本实施例的系统为可同时测试12个焊接式半导体器件。
图6为本发明实施例压接式半导体器件测试柜的主视图；图7为本发明实施例压接式半导体器件测试柜的后视图；图8为本发明实施例压接式半导体器件测试柜的侧视图。
参见图6-8，所述压接式半导体器件测试柜2的内部设置多个第二测试区10；每个所述第二测试区10内均设置一组待测压接式半导体器件组，每个所述待测压接式半导体器件组均包括多个待测压接式半导体器件11和多个第二水冷散热器12；每两个所述第二水冷散热器12之间设置一个待测压接式半导体器件11；所述待测压接式半导体器件组通过夹具13固定在所述第二测试区10；各个所述待测压接式半导体器件组之间并联，每个所述待测压接式半导体器件组中的多个待测压接式半导体器件11为串联关系；所述待测压接式半导体器件组与所述水冷系统4通过管道连接。
所述压接式半导体器件测试柜2上设置有多个第二固定分水器14，所述第二固定分水器14与所述待测压接式半导体器件组对应设置，所述第二固定分水器14分别与所述水冷系统4和多个所述第二水冷散热器12通过管道连接；当待测半导体器件为压接式半导体器件时，所述待测压接式半导体器件组通过第二测量线路接口15与所述控制柜3电连接。
所述压接式半导体器件测试柜2上设置有可上下活动的遮罩面板16，所述遮罩面板16为有机玻璃面板，这样在人工操作的时候可以使其抬起，在测试的时候可以使其落下，有机玻璃面板可以起到保护作用还不影响观察；所述压接式半导体器件测试柜2的结构框架由铝合金型材构成，在框架边缘位置是测量和控制线路的走线槽，能对测量和控制线路起到很好的隔离保护的作用。
本实施中，设置有3个第二测试区10，每个所述待测压接式半导体器件组包括4个待测压接式半导体器件11和5个第二水冷散热器12，每两个所述第二水冷散热器12之间设置一个待测压接式半导体器件11；设置有3个夹具，分别固定对应的待测压接式半导体器件组；设置3个所述第二固定分水器14，所述第二固定分水器14为一分十分水器，10个分水口分别对应5个第二水冷散热器12的出水口和入水口，本实施例的系统为可同时测试12个压接式半导体器件。
图9为本发明实施例控制柜主视图；图10为本发明实施例控制柜后视图；图11为本发明实施例控制柜中控制支路区的结构示意图。
参见图9-11，所述控制柜3内设置测量控制区17、电源放置区18和开关控制区；所述测量控制区17通过铁板分别与所述开关控制区和所述电源放置区18隔离，形成一个封闭的区域，避免外界环境对信号采集装置的电磁干扰,。
所述测量控制区17内设置数据采集装置和移动终端；所述数据采集装置与所述待测焊接式半导体器件组或所述待测压接式半导体器件组电连接，用于采集待测电导体器件的电流、电压和温度；所述移动终端与所述数据采集装置电连接，用于对所述电流、所述电压和所述温度进行处理、存储和显示；所述电源放置区18内设置3000A直流电源25；所述开关控制区内设置多个控制支路区19，每个控制支路区19内设置一个控制支路，所述控制支路由多个半导体开关构成，每个所述控制支路对应连接一组所述待测焊接式半导体器件组或一组所述待测压接式半导体器件组，每个控制支路还分别与所述移动终端和所述3000A直流电源25连接。
本实施例中，所述开关控制区内设置3个控制支路区19，每个控制支路区19内设置一个控制支路，控制支路由两个半导体开关26构成，两个半导体开关通过第二铜排27并联，所述半导体开关26的下面设置有第三水冷散热器28，每个控制支路与一组所述待测焊接式半导体器件组或一组所述待测压接式半导体器件组形成一个测试支路，在工作时，由于电流过大，所述第二铜排27温度会很高，尤其是第二铜排27与半导体开关26接触的位置温度会更高，因此，在每个控制支路区19的顶部设置两个第二风扇29，每个第二风扇29与一个半导体开关26上下对应设置，以保证很好地散热。
本实施例中，所述移动终端为电脑主机，所述控制柜3的前面板区域有一个可以上下开合的活动支架30，所述活动支架30用于放置电脑主机的鼠标和键盘。
作为一种可选的实施方式，所述测量控制区17内还设置有多个恒流源；每个所述恒流源并联在一组所述待测焊接式半导体器件组两端或并联在一组所述待测压接式半导体器件组两端。
作为一种可选的实施方式，所述开关控制区内还设置有辅助控制支路区20；所述辅助控制支路区20内设置有辅助控制支路，所述辅助控制支路分别与所述移动终端和所述3000A直流电源25连接。
作为一种可选的实施方式，所述测量控制区17内还设置有多个电压传感器；每个所述电压传感器并联在一个所述待测焊接式半导体器件6两端或并联在一个所述待测压接式半导体器件10两端。
作为一种可选的实施方式，所述测量控制区17内还设置有两个电流传感器；两个所述电流传感器分别通过所述数据采集装置与所述移动终端相连，用于将采集的3000A直流电源25输出的电流和流过所述辅助控制支路的电流通过所述数据采集装置在移动终端上处理、存储和显示。
作为一种可选的实施方式，所述焊接式半导体器件测试柜1内部最底端的第一测试区5下还设置有第一储物区21；所述压接式半导体器件测试柜2内部的第二测试区10下还设置有第二储物区22；所述第一储物区21和所述第二储物区22可以放置待测器件和一些测试用工具，便于操作。
本实施例的3000A半导体器件的功率循环试验系统，具有以下优点：
1)同时可测半导体器件数量多，整个系统包含了三条测试支路，每条支路最多可以测试4个半导体器件，整个测试台可以同时测试12个半导体器件，既可以满足科研需求，也可以满足工业测试应用的需求。
2)可以对焊接式半导体器件和压接型半导体器件进行测试，针对功率半导体模块的两种主流封装形式，该系统均可以进行功率循环试验；
3)测量和控制线路采用集成接口的形式，通过插拔的方式能够迅速切换焊接式器件和压接型器件的测试，操作简单；
4)该系统可靠性高，设置了辅助控制支路，作为负载电流的反馈环节，当负载电流在不同支路中切换，因为被测半导体器件的差异性，可能导致负载电流的波动，有了辅助控制支路，可以保证直流电源的稳定输出，提高了直流电源的可靠性，以至于提高了整个系统的可靠性；
5)该系统包括包含焊接式半导体器件测试柜、压接式半导体器件测试柜、控制柜和水冷系统四个部分，布局充分考虑了电流路径和水流路径的优化，电流路径的优化可以降低杂散电感，从而降低半导体器件开关过程中的电压过冲，水流路径的优化可以提高水冷散热的性能；
6)充分考虑电磁环境的影响，采用铁板封闭测量系统，可以消除外部电磁环境对信号采集系统的干扰作用，确保数据的准确性。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，其特征在于，包括：焊接式半导体器件测试柜、压接式半导体器件测试柜、控制柜和水冷系统；所述控制柜与所述焊接式半导体器件测试柜或所述压接式半导体器件测试柜电连接；
所述焊接式半导体器件测试柜的内部从上到下依次设置多个第一测试区；每个所述第一测试区内均设置一组待测焊接式半导体器件组，每个所述待测焊接式半导体器件组均包括多个待测焊接式半导体器件；所述待测焊接式半导体器件组与所述水冷系统通过管道连接；当待测半导体器件为焊接式半导体器件时，所述待测焊接式半导体器件组通过第一测量线路接口与所述控制柜电连接；
所述压接式半导体器件测试柜的内部设置多个第二测试区；每个所述第二测试区内均设置一组待测压接式半导体器件组，每个所述待测压接式半导体器件组均包括多个待测压接式半导体器件；所述待测压接式半导体器件组与所述水冷系统通过管道连接；当待测半导体器件为压接式半导体器件时，所述待测压接式半导体器件组通过第二测量线路接口与所述控制柜电连接；
所述控制柜内设置测量控制区、电源放置区和开关控制区；所述测量控制区为一个封闭的区域；所述测量控制区内设置数据采集装置和移动终端；所述数据采集装置与所述待测焊接式半导体器件组或所述待测压接式半导体器件组电连接，用于采集待测电导体器件的电流、电压和温度；所述移动终端与所述数据采集装置电连接，用于对所述电流、所述电压和所述温度进行处理、存储和显示；所述电源放置区内设置3000A直流电源；所述开关控制区内设置多个控制支路区，每个控制支路区内设置一个控制支路，每个所述控制支路对应连接一组所述待测焊接式半导体器件组或一组所述待测压接式半导体器件组，每个控制支路还分别与所述移动终端和所述3000A直流电源连接；
所述待测焊接式半导体器件组还包括多个第一水冷散热器；所述第一水冷散热器与所述待测焊接式半导体器件对应设置，且设置在所述待测焊接式半导体器件的下侧；
所述待测压接式半导体器件组还包括多个第二水冷散热器；每两个所述第二水冷散热器之间设置一个待测压接式半导体器件；所述待测压接式半导体器件组通过夹具固定在所述第二测试区。
2.根据权利要求1所述的一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，其特征在于，所述测量控制区内还设置有多个恒流源；每个所述恒流源并联在一组所述待测焊接式半导体器件组两端或并联在一组所述待测压接式半导体器件组两端。
3.根据权利要求1所述的一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，其特征在于，所述开关控制区内还设置有辅助控制支路区；所述辅助控制支路区内设置有辅助控制支路，所述辅助控制支路分别与所述移动终端和所述3000A直流电源连接。
4.根据权利要求1所述的一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，其特征在于，所述测量控制区内还设置有多个电压传感器；每个所述电压传感器并联在一个所述待测焊接式半导体器件两端或并联在一个所述待测压接式半导体器件两端。
5.根据权利要求3所述的一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，其特征在于，所述测量控制区内还设置有两个电流传感器；两个所述电流传感器分别通过所述数据采集装置与所述移动终端相连，用于将采集的3000A直流电源输出的电流和流过所述辅助控制支路的电流通过所述数据采集装置在移动终端上处理、存储和显示。
6.根据权利要求1所述的一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，其特征在于，所述焊接式半导体器件测试柜内部最底端的第一测试区下还设置有第一储物区；所述压接式半导体器件测试柜内部的第二测试区下还设置有第二储物区。
7.根据权利要求1所述的一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，其特征在于，所述焊接式半导体器件测试柜上还设置有多个第一固定分水器；所述第一固定分水器与所述待测焊接式半导体器件组对应设置，所述第一固定分水器分别与所述水冷系统和多个所述第一水冷散热器通过管道连接。
8.根据权利要求1所述的一种3000A半导体器件的功率循环试验系统，其特征在于，所述压接式半导体器件测试柜上还设置有多个第二固定分水器，所述第二固定分水器与所述待测压接式半导体器件组对应设置，所述第二固定分水器分别与所述水冷系统和多个所述第二水冷散热器通过管道连接。
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