CN108802590A - 一种半导体器件的功率循环测试方法及测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种半导体器件的功率循环测试方法及系统。本发明提供的功率循环测试方法及测试系统，对包括多条并联连接的测试支路的功率循环测试装置，能够根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号，不仅使得多条测试支路能够交替循环进行加热和降温，利用一条测试支路的降温时间对其他测试支路进行加热，极大地提高了功率循环测试的效率，而且还可以保证各测试支路开关交替循环导通，从而使直流电源能够持续输出恒定直流电，避免直流电源由于反复开关导致的老化问题，从而提高了直流电源长期运行的可靠性，进一步提高了功率循环测试装置的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件可靠性测试领域，特别是涉及一种半导体器件的功率循环测试方法及测试系统。
背景技术
功率半导体器件在电力系统中的应用越来越广泛，目前全世界至少60％以上的电能均由它来控制，未来在全球能源互联网的趋势下，随着大规模新能源发电并网和电动汽车等移动不可预测负荷接入电网，这一比例将大大上升。因此，对于功率半导体器件的研究工作也成为近些年的热点，尤其是高电压大功率半导体器件。目前应用于柔性直流输电系统的高压大功率半导体器件主要是IGBT器件，同时针对不同应用工况有两种不同的封装形式，一种是常规的焊接式封装，简称为焊接式IGBT模块，主要应用于模块化多电平换流器(Modular Multi-level Converter，MMC)结构的换流阀中；另一种是功率密度更大、更易于串联应用的压接型IGBT器件，主要应用于柔性直流系统中的直流断路器中。
功率循环测试是功率半导体最重要的可靠性测试之一，也是器件出厂前最核心的可靠性考核，基本测试原理如图1所示，通过给待测半导体器件施加一定的电流使器件升温，然后再切断电流通过水冷系统让待测半导体器件冷却，往复如此进行加热和降温的过程以考核器件封装的可靠性，也称为主动温度循环。功率循环测试实际就是通过近似模拟半导体器件实际运行工况来预测器件长期运行的寿命和可靠性，暴露可能存在的问题以优化器件设计使其达到预定的设计寿命。
目前的功率循环测试都是采用串联待测器件的形式，串联的个数受限于直流电源的电压，测量效率较低。同时，直流电源也随着功率循环的测试进行反复的开关动作，功率循环测试的同时也对直流电源进行了老化实验，严重影响着直流电源长期运行的可靠性，是目前国产功率循环实验设备出问题最多的部件，极大地影响了功率循环测试装置的可靠性。
因此，如何提高功率循环测试的效率及可靠性，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体器件的功率循环测试方法及测试系统，能够有效提高功率循环测试的效率及可靠性。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种半导体器件的功率循环测试方法，所述功率循环测试方法应用于功率循环测试装置，所述功率循环测试装置包括多条并联连接的测试支路、直流电源和水冷器，每条所述测试支路包括：一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测器件，且各所述待测器件串联连接，每条所述测试支路与所述直流电源连接形成闭合回路，且每个测试支路开关在一个功率循环测试周期内仅导通一次，所述直流电源用于给所述测试支路提供恒定的负载电流，所述水冷器对应所述测试支路设置，所述水冷器用于冷却各所述待测器件；所述功率循环测试方法包括：
获取所述待测器件的初始饱和压降、初始结温和初始热阻、当前的功率循环次数及最大循环次数；
获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号；
根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号；
获取当前时刻导通的测试支路开关对应的测试支路上的待测器件在当前功率循环测试中的壳体表面温度、结温-饱和压降关系曲线、饱和压降、负载电流和负载电压，并更新功率循环次数；
判断所述功率循环次数是否小于所述最大循环次数，获得第一判断结果；
当所述第一判断结果表示所述功率循环次数等于所述最大循环次数时，结束功率循环测试；
当所述第一判断结果表示所述功率循环次数小于所述最大循环次数时，根据所述结温-饱和压降关系曲线和所述饱和压降确定所述待测器件的循环结温，并根据所述负载电流和负载电压确定功率损耗；
根据所述循环结温、所述功率损耗和所述壳体表面温度确定所述待测器件的循环热阻值；
根据所述循环热阻值、所述循环结温、所述负载电压、所述初始饱和压降、所述初始结温和所述初始热阻值确定是否结束功率循环测试。
可选的，所述根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号，具体包括：
判断当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号是否为低电平，获得第二判断结果；
当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为高电平时，下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号保持为低电平；
当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为低电平时，将下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号置为高电平。
可选的，所述获取当前时刻导通的测试支路开关对应的测试支路上的待测器件在当前功率循环测试中的壳体表面温度、结温-饱和压降关系曲线、饱和压降、负载电流和负载电压，具体包括：
获取所述待测器件的结温-饱和压降关系曲线；
获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最低点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的低电平向高电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最高点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的高电平向低电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压。
可选的，所述根据所述循环热阻值、所述循环结温、所述负载电压、所述初始饱和压降、所述初始结温和所述初始热阻值确定是否结束功率循环测试，具体包括：
根据所述循环热阻值及所述初始热阻值确定热阻差值是否大于第一阈值，获得第三判断结果；
根据所述负载电压及所述初始饱和压降确定所述压降差值是否大于第二阈值，获得第四判断结果；
根据所述所述循环结温和所述初始结温确定结温差值是否大于第三阈值，获得第五判断结果；
当所述第三判断结果表示所述热阻差值大于第一阈值、所述第四判断结果表示所述压降差值大于第二阈值或所述第五判断结果表示所述结温差值大于第三阈值时，结束功率循环测试；
否则，返回所述“获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号”。
可选的，根据所述循环结温、所述功率损耗和所述壳体表面温度确定所述待测器件的循环热阻值，具体包括：
根据公式：R＝(Tj-Tc)/P，确定所述待测器件的循环热阻值，其中，R表示循环热阻，Tj表示循环结温，Tc表示壳体表面温度，P表示功率损耗。
一种半导体器件的功率循环测试系统，所述功率循环测试系统应用于功率循环测试装置，所述功率循环测试装置包括多条并联连接的测试支路、直流电源和水冷器，每条所述测试支路包括：一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测器件，且各所述待测器件串联连接，每条所述测试支路与所述直流电源连接形成闭合回路，且每个测试支路开关在一个功率循环测试周期内仅导通一次，所述直流电源用于给所述测试支路提供恒定的负载电流，所述水冷器对应所述测试支路设置，所述水冷器用于冷却各所述待测器件；所述功率循环测试系统包括：
数据获取模块，用于获取所述待测器件的初始饱和压降、初始结温和初始热阻、当前的功率循环次数及最大循环次数；
脉冲信号获取模块，用于获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号；
脉冲信号确定模块，用于根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号；
器件参数获取模块，用于获取当前时刻导通的测试支路开关对应的测试支路上的待测器件在当前功率循环测试中的壳体表面温度、结温-饱和压降关系曲线、饱和压降、负载电流和负载电压；
循环次数更新模块，用于更新功率循环次数；
第一判断模块，用于判断所述功率循环次数是否小于所述最大循环次数，获得第一判断结果；
功率循环结束模块，用于当所述第一判断结果表示所述功率循环次数等于所述最大循环次数时，结束功率循环测试；
循环结温及损耗确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述功率循环次数小于所述最大循环次数时，根据所述结温-饱和压降关系曲线和所述饱和压降确定所述待测器件的循环结温，并根据所述负载电流和负载电压确定功率损耗；
循环热阻确定模块，用于根据所述循环结温、所述功率损耗和所述壳体表面温度确定所述待测器件的循环热阻值；
结束循环判断模块，用于根据所述循环热阻值、所述循环结温、所述负载电压、所述初始饱和压降、所述初始结温和所述初始热阻值确定是否结束功率循环测试。
可选的，所述脉冲信号确定模块具体包括：
第二判断单元，用于判断当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号是否为低电平，获得第二判断结果；
低电平单元，用于当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为高电平时，下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号保持为低电平；
高电平单元，用于当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为低电平时，将下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号置为高电平。
可选的，所述器件参数获取模块具体包括：
结温-饱和压降关系曲线获取单元，用于获取所述待测器件的结温-饱和压降关系曲线；
结温最低点参数获取单元，用于获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最低点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
低电平向高电平转换点参数获取单元，用于获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的低电平向高电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
结温最高点参数获取单元，用于获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最高点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
高电平向低电平转换点参数获取单元，用于获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的高电平向低电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压。
可选的，所述结束循环判断模块具体包括：
第三判断单元，用于根据所述循环热阻值及所述初始热阻值确定热阻差值是否大于第一阈值，获得第三判断结果；
第四判断单元，用于根据所述负载电压及所述初始饱和压降确定所述压降差值是否大于第二阈值，获得第四判断结果；
第五判断单元，用于根据所述所述循环结温和所述初始结温确定结温差值是否大于第三阈值，获得第五判断结果；
结束测试单元，用于当所述第三判断结果表示所述热阻差值大于第一阈值、所述第四判断结果表示所述压降差值大于第二阈值或所述第五判断结果表示所述结温差值大于第三阈值时，结束功率循环测试。
可选的，所述循环热阻确定模块根据公式：R＝(Tj-Tc)/P确定所述待测器件的循环热阻值，其中，R表示循环热阻，Tj表示循环结温，Tc表示壳体表面温度，P表示功率损耗。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供的半导体器件的功率循环测试方法及测试系统，对包括多条并联连接的测试支路的功率循环测试装置，能够根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号，使得多条测试支路能够交替循环进行加热和降温，利用一条测试支路的降温时间对其他测试支路进行加热，极大地提高了功率循环测试的效率。
而且，根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号，可保证各测试支路开关交替循环导通，从而使直流电源能够持续输出恒定直流电，避免直流电源由于反复开关导致的老化问题，从而提高了直流电源长期运行的可靠性，进一步提高了功率循环测试装置的可靠性。
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的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为功率循环测试的原理图；
图2为本发明实施例1提供的半导体器件的功率循环测试方法的流程图；
图3为本发明实施例1提供的测量点对照图；
图4为本发明实施例1提供的90kW/3000A功率循环测试装置的电路图；
图5为本发明实施例1提供的测试时序及结温变化的对照图；
图6为本发明实施例1提供的待测半导体器件在测量电流下饱和压降与结温的关系曲线；
图7为本发明实施例2提供的半导体器件的功率循环测试系统的结构框图。
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。
本发明的目的是提供一种半导体器件的功率循环测试方法及测试系统，能够有效提高功率循环测试的效率及可靠性。
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。
实施例1：
图2为本发明实施例1提供的半导体器件的功率循环测试方法的流程图。如图2所示，所述半导体器件的功率循环测试方法应用于功率循环测试装置，所述功率循环测试装置包括多条并联连接的测试支路、直流电源和水冷器，每条所述测试支路包括：一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测器件，且各所述待测器件串联连接，每条所述测试支路与所述直流电源连接形成闭合回路，且每个测试支路开关在一个功率循环测试周期内仅导通一次，所述直流电源用于给所述测试支路提供恒定的负载电流，所述水冷器对应所述测试支路设置，所述水冷器用于冷却各所述待测器件；所述功率循环测试方法包括：
步骤101：获取所述待测器件的初始饱和压降、初始结温和初始热阻、当前的功率循环次数及最大循环次数；
步骤102：获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号；
步骤103：根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号；
步骤104：获取当前时刻导通的测试支路开关对应的测试支路上的待测器件在当前功率循环测试中的壳体表面温度、结温-饱和压降关系曲线、饱和压降、负载电流和负载电压，并更新功率循环次数；
步骤105：判断所述功率循环次数是否小于所述最大循环次数，获得第一判断结果；
当所述第一判断结果表示所述功率循环次数等于所述最大循环次数时，执行步骤106；
当所述第一判断结果表示所述功率循环次数小于所述最大循环次数时，执行步骤107；
步骤106：结束功率循环测试；
步骤107：根据所述结温-饱和压降关系曲线和所述饱和压降确定所述待测器件的循环结温，并根据所述负载电流和负载电压确定功率损耗；
步骤108：根据所述循环结温、所述功率损耗和所述壳体表面温度确定所述待测器件的循环热阻值。具体地，根据公式：R＝(Tj-Tc)/P，确定所述待测器件的循环热阻值，其中，R表示循环热阻，Tj表示循环结温，Tc表示壳体表面温度，P表示功率损耗。
步骤109：根据所述循环热阻值、所述循环结温、所述负载电压、所述初始饱和压降、所述初始结温和所述初始热阻值确定是否结束功率循环测试。
具体地，所述步骤103：根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号，具体包括：
判断当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号是否为低电平，获得第二判断结果；
当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为高电平时，下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号保持为低电平；
当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为低电平时，将下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号置为高电平。
因此，可通过有效地利用一条被测支路的降温时间来对其他被测支路的器件进行加热，待测半导体器件的数量较多，能够极大地提高功率循环测试系统的测试效率。同时，上述测试开关驱动脉冲的时序关系可以保证直流电源在整个功率循环测试过程中直流电流输出的稳定性以及延续性，避免了直流电源的反复开关过程，大大提高了直流电源的寿命和长期运行可靠性。
图3为本发明实施例1提供的测量点对照图。如图3所示，所述步骤104：获取当前时刻导通的测试支路开关对应的测试支路上的待测器件在当前功率循环测试中的壳体表面温度、结温-饱和压降关系曲线、饱和压降、负载电流和负载电压，具体包括：
获取所述待测器件的结温-饱和压降关系曲线；
获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最低点即图3中a点处的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压。其中，如图3所示，状态点a为待测器件被外部的水冷器降温至结温最低的时刻。
获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的低电平向高电平转换点即图3中b点处的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压。其中，如图3所示，b为被测IGBT器件被通入直流电流的时刻，此时器件结温开始上升，但仍然非常低，因此状态点a和b称为待测器件的冷却状态。
获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最高点即图3中c点处的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压。其中，如图3所示，状态点c为待测器件被直流电流加热到结温最高的时刻。
获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的高电平向低电平转换点及图3中d点处的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压。其中，如图3所示，状态点d为待测器件关断直流电流的瞬间，此时器件结温开始下降，但仍然非常接近最高结温，因此状态点c和d称为待测器件的加热状态。
基于上述四个状态点的实时参数测量，既能节省数据采集量，又能通过上述四个关键点处的参数表征待测器件的状态，为器件的老化过程评估和失效机理研究提供指导。
所述步骤109：根据所述循环热阻值、所述循环结温、所述负载电压、所述初始饱和压降、所述初始结温和所述初始热阻值确定是否结束功率循环测试，具体包括：
根据所述循环热阻值及所述初始热阻值确定热阻差值是否大于第一阈值，获得第三判断结果；
根据所述负载电压及所述初始饱和压降确定所述压降差值是否大于第二阈值，获得第四判断结果；
根据所述所述循环结温和所述初始结温确定结温差值是否大于第三阈值，获得第五判断结果；
当所述第三判断结果表示所述热阻差值大于第一阈值、所述第四判断结果表示所述压降差值大于第二阈值或所述第五判断结果表示所述结温差值大于第三阈值时，结束功率循环测试。其中，第一阈值为初始热阻的20％，第二阈值为初始饱和压降的5％，第三阈值为初始结温的20％。
否则，返回所述步骤102：获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号。即，若所述第三判断结果表示所述热阻差值小于或者等于第一阈值，所述第四判断结果表示所述压降差值小于或者等于第二阈值，且所述第五判断结果表示所述结温差值小于或者等于第三阈值时，结束功率循环测试。
图4为本发明实施例1提供的90kW/3000A功率循环测试装置的电路图。如图4所示，功率循环测试装置设置有3条测试支路和1条分流支路。其中，每条测试支路包括一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测器件DUT，且各所述待测器件DUT串联连接。
图5为本发明实施例1提供的测试时序及结温变化的对照图。图5的(a)表示各测试支路的导通时序，其中，I1表示第一测试支路流过的负载电流，I2表示第二测试支路流过的负载电流，I3表示第三测试支路流过的负载电流。图5的(b)部分表示各条测试支路上的待测半导体器件的结温变化，其中，T1表示第一测试支路上的待测半导体器件的结温变化，T2表示第二测试支路上的待测半导体器件的结温变化，T3表示第三测试支路上的待测半导体器件的结温变化。在90kW/3000A功率循环测试系统中，直流电源一直稳定输出3000A的直流电流，控制器对负载系统中的三条测试支路中的测试支路开关按照图图5的(a)部分所示的时序进行控制。结合图5的(b)部分可知，能够保证同一时刻直流电源的3000A电流只流经1条测试支路，另外两条测试支路处于关断及降温状态，直流电源输出的电流会在不同测试支路中有序切换，从而保证在整个功率循环试验过程中，直流电流的输出保持稳定，有效避免了直流电源的反复开关过程，大大提高了直流电源的寿命和长期运行的可靠性。可见，和常规的功率循环测试相比，增加了2条测试支路和1条分流支路，通过增加的测试支路和分流支路，可以有效地提高测试效率和系统的可靠性。
该功率循环测试装置各部分的工作原理如下：
1、电源系统为整个功率循环测试系统输入电能，主要包括给负载提供加热电流使待测半导体器件达到指定温升的直流电源、用于间接测量待测器件实时结温的测量电流源。
1.1)直流电源是功率循环测试的核心，其容量决定功率循环的测试能力和效率，输出电流的能力决定了单个待测器件的电流极限，输出电压决定了串联待测器件的个数，输出电压越高，可串联的待测器件的个数越多，同时还需要考虑直流电源的长期运行可靠性以提高整个系统的可靠性。
1.2)测量电源主要是用来间接测量待测器件的实时结温，功率循环测试前需要对待测器件在该指定的测量电流条件下进行器件等效结温与饱和压降的校准，得到器件饱和压降与器件等效结温的关系曲线，如图6所示，然后在功率循环测试的过程中测量待测器件在同样小电流作用下的饱和压降以换算成对应的结温。
测量电源电流的大小选取需要根据待测器件的类型和电流等级来确定，需要满足两个条件既不能过大而使器件产生自发热，又不能过小而不能使器件形成稳定的电压降。一般选为待测半导体器件额定电流的1/1000，例如IGBT模块额定电流是500A，那么测量电流可选择为500mA。
2、测试支路包括待测器件和控制流经测试支路电流的测试支路开关，同一条测试支路上串联的待测器件的个数取决于直流电源的电压。
本实施例设置有3条测试支路，通过控制3条测试支路中测试支路开关的开通和关断时间，有效地利用其他支路降温过程给某指定支路待测器件加热以提高测试效率和系统可靠性。为了确保直流电源电流的连续性，测试支路不能少于2条，通过2条以上测试支路进行直流电流的切换，确保直流电源电流输出的稳定性，大大降低了直流电源的开关次数，大大提高了电源的长期运行可靠性，同时测试效率也随着并联测试支路的增加而大大提高。
由图5所示的控制时序可知，同一时刻直流电源的测试电流只流经一条测试支路，另外两条测试支路则处于关断及降温状态，当该支路流经电流时间达到预定值Ton需要降温时，则将负载电流切换到另一条测试支路，此时该支路的待测器件则处于降温状态，通过外部水冷系统将热量带走。三条测试支路的开通和关断时间均相同，因此每条测试支路中待测器件的降温时间是加热时间的2倍，有效保证待测器件的降温时间。
三条测试支路交替开通和关断充分利用待测器件降温时间对其他支路的器件进行加热，大大提升测试效率。上述测量时序有效地保证了直流电源一直处于输出恒定直流电流的状态，避免了直流电源的反复开关过程，大大提高了直流电源的寿命和长期运行可靠性。实际应用中可以根据具体需求增加或减少相应的测试支路
3、分流支路主要为了满足功率循环测试过程中不同测试条件和控制策略的需求，通过结合电流传感器测量的直流电源的电流和分流支路电流，控制分流支路的开通和关断，能够有效实现不同功能的测试。根据实际需求，实时调节分流支路开关器件的栅极电压来控制流经分流支路的电流以满足测试支路的电流要求。此处的电流传感器测量的是直流稳态电流，可以选用霍尔传感器。
比如，为了保证直流电源的长期运行可靠性，功率循环测试过程中始终保证直流电源的输出是恒定的。因此，基于分流支路的介入，可以调整各测试支路电流的大小以满足待测器件不同结温或者同一结温的需求。
在测试不同厂商的模块时，模块之间的差异性较大，达到相同结温变化所需的负载电流不同，例如为了使得所有模块结温温升达到60℃，第一测试支路上的待测IGBT模块需要2000A的电流，第二测试支路上的待测IGBT模块只需要1900A，第三测试支路上的待测IGBT模块需要2050A的电流。如果没有分流支路，就需要通过控制器对直流电源进行直接控制，使直流电源在不同测试支路切换时实时调整其输出的直流电流，这会导致直流电源的老化速度加快，可靠性大大降低。引入分流支路后，基于PI控制可以使分流支路流过期望的电流，从而保证直流电源输出稳定的直流电。其具体实现过程为如下：
本实施例中，第三测试支路上的待测IGBT模块需要的电流最高，为2050A的电流，因此，控制器控制直流电源输出稳定的2050A的直流电流。通过实时测量流经测试支路的电流和流经分流支路的电流，当直流电源输出的电流被切换到第一测试支路上时，通过控制器中的PI调节器对分流支路的IGBT的栅极电压进行控制，使得分流支路分担50A的电流，同时，分流支路电流传感器将分流支路的电流实时反馈给控制器。同理，当电流被切换到第二测试支路时，对分流支路的IGBT的栅极电压进行控制，使得分流支路分担150A的电流。而电流被切换到第三测试支路时，分流支路关闭不参与分流。
同时，分流支路还可作为被测支路介入，需要2倍以上的电流能力，所以本实施例的分流支路包括两个并联的分流开关，即采用2个大电流IGBT模块以保障支路的长期运行可靠性。
实际应用中，用户也可以通过调节被测支路的数目以及分流支路来达到不同的测试要求，如减少被测支路数目或者增加分流支路作为被测支路等均可满足不同测试需求。
4、本实施例还包括给待测器件、测试支路和分流支路开关器件散热的水冷器。主要用来给待测器件降温，带走器件被直流电流加热时产生的热量，使得待测器件在指定时间内降到指定的温度。
水冷器包括给待测器件散热的水冷散热器和给冷却水散热的制冷机等，通过给水冷散热器通入一定流速的水介质带走待测器件的热量，同时通过制冷机来控制冷却水的温度。
实施例2：
图7为本发明实施例2提供的半导体器件的功率循环测试系统的结构框图。如图7所示，半导体器件的功率循环测试系统，所述功率循环测试系统应用于功率循环测试装置，所述功率循环测试装置包括多条并联连接的测试支路、直流电源和水冷器，每条所述测试支路包括：一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测器件，且各所述待测器件串联连接，每条所述测试支路与所述直流电源连接形成闭合回路，且每个测试支路开关在一个功率循环测试周期内仅导通一次，所述直流电源用于给所述测试支路提供恒定的负载电流，所述水冷器对应所述测试支路设置，所述水冷器用于冷却各所述待测器件；所述功率循环测试系统包括：
数据获取模块201，用于获取所述待测器件的初始饱和压降、初始结温和初始热阻、当前的功率循环次数及最大循环次数；
脉冲信号获取模块202，用于获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号；
脉冲信号确定模块203，用于根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号；
器件参数获取模块204，用于获取当前时刻导通的测试支路开关对应的测试支路上的待测器件在当前功率循环测试中的壳体表面温度、结温-饱和压降关系曲线、饱和压降、负载电流和负载电压；
循环次数更新模块205，用于更新功率循环次数；
第一判断模块206，用于判断所述功率循环次数是否小于所述最大循环次数，获得第一判断结果；
功率循环结束模块207，用于当所述第一判断结果表示所述功率循环次数等于所述最大循环次数时，结束功率循环测试；
循环结温及损耗确定模块208，用于当所述第一判断结果表示所述功率循环次数小于所述最大循环次数时，根据所述结温-饱和压降关系曲线和所述饱和压降确定所述待测器件的循环结温，并根据所述负载电流和负载电压确定功率损耗；
循环热阻确定模块209，用于根据所述循环结温、所述功率损耗和所述壳体表面温度确定所述待测器件的循环热阻值。
具体地，所述循环热阻确定模块根据公式：R＝(Tj-Tc)/P确定所述待测器件的循环热阻值，其中，R表示循环热阻，Tj表示循环结温，Tc表示壳体表面温度，P表示功率损耗。
结束循环判断模块210，用于根据所述循环热阻值、所述循环结温、所述负载电压、所述初始饱和压降、所述初始结温和所述初始热阻值确定是否结束功率循环测试。
具体地，所述脉冲信号确定模块203具体包括：
第二判断单元，用于判断当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号是否为低电平，获得第二判断结果；
低电平单元，用于当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为高电平时，下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号保持为低电平；
高电平单元，用于当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为低电平时，将下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号置为高电平。
所述器件参数获取模块204具体包括：
结温-饱和压降关系曲线获取单元，用于获取所述待测器件的结温-饱和压降关系曲线；
结温最低点参数获取单元，用于获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最低点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
低电平向高电平转换点参数获取单元，用于获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的低电平向高电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
结温最高点参数获取单元，用于获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最高点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
高电平向低电平转换点参数获取单元，用于获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的高电平向低电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压。
所述结束循环判断模块210具体包括：
第三判断单元，用于根据所述循环热阻值及所述初始热阻值确定热阻差值是否大于第一阈值，获得第三判断结果；
第四判断单元，用于根据所述负载电压及所述初始饱和压降确定所述压降差值是否大于第二阈值，获得第四判断结果；
第五判断单元，用于根据所述所述循环结温和所述初始结温确定结温差值是否大于第三阈值，获得第五判断结果；
结束测试单元，用于当所述第三判断结果表示所述热阻差值大于第一阈值、所述第四判断结果表示所述压降差值大于第二阈值或所述第五判断结果表示所述结温差值大于第三阈值时，结束功率循环测试。
下面以3000A的被测IGBT器件和30V/3000A直流电源为例说明本发明提供的功率循环测试系统的实施步骤：
1、通过加热恒温装置和测量系统测量被测IGBT器件对温度敏感的电学参数(通常为测量电流下的饱和压降Vce)和结温的关系曲线。在实际功率循环过程中则可通过监测IGBT的Vce间接得到器件的实时结温用于判断待测器件的状态。
1.1)将被测IGBT器件放置在一个加热恒温装置中，通过测量电源给待测器件施加一个恒定的小电流，一般为毫安级。同时，在待测器件表面放置一个热电偶以实时监测器件表面的温度，以等效为器件的结温；
1.2)通过加热恒温装置将待测器件加热至指定温度，一般是IGBT器件允许的最高工作结温，使温度稳定一段时间以保证器件内部的温度分布均匀；
1.3)切断加热电源，让待测器件自然降温，在降温的过程中实时监测并记录待测器件的电学参数Vce和热电偶的温度值T，从而得到器件结温与电学参数的关系曲线。
2、将被测IGBT器件安装在水冷器上，并进行相应的电气连接和热电偶的放置，保证待测器件正确的电气连线和良好的散热条件
2.1)为了保证待测器件的良好散热，需要在待测器件壳表面涂一层均匀的导热硅脂以减小待测器件与散热器间接触热阻，并将热电偶放置在待测器件壳体与散热器表面间实时监测壳表体表面温度的变化；
2.2)通过功率电极将被测IGBT器件连接到功率循环的主测试回路中，同时需要额外的直流电源给被IGBT器件栅极提供恒定的电压以打开被测IGBT器件，使得支路电流能够流过IGBT器件对其进行加热；
2.3)将被测IGBT器件的集电极和发射极连接到功率循环的数据采集系统中，本方法中所用的为NI的数据采集系统，以实时记录被测IGBT器件的压降Vce。
2.4)通过足够能力的水冷器将冷却水介质通入到散热器中，以便于在实验过程中带走被测IGBT器件因同日直流电流而产生的热量，使得器件温度降低。
3、基于控制程序控制各测试支路和辅助支路开关器件的开通和关断的时间来控制每条测试支路待测器件的加热时间Ton和降温时间Toff，以保证直流电源电流的稳定和可靠输出
3.1)对于常规功率循环测试，调节3条测试支路的开通和关断时间即可实现不同测试功能，完成不同测试条件的对比等，还可以根据需求增加或减少测试支路；
3.2)对于特殊测试需求，可以结合辅助支路来完成相应的测试功能，比如3个测试支路需要的电流不一致时，为了保证直流电源输出的稳定性，使直流电源输出3条测试支路需求的最大电流，其他支路测试时，通过控制分流支路的分流能力以达到相应的测试需求。具体地，通过主回路和辅助支路的电流传感器实时监测电流，并基于PID调节以辅助支路电流为调节量可以很好地控制流经分流支路的电流，从而满足测试支路的电流要求。
4、功率循环测试过程中需要对被测IGBT器件各电气特性和热学参数进行实时监测和记录，并换算得到被测IGBT器件的功率损耗、结温和热阻等。
4.1)功率循环过程中对被测IGBT器件进行相应参数测量，包括负载电流下的饱和压降即负载电压、测量电流下的饱和压降、壳温、出水温度，栅极电压等；
4.2)大电流下的饱和压降一方面是被测IGBT器件的状态变量，功率循环过程中通过监测其变化可以得到器件的老化过程和助于失效机理研究，另一方面用于被测IGBT器件功率损耗的计算，结合电流传感器测量得到的待测器件给定直流电流可得到功率损耗P；
4.3)小电流下的饱和压降主要用于被测IGBT器件功率循环过程中结温Tj的实时监测，也是监测被测IGBT器件老化过程的重要变量，结合被测IGBT器件结温与饱和压降的关系曲线，可以换算得到被测IGBT器件的结温；
4.4)通过热电偶实时记录被IGBT器件壳体表面的温度Tc，再基于功率损耗和结温，可以根据热阻计算公式：R＝(Tj-Tc)/P得到被测IGBT器件结到壳的热阻值，热阻值同样也是评估待测器件老化的重要变量。
5、设定功率循环测试过程中实时监测变量和测试终止条件，直到被测IGBT器件通过测试或者失效而终止.
测试终止条件有两个：
将实时监测的变量：负载电压、结温和热阻作为功率循环测试终止条件的重要依据。当负载压降与初始饱和压降的差值大于初始饱和压降的5％时，或循环结温与初始结温的差值大于初始结温的20％时，或循环热阻与初始热阻的差值大于初始热阻的20％时，终止功率循环测试，认定被测IGBT器件失效，实验终止；
功率循环测试的另一个重要终止条件是最大功率循环次数，设定一个目标功率循环次数Nf，当达到目标次数，而并没有达到6.1)的终止条件，认定被测IGBT器件通过功率循环实验考核，实验终止。
本实施例鉴于目前针对高压大功率IGBT器件功率循环测试平台存在的测试效率和可靠性低等问题，提出的一种新型高压大功率IGBT器件的功率循环测试系统，不仅可以同时测试多达12只待测器件，提高测试效率和直流电源的利用率和可靠性，还可以结合具体测试需求，对测试功能进行灵活调节。
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。对于实施例公开的系统而言，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 (10)
1.一种半导体器件的功率循环测试方法，其特征在于，所述功率循环测试方法应用于功率循环测试装置，所述功率循环测试装置包括多条并联连接的测试支路、直流电源和水冷器，每条所述测试支路包括：一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测器件，且各所述待测器件串联连接，每条所述测试支路与所述直流电源连接形成闭合回路，且每个测试支路开关在一个功率循环测试周期内仅导通一次，所述直流电源用于给所述测试支路提供恒定的负载电流，所述水冷器对应所述测试支路设置，所述水冷器用于冷却各所述待测器件；所述功率循环测试方法包括：
获取所述待测器件的初始饱和压降、初始结温和初始热阻、当前的功率循环次数及最大循环次数；
获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号；
根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号；
获取当前时刻导通的测试支路开关对应的测试支路上的待测器件在当前功率循环测试中的壳体表面温度、结温-饱和压降关系曲线、饱和压降、负载电流和负载电压，并更新功率循环次数；
判断所述功率循环次数是否小于所述最大循环次数，获得第一判断结果；
当所述第一判断结果表示所述功率循环次数等于所述最大循环次数时，结束功率循环测试；
当所述第一判断结果表示所述功率循环次数小于所述最大循环次数时，根据所述结温-饱和压降关系曲线和所述饱和压降确定所述待测器件的循环结温，并根据所述负载电流和负载电压确定功率损耗；
根据所述循环结温、所述功率损耗和所述壳体表面温度确定所述待测器件的循环热阻值；
根据所述循环热阻值、所述循环结温、所述负载电压、所述初始饱和压降、所述初始结温和所述初始热阻值确定是否结束功率循环测试。
2.根据权利要求1所述的功率循环测试方法，其特征在于，所述根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号，具体包括：
判断当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号是否为低电平，获得第二判断结果；
当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为高电平时，下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号保持为低电平；
当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为低电平时，将下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号置为高电平。
3.根据权利要求1所述的功率循环测试方法，其特征在于，所述获取当前时刻导通的测试支路开关对应的测试支路上的待测器件在当前功率循环测试中的壳体表面温度、结温-饱和压降关系曲线、饱和压降、负载电流和负载电压，具体包括：
获取所述待测器件的结温-饱和压降关系曲线；
获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最低点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的低电平向高电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最高点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的高电平向低电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压。
4.根据权利要求1所述的功率循环测试方法，其特征在于，所述根据所述循环热阻值、所述循环结温、所述负载电压、所述初始饱和压降、所述初始结温和所述初始热阻值确定是否结束功率循环测试，具体包括：
根据所述循环热阻值及所述初始热阻值确定热阻差值是否大于第一阈值，获得第三判断结果；
根据所述负载电压及所述初始饱和压降确定所述压降差值是否大于第二阈值，获得第四判断结果；
根据所述所述循环结温和所述初始结温确定结温差值是否大于第三阈值，获得第五判断结果；
当所述第三判断结果表示所述热阻差值大于第一阈值、所述第四判断结果表示所述压降差值大于第二阈值或所述第五判断结果表示所述结温差值大于第三阈值时，结束功率循环测试；
否则，返回所述“获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号”。
5.根据权利要求1所述的功率循环测试方法，其特征在于，根据所述循环结温、所述功率损耗和所述壳体表面温度确定所述待测器件的循环热阻值，具体包括：
根据公式：R＝(Tj-Tc)/P，确定所述待测器件的循环热阻值，其中，R表示循环热阻，Tj表示循环结温，Tc表示壳体表面温度，P表示功率损耗。
6.一种半导体器件的功率循环测试系统，其特征在于，所述功率循环测试系统应用于功率循环测试装置，所述功率循环测试装置包括多条并联连接的测试支路、直流电源和水冷器，每条所述测试支路包括：一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测器件，且各所述待测器件串联连接，每条所述测试支路与所述直流电源连接形成闭合回路，且每个测试支路开关在一个功率循环测试周期内仅导通一次，所述直流电源用于给所述测试支路提供恒定的负载电流，所述水冷器对应所述测试支路设置，所述水冷器用于冷却各所述待测器件；所述功率循环测试系统包括：
数据获取模块，用于获取所述待测器件的初始饱和压降、初始结温和初始热阻、当前的功率循环次数及最大循环次数；
脉冲信号获取模块，用于获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号；
脉冲信号确定模块，用于根据当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号确定下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号；
器件参数获取模块，用于获取当前时刻导通的测试支路开关对应的测试支路上的待测器件在当前功率循环测试中的壳体表面温度、结温-饱和压降关系曲线、饱和压降、负载电流和负载电压；
循环次数更新模块，用于更新功率循环次数；
第一判断模块，用于判断所述功率循环次数是否小于所述最大循环次数，获得第一判断结果；
功率循环结束模块，用于当所述第一判断结果表示所述功率循环次数等于所述最大循环次数时，结束功率循环测试；
循环结温及损耗确定模块，用于当所述第一判断结果表示所述功率循环次数小于所述最大循环次数时，根据所述结温-饱和压降关系曲线和所述饱和压降确定所述待测器件的循环结温，并根据所述负载电流和负载电压确定功率损耗；
循环热阻确定模块，用于根据所述循环结温、所述功率损耗和所述壳体表面温度确定所述待测器件的循环热阻值；
结束循环判断模块，用于根据所述循环热阻值、所述循环结温、所述负载电压、所述初始饱和压降、所述初始结温和所述初始热阻值确定是否结束功率循环测试。
7.根据权利要求6所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述脉冲信号确定模块具体包括：
第二判断单元，用于判断当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号是否为低电平，获得第二判断结果；
低电平单元，用于当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为高电平时，下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号保持为低电平；
高电平单元，用于当第二判断结果表示当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲信号为低电平时，将下一条要导通的测试支路的驱动脉冲信号置为高电平。
8.根据权利要求6所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述器件参数获取模块具体包括：
结温-饱和压降关系曲线获取单元，用于获取所述待测器件的结温-饱和压降关系曲线；
结温最低点参数获取单元，用于获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最低点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
低电平向高电平转换点参数获取单元，用于获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的低电平向高电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
结温最高点参数获取单元，用于获取所述待测器件在当前功率循环测试中结温最高点的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压；
高电平向低电平转换点参数获取单元，用于获取当前时刻导通的测试支路开关的驱动脉冲的高电平向低电平转换点的所述待测器件的壳体表面温度、饱和压降、负载电流和负载电压。
9.根据权利要求6所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述结束循环判断模块具体包括：
第三判断单元，用于根据所述循环热阻值及所述初始热阻值确定热阻差值是否大于第一阈值，获得第三判断结果；
第四判断单元，用于根据所述负载电压及所述初始饱和压降确定所述压降差值是否大于第二阈值，获得第四判断结果；
第五判断单元，用于根据所述所述循环结温和所述初始结温确定结温差值是否大于第三阈值，获得第五判断结果；
结束测试单元，用于当所述第三判断结果表示所述热阻差值大于第一阈值、所述第四判断结果表示所述压降差值大于第二阈值或所述第五判断结果表示所述结温差值大于第三阈值时，结束功率循环测试。
10.根据权利要求6所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述循环热阻确定模块根据公式：R＝(Tj-Tc)/P确定所述待测器件的循环热阻值，其中，R表示循环热阻，Tj表示循环结温，Tc表示壳体表面温度，P表示功率损耗。
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