CN112630575B - 大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法。由控制单元、充电单元、主电路单元、保护单元组成，保护技术主要包括利用限流电阻R0、慢放电阻R1和快放电阻R0对充电单元的限流和泄能保护；利用隔离电路和光纤对控制单元的电磁干扰屏蔽保护；利用直流开断保护器件SCR及其触发电路、屏蔽罩和保护二极管D1对主电路单元的调控、绝缘隔离和过压保护。本发明能实现大容量功率半导体模块绑定线在极限工况下的电爆炸过程再现，解决测试系统的电磁干扰问题及测试过程中单元部件失效安全性问题，实现了电磁干扰屏蔽和出现故障情况时测试人员的安全保护，能够安全可靠地进行铝绑定线电爆炸测试。

Description

大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子功率模块可靠性工程技术领域的一种电爆炸测试系统和方法，尤其是涉及一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法。

背景技术

大容量功率半导体器件是第三次技术革命的代表性产品，是电力电子变换器中电磁能转换与传输的核心部件，被广泛应用于机车牵引、智能电网、航空航天、国防军事等领域。目前工业应用对电力电子变换器的功率等级需求达到了MW级甚至GW级，而现有商用大容量功率半导体模块功率等级难以满足，需要采用多个功率模块串联或并联的方式。同时为了满足变换器功率密度需求，串联或者并联的功率模块布局紧凑，一个功率模块的失效爆炸产生的破损物和火花会危及到相邻的功率模块，严重影响功率变换器的可靠性和生存力。

从大量现场事故和研究报告来看，大容量功率半导体模块爆炸普遍被认为是由于半导体芯片对能量失去控制能力之后，因为热聚集引发内部金属材料电爆炸效应而产生的。在功率变换器实际运行过程中由于器件失控或者变换器中的某一器件损坏将会导致出现桥臂直通的现象，此时功率模块中流过的电流为其额定电流的6～8倍，对于大容量功率半导体模块而言，桥臂直通时的短路电流会达到10kA甚至更高，此时大电流产生的焦耳热聚集引发内部金属绑定线电爆炸效应。电爆炸效应是指金属丝在极短的时间内通以很高密度的脉冲电流时，温度急剧升高，由固体变成液体，再到气体，等离子体，并伴随着发光、发热、冲击波、电磁辐射等物理现象。在铝绑定线电爆炸过程中，半导体芯片损毁严重，随即出现功率模块外壳结构失稳和功率母排解列爆裂现象。功率模块的塑料外壳以及硅胶将产生空隙将使得外部空气进入功率模块内部，加上铝绑定线电爆炸产生的高压高温蒸汽柱，功率模块内部压强急剧增大，会引起二次爆炸事故。

因此亟需一个极限工况下的电爆炸测试系统模拟实际运行工况中大容量功率半导体模块铝绑定线的电爆炸情况，以探究功率模块绑定线安全边界以及对实际工况下功率模块进行安全性评估。目前来看，脉冲功率技术和保护技术为电爆炸测试系统中最重要的两部分。

脉冲功率技术其特点是通过充电的方式先将巨大的能量预存于储能元件中，然后经由快速开关以极高的瞬时功率将该能量于极短时间内释放到上绑定线上完成电爆炸测试。电感储能的储能密度高但效率不高(详见专利号：CN201610245600.3)；电容储能效率较高、重复性好且可靠性高，而电爆炸测试系统需要长期不间断运行且对可靠性要求高，因此可以采用电容储能的方式。目前电容器充电技术比较成熟的有三种：带限流电阻的高压直流电源充电，方案实施简单但效率较低；工频谐振式恒流充电，充电恒流特性好，但电压稳定性不高以致难以适应大功率场合；高频开关变换器充电，适用于大功率场合，但存在较大的材料绝缘和分布参数的问题。考虑到大容量功率半导体模块的应用场景以及整套测试系统操作可靠性问题，上述第一种带限流电阻的高压直流电源充电方法是最常用的。

而电爆炸测试系统工作时难免会遇到各种干扰和安全防护的问题，尤其是在高压大电流的工作环境下，功率开关器件和继电器动作、脉冲电容器释放能量和铝绑定线伴有发光、发热、冲击波现象的电爆炸瞬间都容易给信号采集和部件通讯带来电磁干扰问题。此外测试过程中可能会出现的充电异常、开关器件故障、直流开断保护失效的情况，会带来测试系统操作安全问题。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法，在高压大电流的工作环境下，解决测试系统的电磁干扰及测试过程中单元部件失效安全性问题，从而能够安全可靠地进行铝绑定线电爆炸测试。

本发明的大容量是指功率等级，功率等级为MW级以上甚至GW级。

本发明所采用的技术方案是：

一、一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，包括充电单元、保护单元、主电路单元和控制单元；

充电单元，和保护单元、铝绑定线并联连接，充电单元经主电路单元向铝绑定线传输电爆炸所需要的能量；

保护单元，将充电单元与主回路单元隔离并对脉冲电容器C0作泄能保护，给充电单元和主回路单元的过电压保护；

主电路单元，实施铝绑定线电爆炸测试，并在测试过程中进行测量；

控制单元，分别和充电单元、主电路单元、保护单元连接，用于控制充电单元、主电路单元、保护单元的工作。

本发明的铝绑定线为功率半导体模块中的铝绑定线。

所述的充电单元包括高压直流电源Vin、充电继电器K1、模拟电压表、限流电阻R0和脉冲电容器C0；其中，高压直流电源Vin的正输出端与充电继电器K1的一端相连，高压直流电源Vin的负输出端与地相连，充电继电器K1的另一端与限流电阻R0的一端相连，限流电阻R0的另一端作为充电单元的正极，限流电阻R0的另一端与脉冲电容器C0的正极相连，脉冲电容器C0的负极接地，模拟电压表并联在脉冲电容器C0两端；

所述的保护单元包括快放电阻R2、快放继电器K2、保护二极管D1、慢放电阻R1和直流开断保护器件SCR；快放电阻R2和快放继电器K2串联后与保护二极管D1、慢放电阻R1一起并联在脉冲电容器C0两端，直流开断保护器件SCR的阳极和充电单元的正极连接，直流开断保护器件SCR的阴极作为保护单元的输出正极，直流开断保护器件SCR的门极连接到控制单元的驱动板；

所述的主电路单元包括测试机壳和测量电路；

测试机壳包括测试衬板、夹具、托盘、屏蔽罩，铝绑定线通过夹具置于托盘上，托盘放置在测试衬板上，测试衬板外放置罩有屏蔽罩；

测量电路包括高压传输线路、罗氏线圈Rogowski、电阻分压器、示波器、高速扫描相机和冲击波传感器；示波器为数字示波器。其中，罗氏线圈Rogowski绕在高压传输线路上，高压传输线路串联连接铝绑定线，铝绑定线所在的高压传输线路上串联有杂散电感Le，电阻分压器连接在铝绑定线的两端，罗氏线圈Rogowski和电阻分压器的输出端通过探头接入示波器，屏蔽罩外布置设有高速扫描相机，冲击波传感器放置于屏蔽罩内测试衬板旁；

所述的高速扫描相机通过屏蔽罩开设的光学诊断窗口对铝绑定线进行拍照，用于记录铝绑定线爆炸过程的等离子体柱整体图像；

所述罗氏线圈Rogowski用于测量铝绑定线上流经的电流，电阻分压器用于测量铝绑定线两端电压；

所述示波器用于记录罗氏线圈Rogowski的电流和电阻分压器的电压波形；

所述冲击波传感器用于测量铝绑定线爆炸过程冲击应力的大小。

所述控制单元包括电脑、光电转换器、中央控制器和驱动板；电脑依次经电光转换器、光电转换器后和中央控制器相连，光电转换器分别和示波器、充电单元的高压直流电源Vin连接，中央控制器经隔离电路与冲击波传感器相连，中央控制器和驱动板连接，驱动板分别和充电单元的充电继电器K1、保护单元的快放继电器K2、直流开断保护器件SCR的门极连接。

具体地，电脑通过网线和电光转换器连接，电光转换器经光纤和光电转换器连接，光电转换器经网线与中央控制器连接，光电转换器经网线和示波器、高压直流电源Vin相连，中央控制器通过光纤和驱动板相连。

具体地，

所述的控制单元：

用于给高压直流电源Vin提供电压指令；

用于调控充电继电器K1使充电单元工作；

用于为直流开断保护器件SCR提供触发信号，以控制SCR由关断切换至开通状态，进而使得充电单元与主电路单元连通；

用于示波器的电压电流信号、冲击波传感器的信号和高速扫描相机的图像采集；

用于调控快放继电器K2对充电单元作快速/紧急泄能保护。

充电单元：

用于调控脉冲电容器C0的初始电压；

内部的脉冲电容器C0用于在直流开断保护器件SCR由关断状态切换至导通状态后给主电路单元传输铝绑定线电爆炸所需要的能量；

所述充电继电器K1的控制信号由控制单元提供。

主电路单元：

用于在直流开断保护器件SCR由关断状态切换至导通状态后接收充电单元传输的能量，进行铝绑定线电爆炸测试的实施和结果测量。

保护单元：

用于连接充电单元和主电路单元，将充电单元与主回路单元隔离，确保充电单元充电过程与主回路单元测试及测量过程不会同时发生；

用于控制系统出现故障时，对脉冲电容器C0作泄能保护；

用于含铝绑定线的测试衬板与外部环境的隔离；

用于充电单元的过电压保护，用于主电路单元杂散电感因突变电流振荡的过电压保护。

所述直流开断保护器件SCR增加为多个，多个直流开断保护器件SCR间采用串并联的拓扑方法连接，能够提高测试系统峰值通流能力，进而增强了所述大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统的拓展性和安全性。

所述的驱动板经触发电路和直流开断保护器件SCR的门极连接，所述的触发电路采用强触发保护电路，包括九个电阻R3～R11、两个电容C1～C2、光耦器件P、七个二极管D10～D16、一个NPN器件、一个MOSFET器件以及一个升压比为1:3的变压器T；其中，电阻R3的一端与驱动板的GPIO信号引脚相连，电阻R3的另一端经二极管D10与光耦器件P的正相输入端相连，光耦器件P的负相输入端接地，光耦器件P的正相输出端接24V电源，光耦器件P的负相输出端经电阻R4接地，光耦器件P的负相输出端经电阻R5接NPN器件的基极，NPN器件的发射极接地，NPN器件的集电极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与二极管D11的负极相连，二极管D11的正极与二极管D12的负极相连，二极管D12的正极接24V电源，NPN器件的集电极与二极管D13的正极相连，二极管D13的负极与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端接24V电源，二极管D13的负极经电容器C1接24V电源，二极管D13的两端和变压器T原边并联，变压器T副边的正输出端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与二极管D14的正极相连，二极管D14的负极与二极管D15的负极相连，二极管D15的正极与变压器T副边的负输出端相连，电阻R8的另一和MOSFET器件的栅极相连，二极管D15的正极和MOSFET器件的源极相连，电阻R9连接在MOSFET器件的栅极和源极之间，MOSFET器件的漏极经电阻R10接24V电源，MOSFET器件的漏极经电容器C2接地，MOSFET器件的源极经电阻R11与二极管D16的负极相连，二极管D16的正极接地，二极管D16的负极输出触发信号G到直流开断保护器件SCR的门极。

所述的电阻R10和R11采用可调电阻器，电容器C2采用可调电容器；共同调整电阻R10、电阻R11、电容器C2的值改变输出的触发信号G的幅值和脉宽。

所述的快放继电器K2、充电继电器K1的控制信号和直流开断保护器件SCR的触发信号均由驱动板实现，驱动板采用DSP。

所述的保护单元中，保护二极管D1通过反并联的方式接在脉冲电容器C0两端。

二、所述铝绑定线电爆炸测试系统的测试方法，所述测试方法包括：

(1)测试系统上电自检，若此过程控制单元的中央控制器通信失效，则进行故障排查，直至中央控制器通信恢复正常；

(2)控制单元控制充电继电器K1打开，使得充电单元工作，高压直流电源Vin向脉冲电容器C0充电，通过模拟电压表观察脉冲电容器C0两端的电压，直到脉冲电容器C0充电完成；

(3)在由模拟电压表观察到脉冲电容器C0充电完成后，控制单元控制充电继电器K1关闭，充电单元停止工作；

(4)控制单元给保护单元的直流开断保护器件SCR提供触发信号，使得充电单元与主电路单元连通，脉冲电容器C0储存的能量通过高压传输线路后迅速流到测试衬板上的铝绑定线使得铝绑定线发生电爆炸，

测量电路中的罗氏线圈Rogowski、电阻分压器、高速扫描相机和冲击波传感器分别采集记录铝绑定线上的电流、脉冲高压、电爆炸产生的等离子体柱图像以及冲击应力的完整波形并传输存入电脑，通过电压电流数据(即绑定线上的电流、脉冲高压)在电脑端在计算得出的绑定线电阻数据来判断绑定线电爆炸测试是否完成；

(5)测试完成后，通过控制单元控制快放继电器K2打开，快速释放掉脉冲电容器C0的剩余能量，通过模拟电压表观察脉冲电容器C0两端的电压，直到脉冲电容器C0释放能量过程完成；

(6)在脉冲电容器C0释放能量过程完成后，通过控制单元控制快放继电器K2关闭，整理电脑中得到的测量数据，给测试系统下电，并准备下一次实验。

所述的测试流程(1)～(6)中利用光纤和隔离电路对控制单元进行电磁干扰屏蔽保护。

所述的隔离电路设置在主电路单元的冲击波传感器和控制单元的中央控制器间的连接处，隔离电路用于对主回路单元的冲击波传感器的冲击应力信号进行隔离；隔离电路采用电隔离、磁隔离或光隔离的方式。

所述光纤位于控制单元内部的驱动板和中央控制器之间、光电转换器和电光转换器之间的连接处。

所述的测试流程(2)中，利用限流电阻R0对充电单元进行限流保护，限流电阻R0用于减小直流高压电源Vin给脉冲电容器C0的充电电流，防止脉冲电容器C0在充电过程中受到损坏。所述限流电阻R0一端连接充电继电器K1，一端连接脉冲电容器C0的正极。

所述测试流程(2)～(5)中，利用慢放电阻R1对充电单元进行泄能保护，慢放电阻R1用于控制单元出现故障时，由快放电阻R2和快放继电器K2组成的快速泄能保护失效，对充电单元脉冲电容器C0作慢速泄能保护；慢放电阻R1用于当脉冲电容器C0发生故障时，对充电单元直流高压电源Vin的泄能保护。所述慢放电阻R1并联在脉冲电容器C0两端，具体实施可以采用2MΩ的大电阻。

所述测试流程(2)～(5)中，利用直流开断保护器件SCR及其触发电路对充电单元和主电路单元进行调控保护。直流开断保护器件SCR用于连接充电单元和主电路单元，将充电单元与主回路单元隔离开，确保充电单元充电过程与主回路单元测试及测量过程不会同时段发生，进而充当充电单元和主回路单元间能量传递的调控保护。按照电路结构，所述直流开断保护器件SCR的阳极与脉冲电容器C0的正极相连，阴极经高压传输线路与铝绑定线相连。

所述屏蔽罩仅覆盖在含有大容量功率半导体模块铝绑定线的测试衬板和冲击波压力传感器上，设有两个光学玻璃密封的光学诊断窗口、两个高压电缆连接头以及一个抽真空接口，用于光学诊断及高压绝缘保护；所述屏蔽罩采用亚克力材料或其他专业防爆材料。

在所述测试流程(4)中，利用屏蔽罩对主电路单元进行绝缘隔离保护，屏蔽罩用于含铝绑定线的测试衬板与外部环境的隔离，将铝绑定线电爆炸测试时产生的光对外部光电隔离电路的影响降到最低。

所述保护二极管D1通过反并联的方式接在脉冲电容器C0两端；在所述实施流程(4)～(5)中，利用保护二极管D1对主电路单元进行过压保护，保护二极管D1用于减少脉冲电容器C0与主电路单元连通时因回路杂散电感上的电流突变产生的振荡从而引起的过压现象。

所述测试流程(5)中利用快放电阻R2和快放继电器K2对充电单元的快速泄能保护，快放电阻R2、快放继电器K2用于对充电单元作紧急/快速泄能保护。所述快放电阻R2和快放继电器K2串联起来后并联在脉冲电容器C0两端；所述快放电阻R2采用2kΩ/3kW的功率电阻；所述快放继电器K2采用高压真空断路器；所述快放继电器K2的控制信号由控制单元提供。

本发明由控制单元、充电单元、主电路单元、保护单元等部分组成，可以实现大容量功率半导体模块绑定线在极限工况下的电爆炸过程再现。保护技术主要包括利用限流电阻R0、慢放电阻R1和快放电阻R0对充电单元的限流和泄能保护；利用隔离电路和光纤对控制单元的电磁干扰屏蔽保护；利用直流开断保护器件SCR及其触发电路、屏蔽罩和保护二极管D1对主电路单元的调控、绝缘隔离和过压保护，实现了测试系统的电磁干扰屏蔽和电爆炸测试过程中出现故障情况时对各单元及测试人员的安全保护。

本发明的有益效果是：

1、本发明设计了功率半导体模块中的铝绑定线电爆炸测试系统，通过本测试系统，能够得到不同几何尺寸(直径，长度)铝绑定线在不同的脉冲电容器C0初始电压下的电爆炸效应参数，如电压，电流，冲击应力和绑定线等离子体柱图像，为大功率器件铝绑定线电爆炸效应过程的探究提供理论和数据支持。

2、本发明的电爆炸测试系统涉及的控制器一般为DSP、FPGA、NI的工业控制器CompactRIO或其他工业控制器，具有较高的自动化水平，可以在保证电爆炸测试时的测试精度和测量精度的前提下减轻测试人员的工作量。

3、本发明的电爆炸测试系统涉及高压、大电流以及绝缘问题，具有较强的可靠性和安全性。根据系统可能会出现的问题如充电异常、开关故障、直流开断保护失效，本发明制定了相应的保护技术，如屏蔽罩、隔离电路和紧急泄能保护等来确保电磁干扰和测试系统的安全可靠问题得到了保障。此外，测试人员通过控制外部电脑远程控制测试系统内部的测试工作，远离高压测试环境，也保证了测试人员的安全。

4、本发明的电爆炸测试系统具有较好的可拓展性，在设计测试系统时考虑到测试功率等级的未来的进一步提高，直流开断保护器件SCR可采用串并联的拓扑方法来提高测试系统峰值通流能力，进而适用于更高功率等级的大功率器件铝绑定线电爆炸测试。

附图说明

图1是本发明中使用的大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统结构示意图。

图2是本发明中使用的大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统的等效实验电路示意图。

图3是本发明中使用的大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统的实施方式流程图。

图4是本发明中使用的大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统的保护技术涉及的各环节作用时序图。

图5为本发明中电爆炸测试中典型的铝绑定线电爆炸瞬间其电阻随时间变化的曲线图。

图6是本发明中使用的大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统的强触发保护电路示意图。

图7是本发明中使用的大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统的强触发保护电路的强触发电流波形。

具体实施方式

下面将结合本发明的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1所示了大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统结构示意图。整个测试系统主要包括四个单元：控制单元、充电单元、主电路单元、保护单元。

控制单元，用于给高压直流电源Vin提供电压指令，用于给充电继电器K1、直流开断保护器件SCR、快放继电器K2提供开关控制信号，以控制充电单元的工作、充电单元与主电路单元的连通以及保证充电单元的安全。控制单元包括电脑、光电转换器、中央控制器和驱动板，中央控制器采用DSP、FPGA、NI的工业控制器CompactRIO或其他工业控制器，其中，电脑通过网线、电光转换器、光纤、光电转换器和网线与中央控制器和示波器相连，中央控制器通过光纤和驱动板相连，中央控制器通过隔离电路与冲击波传感器相连；

充电单元，用于调控脉冲电容器C0的初始电压；用于在直流开断保护器件SCR由关断状态切换至导通状态后脉冲电容器C0给主电路单元传输铝绑定线电爆炸所需要的能量。充电单元包括高压直流电源Vin、充电继电器K1、限流电阻R0和脉冲电容器C0，其中：高压直流电源Vin的调节范围为400～6000V，高压直流电源Vin的正输出端与充电继电器K1的一端相连，高压直流电源Vin的负输出端与地相连，充电继电器K1的另一端与限流电阻R0的一端相连，限流电阻R0的另一端与脉冲电容器C0的正极相连，脉冲电容器C0的负极接地；

主电路单元，用于开展铝绑定线电爆炸测试的实施和结果测量，高压传输线路的杂散电感Le可以实现在线调节，调节范围为40～200nH。主电路单元分为测试机壳及测量电路，包括高压传输线路、含铝绑定线的测试衬板、夹具、托盘、罗氏线圈Rogowski、电阻分压器、衰减器、示波器、高速扫描相机等；保护单元包括直流开断保护器件SCR及其触发电路、慢放电阻R1、快放电阻R2、快放继电器K2、保护二极管D1、光纤、隔离电路和屏蔽罩。罗氏线圈Rogowski用于测量铝绑定线上流经的电流，电阻分压器用于测量铝绑定线两端电压，示波器用于记录上述的电流、电压波形，高速扫描相机用于记录铝绑定线爆炸过程的等离子体柱整体图像，冲击波传感器用于测量铝绑定线爆炸过程冲击应力的大小，记录的波形和数据均存入电脑。

保护单元，用于连接充电单元和主电路单元，将充电单元与主回路单元隔离开，确保充电单元充电过程与主回路单元测试及测量过程不会同时段发生；用于控制系统出现故障时，对脉冲电容器C0作泄能保护；用于含铝绑定线的测试衬板与外部环境的隔离；用于杂散电感因突变电流振荡的过电压保护。

如图3所示，以下为大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统的实施方式的简略流程：

(1)测试开始前，测试人员根据测试要求调整铝绑定线参数(直径、长度、数量)以及高压传输线路的杂散电感Le，给测试系统上电，系统通过自检后，测试人员通过控制单元的电脑设置充电单元的高压直流电源的输出电压值，输出范围为400～6000V。

(2)测试人员通过控制单元的电脑控制充电继电器K1打开，使得充电单元工作，高压直流电源通过限流电阻给脉冲电容器C0充电，使得脉冲电容器C0的充电电流不会过高而造成损坏，通过模拟电压表观察脉冲电容器C0两端的电压，等待其充电完成；

(3)脉冲电容器C0充电完成后，测试人员通过控制单元的电脑控制充电继电器K1关闭，充电单元停止工作，此时由于直流开断保护器件SCR处于关断状态，因此充电单元和主电路电元之间并未连通，脉冲电容器C0上储存的能量在进行流程(4)前可以通过慢放电阻R1的回路缓慢释放，不会对脉冲电容器C0造成损坏；

(4)测试人员通过控制单元的电脑给保护单元的直流开断保护器件SCR提供触发信号，直流开断保护器件SCRSCR导通瞬间要耐受高压大电流，充电单元与主电路单元连通，脉冲电容器C0储存的能量会通过高压传输线路后迅速流经测试衬板上的铝绑定线使得铝绑定线发生电爆炸，伴有发光、发热、冲击波现象，绑定线电爆炸电阻随着时间变化的过程如图5所示。整个过程持续时间为几十～几百μs。此时屏蔽罩会起到电磁屏蔽以及防止电爆炸产物对测试系统其他部件损坏的作用，隔离电路也能起到对冲击波传感器的冲击应力信号进行隔离的作用。在此过程中测量电路罗氏线圈Rogowski、电阻分压器、高速扫描相机和冲击波传感器会分别自动记录铝绑定线上的脉冲高压和电流，绑定线电爆炸产生的等离子体柱图像以及冲击应力的完整波形，通过隔离电路和光纤，并存入电脑，通过脉冲高压和电流数据在电脑端在计算得出的绑定线电阻数据来判断绑定线电爆炸测试是否完成；

(5)测试完成后，为了防止电容器C0上的残余能量会对下一次测试开始充电单元部件造成损伤，测试人员通过控制单元的电脑控制快放继电器K2打开，迅速释放掉脉冲电容器C0的剩余能量，通过模拟电压表观察脉冲电容器C0两端的电压，等待其释放能量过程完成；

(6)释放能量过程完成后，测试人员通过控制单元的电脑控制快放继电器K2关闭，此时因为主电路单元中存在的电流已经很低了，所以直流开断保护器件SCR会自动关断。测试人员整理电脑中得到的测量数据，给测试系统下电，并准备下一次实验。得到的测量数据可为大功率器件铝绑定线安全边界条件的探究提供理论和数据支持。

上述实施方式每一步流程中可能会出现的失效模式及该流程下应用的保护技术如图4所示，保护技术涉及的硬件设施包括直流开断保护器件SCR及其触发电路、限流电阻R0、慢放电阻R1、快放电阻R2、快放继电器K2、保护二极管D1、光纤、隔离电路和屏蔽罩：

限流电阻R0用于减小高压直流电源Vin给脉冲电容器C0的充电电流，让脉冲电容器C0不会在充电过程中受损坏，采用20MΩ的水电阻；

慢放电阻R1用于控制单元出现故障时，可以将充电单元中脉冲电容器C0的充电能量缓慢泄放掉以保证测试系统的操作安全，慢放电阻R1并联在脉冲电容器C0两端，采用2MΩ的大电阻；

快放电阻R2、快放继电器K2用于每次电爆炸测试结束后合上将充电单元中脉冲电容器C0的剩余能量迅速释放掉，为下一次测试做好准备。快放电阻R2和快放继电器K2串联起来后并联在脉冲电容器C0两端，快放电阻R2采用2kΩ/3kW的功率电阻，快放继电器K2采用高压真空断路器；

保护二极管D1采用高压二极管，最高耐压可达到6kV，用于减少脉冲电容器C0与主电路单元连通时因回路杂散电感上的电流突变产生的振荡从而引起的过压现象，保护二极管D1通过反并联的方式接在脉冲电容器C0两端；

隔离电路可采用电隔离、磁隔离或光隔离的方式，用于对冲击波传感器的冲击应力信号进行隔离，隔离电路主要位于主电路单元的冲击波传感器和控制单元的中央控制器间的连接处，光纤位于控制单元驱动板和中央控制器、电脑和中央控制器的连接处；

屏蔽罩采用亚克力材料或其他防爆材料，用于含铝绑定线的测试衬板与外部环境的隔离，仅覆盖在含有大容量功率半导体模块铝绑定线的测试衬板和冲击波压力传感器上，设有两个光学玻璃密封的光学诊断窗口、两个高压电缆连接头以及一个抽真空接口，用于光学诊断及高压绝缘保护；

直流开断保护器件SCR的开通时间在5μs以内，通态峰值电流可达5kA，用于连接充电单元和主电路单元，将充电单元与主回路单元隔离开，确保充电单元充电过程与主回路单元测试及测量过程不会同时段发生，进而充当充电单元和主回路单元间能量传递的调控保护。直流开断保护器件SCR的阳极与脉冲电容器C0的正极相连，阴极与高压传输线路相连，进而与铝绑定线相连。

驱动板经触发电路和直流开断保护器件SCR的门极连接，图6所示了直流开断保护器件SCR的强触发保护电路示意图，包括九个电阻R3～R11、两个电容C1～C2、型号为TPL521的光耦器件P、七个二极管D10～D16、一个NPN器件、一个型号为IRF530的MOSFET器件以及一个升压比为1:3的变压器T；其中，电阻R3的一端与驱动板的GPIO信号引脚相连，电阻R3的另一端经二极管D10与光耦器件P的正相输入端相连，光耦器件P的负相输入端接地，光耦器件P的正相输出端接24V电源，光耦器件P的负相输出端经电阻R4接地，光耦器件P的负相输出端经电阻R5接NPN器件的基极，NPN器件的发射极接地，NPN器件的集电极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与二极管D11的负极相连，二极管D11的正极与二极管D12的负极相连，二极管D12的正极接24V电源，NPN器件的集电极与二极管D13的正极相连，二极管D13的负极与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端接24V电源，二极管D13的负极经电容器C1接24V电源，二极管D13的两端和变压器T原边并联，NPN器件的集电极与变压器T原边的负输入端相连，变压器T副边的正输出端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与二极管D14的正极相连，二极管D14的负极与二极管D15的负极相连，二极管D15的正极与变压器T副边的负输出端相连，电阻R8的另一和MOSFET器件的栅极相连，二极管D15的正极和MOSFET器件的源极相连，电阻R9连接在MOSFET器件的栅极和源极之间，MOSFET器件的漏极经电阻R10接24V电源，MOSFET器件的漏极经电容器C2接地，MOSFET器件的源极经电阻R11与二极管D16的负极相连，二极管D16的正极接地，二极管D16的负极输出触发信号G到直流开断保护器件SCR的门极。

具体实施中，二极管D14、D15采用稳压二极管，D10、D11采用发光二极管，D12、D13采用普通二极管。NPN器件为三极管。

来自DSP控制板GPIO引脚的高电平信号，经过光耦器件P转换成变压器T一次侧的脉冲电压信号，变压器二次侧输出的信号可以直接驱动MOSFET导通。二极管D13用来在脉冲电压信号消失时，使变压器T的原边电流迅速减小到0，避免引起变压器磁饱和。

在此之前24V电源已通过R10给电容C2充好电了，电容C2的初始电压为24V，MOSFET导通后的过程可以等效为求解RC一阶电路零输入响应的过程，24V电源通过R10和R11放电的同时电容C2经R11放电，这两者叠加共同形成强触发脉冲，稳压二极管D16用于防止直流开断保护器件SCR因门极与阴极间电势差过高而损坏。同时调整电阻R10、电阻R11、电容器C2的值可以改变输出的触发信号G的幅值和脉宽。假定光耦器件P和脉冲变压器T(额定传输脉宽为2ms)具有理想的传输特性，已知触发回路杂散电感为5μH，目标直流开断保护器件SCR最小驱动电流为0.25A。电感选取电阻器R10为10Ω，电阻器R11为40Ω，电容C2为220μF，可得到强触发电流波形如图7所示，触发前沿上升时间为0.4μs，触发电流幅值为0.38A，触发前沿上升率达到了0.95A/μs，触发宽度达到了2ms，该强触发保护电路设计满足直流开断保护器件SCR可靠触发的要求。

由此实施可见，本发明可在高压大电流的工作环境下，解决测试系统的电磁干扰问题及测试过程中单元部件失效安全性问题，从而能够安全可靠地进行铝绑定线电爆炸测试，对极端工况下功率模块安全性评估具有重要意义。

Claims (8)

1.一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于，包括充电单元、保护单元、主电路单元和控制单元；

充电单元，和保护单元、铝绑定线并联连接，充电单元经主电路单元向铝绑定线传输电爆炸所需要的能量；

保护单元，将充电单元与主回路单元隔离并对脉冲电容器C0作泄能保护，给充电单元和主回路单元的过电压保护；

主电路单元，实施铝绑定线电爆炸测试，并在测试过程中进行测量；

控制单元，分别和充电单元、主电路单元、保护单元连接，用于控制充电单元、主电路单元、保护单元的工作；

所述的保护单元包括快放电阻R2、快放继电器K2、保护二极管D1、慢放电阻R1和直流开断保护器件SCR；

所述控制单元包括电脑、光电转换器、中央控制器和驱动板；

所述的驱动板经触发电路和直流开断保护器件SCR的门极连接，所述的触发电路采用强触发保护电路，包括九个电阻R3～R11、两个电容C1～C2、光耦器件P、七个二极管D10～D16、一个NPN器件、一个MOSFET器件以及一个升压比为1:3的变压器T；其中，电阻R3的一端与驱动板的GPIO信号引脚相连，电阻R3的另一端经二极管D10与光耦器件P的正相输入端相连，光耦器件P的负相输入端接地，光耦器件P的正相输出端接24V电源，光耦器件P的负相输出端经电阻R4接地，光耦器件P的负相输出端经电阻R5接NPN器件的基极，NPN器件的发射极接地，NPN器件的集电极与电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与二极管D11的负极相连，二极管D11的正极与二极管D12的负极相连，二极管D12的正极接24V电源，NPN器件的集电极与二极管D13的正极相连，二极管D13的负极与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端接24V电源，二极管D13的负极经电容器C1接24V电源，二极管D13的两端和变压器T原边并联，变压器T副边的正输出端与电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与二极管D14的正极相连，二极管D14的负极与二极管D15的负极相连，二极管D15的正极与变压器T副边的负输出端相连，电阻R8的另一和MOSFET器件的栅极相连，二极管D15的正极和MOSFET器件的源极相连，电阻R9连接在MOSFET器件的栅极和源极之间，MOSFET器件的漏极经电阻R10接24V电源，MOSFET器件的漏极经电容器C2接地，MOSFET器件的源极经电阻R11与二极管D16的负极相连，二极管D16的正极接地，二极管D16的负极输出触发信号G到直流开断保护器件SCR的门极。

2.如权利要求1所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：

所述的充电单元包括高压直流电源Vin、充电继电器K1、模拟电压表、限流电阻R0和脉冲电容器C0；其中，高压直流电源Vin的正输出端与充电继电器K1的一端相连，高压直流电源Vin的负输出端与地相连，充电继电器K1的另一端与限流电阻R0的一端相连，限流电阻R0的另一端作为充电单元的正极，限流电阻R0的另一端与脉冲电容器C0的正极相连，脉冲电容器C0的负极接地，模拟电压表并联在脉冲电容器C0两端；

所述的保护单元的快放电阻R2和快放继电器K2串联后与保护二极管D1、慢放电阻R1一起并联在脉冲电容器C0两端，直流开断保护器件SCR的阳极和充电单元的正极连接，直流开断保护器件SCR的阴极作为保护单元的输出正极，直流开断保护器件SCR的门极连接到控制单元；

所述的主电路单元包括测试机壳和测量电路；

测试机壳包括测试衬板、夹具、托盘、屏蔽罩，铝绑定线通过夹具置于托盘上，托盘放置在测试衬板上，测试衬板外放置罩有屏蔽罩；

测量电路包括高压传输线路、罗氏线圈Rogowski、电阻分压器、示波器、高速扫描相机和冲击波传感器；其中，罗氏线圈Rogowski绕在高压传输线路上，高压传输线路串联连接铝绑定线，电阻分压器连接在铝绑定线的两端，罗氏线圈Rogowski和电阻分压器的输出端通过探头接入示波器，屏蔽罩外布置设有高速扫描相机，冲击波传感器放置于屏蔽罩内测试衬板旁。

3.如权利要求2所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：

所述的控制单元的电脑依次经电光转换器、光电转换器后和中央控制器相连，光电转换器分别和示波器、充电单元的高压直流电源Vin连接，中央控制器经隔离电路与冲击波传感器相连，中央控制器和驱动板连接，驱动板分别和充电单元的充电继电器K1、保护单元的快放继电器K2、直流开断保护器件SCR的门极连接。

4.如权利要求2所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：

所述直流开断保护器件SCR增加为多个，多个直流开断保护器件SCR间采用串并联的拓扑方法连接。

5.如权利要求1所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：所述的电阻R10和R11采用可调电阻器，电容器C2采用可调电容器；共同调整电阻R10、电阻R11、电容器C2的值改变输出的触发信号G的幅值和脉宽。

6.如权利要求2所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：所述的快放继电器K2、充电继电器K1的控制信号和直流开断保护器件SCR的触发信号均由驱动板实现。

7.如权利要求2所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：所述的保护单元中，保护二极管D1通过反并联的方式接在脉冲电容器C0两端。

8.应用于权利要求1～7任一所述铝绑定线电爆炸测试系统的测试方法，其特征在于：所述测试方法包括：

(1)测试系统上电自检，若此过程控制单元的中央控制器通信失效，则进行故障排查，直至中央控制器通信恢复正常；

(2)控制单元控制充电继电器K1打开，使得充电单元工作，高压直流电源Vin向脉冲电容器C0充电，通过模拟电压表观察脉冲电容器C0两端的电压，直到脉冲电容器C0充电完成；

(3)在由模拟电压表观察到脉冲电容器C0充电完成后，控制单元控制充电继电器K1关闭，充电单元停止工作；

(4)控制单元给保护单元的直流开断保护器件SCR提供触发信号，使得充电单元与主电路单元连通，脉冲电容器C0储存的能量通过高压传输线路后流到测试衬板上的铝绑定线使得铝绑定线发生电爆炸，

测量电路中的罗氏线圈Rogowski、电阻分压器、高速扫描相机和冲击波传感器分别采集记录铝绑定线上的电流、脉冲高压、电爆炸产生的等离子体柱图像以及冲击应力的完整波形并传输存入电脑，通过电压电流数据在电脑端在计算得出的绑定线电阻数据来判断绑定线电爆炸测试是否完成；

(5)测试完成后，通过控制单元控制快放继电器K2打开，快速释放掉脉冲电容器C0的剩余能量，通过模拟电压表观察脉冲电容器C0两端的电压，直到脉冲电容器C0释放能量过程完成；

(6)在脉冲电容器C0释放能量过程完成后，通过控制单元控制快放继电器K2关闭，给测试系统下电。

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