CN113138329A - 一种适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路，包含并联的多条待测器件电路和一条旁路电路，所述待测器件电路由第一大电流开关与待测器件串联组成，所述旁路电路由第二大电流开关与旁路电阻串联组成；还包括控制器，所述控制器用于控制各条待测器件电路与旁路电路中第一和第二大电流开关的通断，并采用分时导通的控制策略即同一时刻仅有一条电路流过大电流。该电路用于多个GaN功率半导体器件的功率循环测试，消除了传统功率循环电路可能引起的串联不均压或并联不均流问题，保证了功率循环测试条件的一致性，同时具有电源利用率高等优点。
Description
技术领域
本发明涉及功率模块测试技术领域，具体涉及一种适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路。
背景技术
随着半导体技术以及电力电子技术的飞速发展，半导体功率器件在新能源发电、轨道交通、消费电子等多个领域得到了广泛运用。电力电子技术的高频、高功率密度等发展趋势对半导体功率器件提出了更高的要求，GaN（氮化镓）等第三代功率半导体器件也得到了飞速发展。GaN最初用于雷达、激光器等军用领域，由于技术的成熟和成本的下降，近年来逐步向民用领域发展，被广泛用于服务器电源、充电器、通用开关电源等电力电子领域。由于GaN功率半导体器件的发展时间较短，其老化失效机理尚不明确，因此加快GaN功率半导体器件的老化失效进程，研究GaN功率半导体器件的可靠性，对提升电力电子装置可靠性具有重大的意义。
功率循环实验是目前最为常用的一种可靠性测试方法。通过控制待测器件电流的导通与关断，快速完成待测器件的升温与降温过程，向待测器件快速施加实际运行工况中受到的包含热、电、机等多物理场耦合的综合应力，从而模拟并大大加速待测器件在真实工作条件下的老化进程。
现有的用于测试功率半导体器件的功率循环主电路主要有串联结构和并联结构两种。串联结构是一种常用的功率循环主电路结构，此结构可以有效提升电源利用率，但可能会出现串联不均压问题，且由于导通压降的原因，限制了待测器件的数量；并联结构也是一种常用的功率循环主电路结构，但该结构中的待测器件可能会出现不均流问题。面对GaN半导体器件开关频率高、寄生参数小、易受电路寄生参数干扰的特点，传统功率循环电路结构存在的导通电压不均或导通电流不均问题将破坏功率循环测试条件的一致性，降低了实验数据的可信度；此外，GaN功率半导体器件对栅极驱动回路和主电路设计布局要求极高，稍有不慎极易引发栅极震荡现象，破坏GaN功率半导体器件正常工作状态，对实验结论造成干扰；而不同的GaN功率器件结构带来的栅极驱动条件不一致性更是对栅极驱动的设计提出了更高的要求。
发明内容
针对现有功率循环主电路存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种既可以同时实现多个功率半导体器件进行功率循环测试，又可以较好克服传统功率循环电路存在的参数不一致问题，并简化栅极设计、避免GaN功率半导体器件栅极震荡现象的，适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路，其特征在于，包含并联的多条待测器件电路和一条旁路电路，所述待测器件电路由第一大电流开关与待测器件串联组成，所述旁路电路由第二大电流开关与旁路电阻串联组成；还包括控制器，所述控制器用于控制各条待测器件电路与旁路电路中第一和第二大电流开关的通断，并采用分时导通的控制策略即同一时刻仅有一条电路流过大电流。
进一步，所述旁路电路的电阻阻值与待测器件导通电阻值相当，其导通时刻与待测器件导通时间互补。所述待测器件的栅极通过可调的栅极驱动电路驱动。其中，所述第一电流开关和第二大电流开关为继电器，或IGBT、MOSFET等电力电子开关器件。
本发明适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路，主要用于生产GaN功率半导体器件的厂家或者相关研究者使用；还适用于Si、SiC等材料的功率半导体器件进行功率循环测试。
相比现有技术，本发明具有如下有益效果：
1、本发明用于进行功率半导体器件的功率循环测试，主电路采用多路并联，并由多路待测器件电路中的第一大电流开关控制向待测器件注入的大幅值电流；所述旁路电路与多路待测器件电路并联，抑制大小电流切换或不同待测器件大电流切换时引起的电压、电流尖峰；所述控制器用于控制多路待测器件电路、旁路电路大电流开关的动作，并采用分时导通的控制策略，即同一时刻仅有唯一一条电路流过大电流，实现多个功率半导体器件进行功率循环测试，又可以较好克服传统功率循环电路存在的参数不一致问题，由此解决了传统功率循环电路存在的测试条件一致性问题。该电路用于进行多个功率半导体器件的功率循环测试，消除了传统功率循环电路可能存在的串联不均压或并联不均流问题，保证了功率循环测试条件的一致性，同时具有电源利用率高等优点。
2、本发明采用并联的多条待测器件电路，通过分别向各待测器件注入大幅值电流，利用待测器件的自发热实现待测器件的升温过程；旁路电路采用与待测器件导通电阻阻值近似的旁路电阻来实现旁路功能，其导通时刻与多路待测器件导通时间互补，以抑制大小电流切换或不同待测器件大电流切换时引起的电压、电流尖峰，降低直流电源在使用过程中的功率波动，避免直流电源工作模式切换，优化直流电源运行状态。
3、本发明中，待测器件的栅极通过可调的栅极驱动电路驱动，始终施加合适的栅极电压，不仅简化了栅极驱动设计，而且避免了GaN功率半导体器件频繁开关过程中可能出现的栅极振荡现象。
附图说明
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明中控制器控制的大小电流切换时序与器件结温对照图；
图3为本发明中未增加旁路大电流实测图；
图4为本发明中增加旁路后大电流实测图；
图5为本发明具体实施方式中，以六个待测器件为例，电流切换与待测器件结温t j以及散热系统工作时间的关系图。
具体实施方式
为使说明更加清楚，结合说明书附图1至图5，对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，一种适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路，包含并联的多条待测器件电路和一条旁路电路，所述待测器件电路由第一大电流开关与待测器件串联组成，所述旁路电路由第二大电流开关与旁路电阻串联组成；还包括控制器，所述控制器用于控制各条待测器件电路与旁路电路中第一和第二大电流开关的通断，并采用分时导通的控制策略即同一时刻仅有一条电路流过大电流。待测器件驱动连接到待测器件栅极和源极。所述第一大电流开关均可以用继电器或者IGBT、MOSFET等电力电子开关器件实现；待测器件驱动采用基于LM2596或LM2678等组成的可调直流电路，以满足不同待测器件的驱动需求，保持待测器件处于常开状态，以避免待测器件开关过程中可能出现的栅极振荡现象。
旁路电路包括第二大电流开关和旁路电阻，第二大电流开关与旁路电阻串联。第二大电流开关可以用继电器或者IGBT、MOSFET等电力电子开关器件实现。旁路电阻阻值应与待测器件导通电阻相当，以维持直流电源的输出模式保持不变并维持输出功率的稳定，减少直流电源的功率波动。
控制器包括主控制器和对应所述第一和第二大电流开关控制接口及其他控制接口，主控制器可以为微控制器或PLC。微控制器可以为FPGA、DSP或者其他类型的微控制器。主控制器可以对多条待测器件电路、旁路电路的大电流开关进行控制，实现对大电流注入的控制。
如图2所示，待测器件的大小电流依次导通。大电流时刻实现器件的升温过程，小电流完成器件的温度测量。当进行测温时需要关闭大电流注入小电流，所有第一大电流开关均处于关断状态，此时将开启第二大电流开关通过旁路电路进行旁路，待测器件结温会略有下降。
图3为未加入旁路电路时主电路的大电流实测波形，可见在大小电流切换时，由于负荷突变，直流电源会发生工作模式切换，电流会发生明显尖峰，过高的电流尖峰会对待测器件造成非常规老化失效，影响实验结论，此外频繁的功率波动还可能会对直流电源产生不利影响。
图4为本发明中加入旁路电路时主电路的大电流实测波形，可见在大小电流切换时，大电流并无明显尖峰过程，整个电流较为平坦，避免了电流切换过程中电流尖峰对待测器件造成的不利影响，减小了意外应力的干扰，提升了实验的准确性，并在一定程度上优化了直流电源的运行状态。
图5为本发明具体实施方式中，以六个待测器件为例，导通电流I ds切换与待测器件结温t j以及散热系统工作时间的关系图。如图5所示，待测器件依次导通，即在单一时刻，最多只有一条待测器件电路导通（当所有待测器件电路均关断时应由旁路电路导通）；在待测器件通入大电流时，器件结温快速上升；当某一器件达到预设温度后，降温系统开始工作，完成器件的降温工作。采用本发明电路可以有效降低直流电源的功率需求，提升直流电源的利用率；并且在某一待测器件加热的时间段内，对其他器件进行降温处理，避免了等待器件冷却的过程，大大提升了功率循环效率。
综上，采用本发明技术方案保证了待测器件在功率循环时的测试条件一致性，提高了实验结果的准确性；同时通过分时导通的控制策略，降低了直流电源的功率需求，有效提升了电源的利用率。在此基础上，通过使用大电流开关控制大电流通断，简化了待测GaN功率半导体器件的栅极驱动电路设计，避免了可能出现的栅极震荡现象。以上种种努力，尽可能保证了功率循环测试的顺利进行，并为获得理想实验数据奠定了一定基础。本发明为GaN功率半导体器件提供功率循环测试主电路方案，同样也可以适用于IGBT、MOSFET、SiC等功率半导体器件。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (5)
1.一种适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路，其特征在于，包含并联的多条待测器件电路和一条旁路电路，所述待测器件电路由第一大电流开关与待测器件串联组成，所述旁路电路由第二大电流开关与旁路电阻串联组成；还包括控制器，所述控制器用于控制各条待测器件电路与旁路电路中第一和第二大电流开关的通断，并采用分时导通的控制策略即同一时刻仅有一条电路流过大电流。
2.根据权利要求1所述适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路，其特征在于，所述旁路电路的电阻阻值与待测器件导通电阻值相当，其导通时刻与待测器件导通时间互补。
3.根据权利要求1所述适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路，其特征在于，所述待测器件的栅极通过可调的栅极驱动电路驱动。
4.根据权利要求1所述适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路，其特征在于，所述第一电流开关和第二大电流开关为继电器，或IGBT、MOSFET电力电子器件。
5.一种适用于GaN功率半导体器件的功率循环主电路的应用，其特征在于，还适用于Si、SiC等材料的功率半导体器件进行功率循环测试。
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