CN112986782A - 一种功率半导体特性参数测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及功率半导体特性参数测试技术领域，提供了一种功率半导体特性参数测试系统，包括低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、高压控制单元、器件适配单元和测试主控单元；低压控制单元包括低压项目相关部件和继电器组；继电器组分别设于低压项目相关部件、低压仪表设备单元和待测功率器件之间并根据不同类型的低压参数测试项目预设对应的导通状态；继电器组按照预设导通状态使低压项目相关部件、低压仪表设备单元和待测功率器件之间切换连接状态以形成与测试项目对应的测试电路；将低压测试项目的测试电路整合到一起，通过继电器组，可以更改测试连接方式，自动实现不同测试项目的切换。
Description
技术领域
本发明涉及功率半导体特性参数测试技术领域，具体涉及一种功率半导体特性参数测试系统。
背景技术
在所有的功率半导体器件中，以MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor金属-氧化物半导体场效应晶体管)和IGBT(Insulated Gate BipolarTransistor绝缘栅双极晶体管)为代表的全控型器件，以其电压驱动、低损耗、快速开关等优良的综合特性，在众多领域都获得了大规模的应用。
为了保证功率半导体器件在电力电子系统中得到有效的使用，需要在使用前对器件的各项特性参数进行测试，随着更高电压、更大容量器件和模块的发展，对其进行特性参数测试的测试系统也提出新的要求。
为了全面了解器件特性，就需要对器件的多项特性参数进行测试。如对一个IGBT模块，需要测试的静态特性参数包括：集电极-发射极电压(VCES、VCER、VCEX)，集电极-发射极短路时的栅极-发射极电压(±VGES)，集电极-发射极饱和电压(VCE(sat))，栅极-发射极阈值电压(VGE(th))，集电极截止电流(ICES、ICER、ICEX)，栅极漏电流(IGES)，输入电容(Cies)，输出电容(Coes)，反向传输电容(Cres)，反并二极管压降(VF)和反并二极管电流(IF)等等。
由于各项特性参数所使用的测试设备不同，相应的测试电路及连接方式也有所区别，因此每测试一项特性参数都需要进行一项测试电路的搭建，要测试全部的静态参数，则需要搭建多项测试电路，这样花费的时间长，效率低且成本高。
因此，急需一种测试功能齐全，且能根据测试项目灵活调整的功率半导体特性参数测试系统。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有测试设备在测试不同项目时需要重新搭建，不仅耗时久且成本高的缺陷，提供一种测试功能齐全，能根据测试项目灵活调整的功率半导体特性参数测试系统，通过快速切换到与之适配的测试电路，耗时短，成本低。
为实现上述目的，本发明通过以下技术方案得以实现：一种功率半导体特性参数测试系统，包括低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、高压控制单元、器件适配单元和测试主控单元；
所述器件适配单元包括器件组装连接器、适配连接器、位置控制器以及信号处理器；所述器件组装连接器用于连接待测功率器件和适配连接器，所述适配连接器用于连接低压控制单元或高压控制单元，所述位置控制器用于控制适配连接器的位置，选择连接低压控制单元或连接高压控制单元，所述信号处理器用于接收指令控制所述位置控制器；
所述低压仪表设备单元包括用于功率器件低压参数测试的低压可编程电源、高精度电流表、电压表、宽频精密LCR表、示波器及探头中的至少一种；
所述低压控制单元包括用于功率器件低压参数测试的低压项目相关部件和用于切换连接的继电器组；所述继电器组分别设于低压项目相关部件、低压仪表设备单元和待测功率器件之间并根据不同类型的低压参数测试项目预设对应的导通状态；在进行低压参数测试时，继电器组按照预设的对应导通状态使低压项目相关部件、低压仪表设备单元和待测功率器件之间切换连接状态以形成与测试项目对应的测试电路；
所述高压仪表设备单元包括用于功率器件高压参数测试的高压仪表设备；
所述高压控制单元包括用于功率器件高压参数测试的高压项目相关部件；
所述测试主控单元根据测试需求向低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、器件适配单元发送指令，控制低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、器件适配单元的状态，以及接收并处理从低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、器件适配单元获得的数据。
本发明进一步优选方案为：所述低压项目相关部件包括用于限流保护的电阻、用于控制电流的功率电感，和用于稳压滤波的功率电容中的至少一种。
本发明进一步优选方案为：所述测试电路包括第一测试单元电路和/或第二测试单元电路。
本发明进一步优选方案为：所述待测功率器件为IGBT半导体元件，所述第一测试单元电路用以测试IGBT的集电极-发射极短路时的栅极-发射极电压VGES、栅极漏电流IGES、栅极-发射极阈值电压VGE(th)、集电极-发射极饱和电压VCE(sat)、输入电容Cies、输出电容Coes，以及米勒电容Cres中的至少一种参数。
本发明进一步优选方案为：所述待测功率器件为MOSFET半导体元件，所述第一测试单元电路用以测试MOSFET的漏源短路时的栅极-源极电压VGSS、栅源极漏电流IGSS、栅极阈值电压VGS(th)、反并二极管压降VF，以及反并二极管电流IF中的至少一种参数。
本发明进一步优选方案为：所述待测功率器件为IGBT半导体元件，所述第二测试单元电路用以测试IGBT的集电极-发射极电压VCES和集电极截止电流ICES中的至少一种参数。
本发明进一步优选方案为：所述待测功率器件为MOSFET半导体元件，所述第二测试单元电路用以测试MOSFET的漏源极阻断电压VDSS、漏源极漏电流IDSS、输入电容Cies、输出电容Coes，以及米勒电容Cres中的至少一种参数。
本发明进一步优选方案为：所述待测功率器件由两个IGBT管构成。
本发明进一步优选方案为：所述待测功率器件由两个MOSFET管构成。
综上所述，本发明具有以下有益效果：将低压测试项目的测试电路整合到一起，并在低压控制单元内设置继电器组，通过控制低压控制单元的继电器组，可以更改测试连接方式，自动实现不同测试项目的自动切换。
附图说明
图1是所述功率半导体特性参数测试系统的结构框图。
图2是所述测试电路的连接框图。
图3是测试项目1的局部测试电路(部分忽略)。
图4是测试项目2的局部测试电路简图(部分忽略)。
图5是测试项目3的局部测试电路简图(部分忽略)。
图6a-6c是测试项目4的局部测试电路简图(部分忽略)。
其中：
100、第一测试单元电路；200、第二测试单元电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
如图1所示，本发明提供了一种功率半导体特性参数测试系统，通过对各项特性参数的测试电路进行整合，将各个特性参数的测试电路整合在一个测试系统中，在使用时根据当前的测试项目通过继电器组对测试电路进行切换，完成功率半导体器件IGBT、MOSFET和二极管的多项特性参数的测试。
该测试系统包括低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、高压控制单元、器件适配单元和测试主控单元。
所述器件适配单元包括器件组装连接器、适配连接器、位置控制器以及信号处理器。
所述器件组装连接器用于连接待测功率器件和适配连接器。所述适配连接器用于连接低压控制单元或高压控制单元。具体地，通过位置控制器来控制适配连接器的位置，选择连接低压控制单元或连接高压控制单元，而位置控制器是通过信号处理器接收(测试主控单元发出的)指令。
所述低压仪表设备单元包括用于功率器件低压参数测试的低压可编程电源、高精度电流表、电压表、宽频精密LCR表、示波器及探头。
所述低压控制单元包括用于功率器件低压参数测试的低压项目相关部件和用于切换连接的继电器组。
所述继电器组分别设于低压项目相关部件、低压仪表设备单元和待测功率器件之间并根据不同类型的低压参数测试项目预设对应的导通状态。
在进行低压参数测试时，继电器组按照预设的对应导通状态使低压项目相关部件、低压仪表设备单元和待测功率器件之间切换连接状态以形成与测试项目对应的测试电路。
更具体地，所述低压项目相关部件包括用于限流保护的电阻、用于控制电流的功率电感，和用于稳压滤波的功率电容。
如图2所示，在本实施例中，所述测试电路包括第一测试单元电路100和第二测试单元电路200。第一测试单元电路和第二测试单元电路也是根据测试项目的需要，通过继电器组中的继电器开关进行切换。待测功率器件可以为IGBT半导体元件、MOSFET半导体元件或二极管。在本实施例中，待测功率器件由两个IGBT管构成，或者由两个MOSFET管构成又或者是由两个二极管构成。
当待测功率器件为IGBT半导体元件，所述第一测试单元电路用以测试IGBT的集电极-发射极短路时的栅极-发射极电压VGES、栅极漏电流IGES、栅极-发射极阈值电压VGE(th)、集电极-发射极饱和电压VCE(sat)、输入电容Cies、输出电容Coes，以及米勒电容Cres；所述第二测试单元电路用以测试IGBT的集电极-发射极电压VCES和集电极截止电流ICES。
当待测功率器件为MOSFET半导体元件，所述第一测试单元电路用以测试MOSFET的漏源短路时的栅极-源极电压VGSS、栅源极漏电流IGSS、栅极阈值电压VGS(th)、反并二极管压降VF，以及反并二极管电流IF中的至少一种参数；所述第二测试单元电路用以测试MOSFET的漏源极阻断电压VDSS、漏源极漏电流IDSS、输入电容Cies、输出电容Coes，以及米勒电容Cres。
所述高压仪表设备单元包括用于功率器件高压参数测试的高压仪表设备。
所述高压控制单元包括用于功率器件高压参数测试的高压项目相关部件。
所述测试主控单元根据测试需求向低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、器件适配单元发送指令，控制低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、器件适配单元的状态，以及接收并处理从低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、器件适配单元获得的数据。
图2是将各项特性参数的测试电路整合到一个测试电路的连接框图。在图2中继电器组是由47个继电器(开关)组成，其编号分别为S1-S47，其中S1、S2、S3、S9、S25、和S26是单刀双掷型的继电器，用于选择接入的电路，其余均为单刀单掷型的继电器。该测试电路在整合时，通过继电器(及导线)，可将低压仪表设备单元内各设备(低压可编程电源、高精度电流表、电压表、宽频精密LCR表、示波器及探头等)、低压项目相关部件(电阻、功率电感和功率电容)与待测功率器件相连搭建测试环境。事先根据测试项目，通过控制继电器来将各设备或部件接入电路，同时记录下每项测试时各个继电器的工作状态，并按照测试项目建立映射关系。待下次测试时，测试主控单元根据映射关系发送测试需求，控制继电器组按照预设的导通状态切换到与测试项目相对应的测试电路。具体地，通过工业控制计算机及通信组件以太网交换机发出具体的测试指令，指令传达给控制器，由控制器给具体的继电器发出开关的信号。
测试电路中各部件连接关系不唯一，如电流表的位置，在同一支路中其位置可在部件之前或部件之后均可，符合电路原理即可，而本实施例仅示出了其中的一种，故测试电路内各部件的具体连接结构可在现有测试电路的基础上，增加继电器组，以及用于控制继电器组的控制器(PLC)即可，其余不再赘述。
在本实施例中，进行测试项目时，所参与的继电器及其功能见表1。
表1
根据上表，选其中几个测试项目为例进行说明。
测试项目1：测试IGBT模块下管的集电极-发射极短路时的栅极-发射极电压(VGES)和栅极漏电流(IGES)。
由工业控制计算机给继电器S9、S14、S15、S17、S19发出开启的信号，相关的继电器连通，形成测试VGES和IGES的测试电路(如图3)。然后再由工业控制计算机给电源DP832指令，在测试电路中施加电压或电流，并在电压表和电流表中读取VGES和IGES的具体值。
测试项目2：测试IGBT模块下管的栅极-发射极阈值电压(VGE(th))。
由工业控制计算机给继电器S9、S10、S14、S15、S17发出开启的信号，相关的继电器连通，形成测试VGE(th)的测试电路(如图4)。然后再由工业控制计算机给电源DP832指令，在测试电路中施加由小到大施加电压，并在电流表中根据一定的定义(如IGES＝10mA时)读取电压表的具体值，即为阈值电压。
测试项目3：测试MOSFET模块上管的输出电容(Coes)。
由工业控制计算机给继电器S1、S1、S29、S30、S32、S35、S38、S40、S45、S47发出开启的信号，相关的继电器连通，形成测试VGE(th)的测试电路(如图5)。然后再由工业控制计算机给宽频精密LCR表发出测试指令，测试MOSFET模块上管的输出电容(Coes)。
测试项目3：测试IGBT模块上管的集电极-发射极饱和电压(VCE(sat))。
测试需要分三个阶段实施，第一个阶段：工业控制计算机给继电器S25、S26发出开启的信号，相关的继电器连通，形成测试VCE(sat)的第一阶段测试电路(如图6a)，由电源DP821给母线电容充电；第二个阶段：工业控制计算机给继电器S11、S13、S16、S18、S27发出开启的信号，相关的继电器连通，形成测试VCE(sat)的第二阶段测试电路(如图6b)，由电压源Vg给被测的器件加栅压，使器件导通，充电完成的母线电容放电，在集电极-发射极施加大电流，使用数字示波器和电压探头，测得集电极和发射极二端的电压即为饱和电压(VCE(sat))；第三个阶段：工业控制计算机给继电器S23发出开启的信号，相关的继电器连通，形成测试VCE(sat)的第三阶段测试电路(如图6c)，对大电流进行放电，以保护整个测试电路的仪器设备。
Claims (9)
1.一种功率半导体特性参数测试系统，其特征在于，包括低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、高压控制单元、器件适配单元和测试主控单元；
所述器件适配单元包括器件组装连接器、适配连接器、位置控制器以及信号处理器；所述器件组装连接器用于连接待测功率器件和适配连接器，所述适配连接器用于连接低压控制单元或高压控制单元，所述位置控制器用于控制适配连接器的位置，选择连接低压控制单元或连接高压控制单元，所述信号处理器用于接收指令控制所述位置控制器；
所述低压仪表设备单元包括用于功率器件低压参数测试的低压可编程电源、高精度电流表、电压表、宽频精密LCR表、示波器及探头中的至少一种；
所述低压控制单元包括用于功率器件低压参数测试的低压项目相关部件和用于切换连接的继电器组；所述继电器组分别设于低压项目相关部件、低压仪表设备单元和待测功率器件之间并根据不同类型的低压参数测试项目预设对应的导通状态；在进行低压参数测试时，继电器组按照预设的对应导通状态使低压项目相关部件、低压仪表设备单元和待测功率器件之间切换连接状态以形成与测试项目对应的测试电路；
所述高压仪表设备单元包括用于功率器件高压参数测试的高压仪表设备；
所述高压控制单元包括用于功率器件高压参数测试的高压项目相关部件；
所述测试主控单元根据测试需求向低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、器件适配单元发送指令，控制低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、器件适配单元的状态，以及接收并处理从低压仪表设备单元、低压控制单元、高压仪表设备单元、器件适配单元获得的数据。
2.根据权利要求1所述的功率半导体特性参数测试系统，其特征在于，所述低压项目相关部件包括用于限流保护的电阻、用于控制电流的功率电感，和用于稳压滤波的功率电容中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的功率半导体特性参数测试系统，其特征在于，所述测试电路包括第一测试单元电路和/或第二测试单元电路。
4.根据权利要求3所述的功率半导体特性参数测试系统，其特征在于，所述待测功率器件为IGBT半导体元件，所述第一测试单元电路用以测试IGBT的集电极-发射极短路时的栅极-发射极电压VGES、栅极漏电流IGES、栅极-发射极阈值电压VGE(the)、集电极-发射极饱和电压VCE(sat)、输入电容Ices、输出电容Coes，以及米勒电容Cres中的至少一种参数。
5.根据权利要求3所述的功率半导体特性参数测试系统，其特征在于，所述待测功率器件为MOSFET半导体元件，所述第一测试单元电路用以测试MOSFET的漏源短路时的栅极-源极电压VGSS、栅源极漏电流IGSS、栅极阈值电压VGS(th)、反并二极管压降VF，以及反并二极管电流IF中的至少一种参数。
6.根据权利要求3所述的功率半导体特性参数测试系统，其特征在于，所述待测功率器件为IGBT半导体元件，所述第二测试单元电路用以测试IGBT的集电极-发射极电压VCES和集电极截止电流ICES中的至少一种参数。
7.根据权利要求3所述的功率半导体特性参数测试系统，其特征在于，所述待测功率器件为MOSFET半导体元件，所述第二测试单元电路用以测试MOSFET的漏源极阻断电压VDSS、漏源极漏电流IDSS、输入电容Cies、输出电容Coes，以及米勒电容Cres中的至少一种参数。
8.根据权利要求4或6中所述的功率半导体特性参数测试系统，其特征在于，所述待测功率器件由两个IGBT管构成。
9.根据权利要求5或7中所述的功率半导体特性参数测试系统，其特征在于，所述待测功率器件由两个MOSFET管构成。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210618 |
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