CN113447752B - 一种半桥型功率模块动静态一体化测试装置及其测试方法 - Google Patents

一种半桥型功率模块动静态一体化测试装置及其测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半桥型功率模块动静态一体化测试装置及其测试方法，涉及电力电子技术领域。半桥型功率模块动静态一体化测试装置包括半桥功率模块、电容模块和电感模块；所述半桥功率模块包括串联的上绝缘栅双极型晶体管和下绝缘栅双极型晶体管；所述电容模块包括若干串联的电容器；所述电感模块包括串联的第一电感器和第二电感器，所述第一电感器与所述上绝缘栅双极型晶体管并联，所述第二电感器与所述下绝缘栅双极型晶体管并联；所述半桥功率模块与所述电容模块并联。本发明能够对半桥功率模块同时开展动态与静态测试，简化测试流程，降低测试成本。

Description

一种半桥型功率模块动静态一体化测试装置及其测试方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种半桥型功率模块动静态一体化测试装置及其测试方法。
背景技术
在三相全桥电路中，一个半桥功率模块中的两个晶体管不会同时导通或关断。结合半桥功率模块的应用场景，判断半桥功率模块的应用场景不能以两个晶体管全部导通或全部关断条件作为性能参数判断依据。
现有的针对半桥功率模块的测试方法，静态测试与动态测试无法同时完成，需采用两套独立的拓扑来完成动静态测试，这不仅会使测试设备的成本进一步增高，还让操作过程变得复杂，对数据一致性带来了一定的影响。
发明内容
本发明目的在于，提供一种半桥型功率模块动静态一体化测试装置及其测试方法，可对半桥功率模块同时开展动态与静态测试。
为实现上述目的，本发明实施例提供一种半桥型功率模块动静态一体化测试装置，包括半桥功率模块、电容模块和电感模块；
所述半桥功率模块包括串联的上绝缘栅双极型晶体管和下绝缘栅双极型晶体管；所述电容模块包括若干串联的电容器；所述电感模块包括串联的第一电感器和第二电感器，所述第一电感器与所述上绝缘栅双极型晶体管并联，所述第二电感器与所述下绝缘栅双极型晶体管并联；所述半桥功率模块与所述电容模块并联。
优选地，所述半桥型功率模块动静态一体化测试装置，还包括第一功率单元和第二功率单元，所述第一功率单元的一端接上绝缘栅双极型晶体管的栅极，另一端接上绝缘栅双极型晶体管的发射极；所述第二功率单元的一端接下绝缘栅双极型晶体管的栅极，另一端接下绝缘栅双极型晶体管的发射极。
优选地，所述功率单元与上绝缘栅双极型晶体管或下绝缘栅双极型晶体管的栅极之间设置有控制开关。
优选地，每个所述电容器分别并联一个电源。
优选地，所述电源为低电压大电流电源。
优选地，所述电容器与电源之间设置有控制开关。
本发明实施例还提供如上述任一实施例所述的半桥型功率模块动静态一体化测试装置的测试方法，包括：
在半桥功率模块、电容模块和电感模块均断开连接的前提下，为电容模块中的所有电容器充满电；
为上绝缘栅双极型晶体管接入驱动信号；
将电感模块中与下绝缘栅双极型晶体管并联的电感接入电路，并将电容模块接入电路；
获取上绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化；
获取上绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化。
优选地，所述半桥型功率模块动静态一体化测试装置的测试方法，还包括：
在半桥功率模块、电容模块和电感模块均断开连接的前提下，为电容模块中的所有电容器充满电；
为下绝缘栅双极型晶体管接入驱动信号；
将电感模块中与上绝缘栅双极型晶体管并联的电感接入电路，并将电容模块接入电路；
获取下绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化；
获取下绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化。
优选地，所述驱动信号的电压包括第一时间段电压、第二时间段电压、第三时间段电压和第四时间段电压；
所述第一时间段电压为阶梯波电压，由0逐渐升高；所述第二时间段电压为非0稳态电压；所述第三时间段电压为0；所述第四时间段电压与所述第二时间段电压相同。
优选地，所述半桥型功率模块动静态一体化测试装置的测试方法，还包括：
根据上绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化、上绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化、下绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化和下绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化分析半桥型功率模块的参数信息。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用若干电容器串联组成电容模块，提供测试电动势，能够降低成本；将传统静态测试方法融入动态测试，能够提高测试效率；在测试过程中，分别对上绝缘栅双极型晶体管和下绝缘栅双极型晶体管进行测试，能够简化测试步骤。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施方式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方式，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他的附图。
图1是本发明某一实施例提供的半桥型功率模块的结构示意图；
图2是本发明某一实施例提供的半桥型功率模块动静态一体化测试装置的结构示意图；
图3是本发明某一实施例提供的电压信号示意图；
图4是本发明另一实施例提供的电压信号示意图；
图5是本发明另一实施例提供的半桥型功率模块动静态一体化测试装置中测试点示意图；
图6是本发明某一实施例提供的半桥型功率模块动静态一体化测试装置的测试结果示意图。
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作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。
应当理解，文中所使用的步骤编号仅是为了方便描述，不作为对步骤执行先后顺序的限定。
应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
功率模块是功率电力电子器件按一定的功能组合再灌封成一个模块。评价功率模块各参数的重要性总是和其所应用的领域密切相关，例如在牵引机车的应用中，其可靠性最为重要；在消费电子产品中，成本最为重要。分析功率模块的功能特性，需要从静态性能、动态性能和多温度状态性能等多个维度进行判断。请参阅图1，图1为本发明某一实施例提供的半桥型功率模块的结构示意图。一共有7个接口，包括上绝缘栅双极型晶体管（简称上管）发射极接口及下绝缘栅双极型晶体管（简称下管）集电极1、下管发射极2、上管集电极3、上管栅极4、上管测量端5、下管栅极6和下管测量端7。
半桥型功率模块的静态测试中可测试的参数包括：集电极发射极电压（Vce）、集电极发射极电流（Ice）、集电极发射极漏电流（Ices）、栅极发射极阈值电压（Vgeth）、集电极发射极饱和电压（Vces）和通态栅极电压（Vgeon）。
半桥型功率模块的动态测试中可测试的参数包括：导通延时（Tdon）、上升时间（Tr）、关断延时（Tdoff）、下降时间（Tf）、关断损耗（Eoff）、反向恢复时间（Trr）、反向恢复损耗（Erec）。
鉴于半桥功率模块由两个功率器件串联而成，可利用两个模块间的关系开展动态与静态测试。动态测试采用双脉冲方法，将第一个脉冲的释放过程用于验证静态参数特性，第二个脉冲用于动态参数测定。
请参阅图2，图2为本发明某一实施例提供的半桥型功率模块动静态一体化测试装置的结构示意图。在本实施例中，半桥型功率模块动静态一体化测试装置，包括半桥功率模块100、电容模块200和电感模块300；
所述半桥功率模块100包括串联的上绝缘栅双极型晶体管和下绝缘栅双极型晶体管；所述电容模块200包括若干串联的电容器；所述电感模块300包括串联的第一电感器L1和第二电感器L2，第一电感器L1与上绝缘栅双极型晶体管并联，第二电感器L2与下绝缘栅双极型晶体管并联；半桥功率模块100与电容模块200并联。
为了便于控制单元模块之间的开关，元器件之间均设置有控制开关，其中控制开关K1-K6，为电源与电容器连接的开关，控制电源是否向电容器充电。
在本实施例中，一共设置有6个电容器，电容C1-C6串联成电容模块作为测试电源，通过每个独立电源为电容器充电。
在本发明实施例中，还包括第一功率单元Vge1和第二功率单元Vge2，第一功率单元Vge1的一端接上绝缘栅双极型晶体管的栅极，另一端接上绝缘栅双极型晶体管的发射极；第二功率单元Vge2的一端接下绝缘栅双极型晶体管的栅极，另一端接下绝缘栅双极型晶体管的发射极。
在本发明实施例中，第一功率单元Vge1与上绝缘栅双极型晶体管的栅极之间设置有控制开关K8，第二功率单元Vge2与下绝缘栅双极型晶体管的栅极之间设置有控制开关K9。
从图2中可以看到，第一功率单元Vge1和第二功率单元Vge2，连接半桥功率模块的接口4与接口6，为第一功率单元Vge1和第二功率单元Vge2分别提供驱动信号。K8和K9为半桥功率模块中上管和下管的驱动控制开关。电感模块中的电感器L1和L2的端口也设置有控制开关K10和K11，作为电感接入开关。
在本实施例中，每个电容器分别并联一个电源，目的在于，使用小功率、低电压电源分别对每个电容模组充电，可以大大降低了设备采购的成本。此外，传统的测试方法是对整个模块进行测试，例如1200V100A功率模块，测试环境必须提供1200V100A的测试环境。本实施例是对其中的功率器件分开测量，测试电动势仅需提供600V100A即可满足测试要求。因此本实施例中，为每个电容器供电的电源为低电压大电流电源，电容器与电源之间设置有控制开关K1-K6便于控制是否充电。
针对上述任一实施例所述的半桥型功率模块动静态一体化测试装置，本发明实施例还提供给了对应的测试方法，包括以下步骤：
（1）在半桥功率模块、电容模块和电感模块均断开连接的前提下，为电容模块中的所有电容器充满电；
（2）为上绝缘栅双极型晶体管接入驱动信号；
（3）将电感模块中与下绝缘栅双极型晶体管并联的电感接入电路，并将电容模块接入电路；
（4）获取上绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化；
（5）获取上绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化。
上述步骤主要是针对上管测试，进一步地进行下管的测试，包括以下步骤：
（6）在半桥功率模块、电容模块和电感模块均断开连接的前提下，为电容模块中的所有电容器充满电；
（7）为下绝缘栅双极型晶体管接入驱动信号；
（8）将电感模块中与上绝缘栅双极型晶体管并联的电感接入电路，并将电容模块接入电路；
（9）获取下绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化；
（10）获取下绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化。
在本发明实施例中，所述驱动信号的电压包括第一时间段电压、第二时间段电压、第三时间段电压和第四时间段电压；
所述第一时间段电压为阶梯波电压，由0逐渐升高；所述第二时间段电压为非0稳态电压；所述第三时间段电压为0；所述第四时间段电压与所述第二时间段电压相同。
在本发明实施例中，还包括：根据上绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化、上绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化、下绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化和下绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化分析半桥型功率模块的参数信息。
结合图2，在某一具体实施例中，半桥型功率模块动静态一体化测试装置的测试方法的流程如下：
步骤1：检查确保系统内所有断路器K均处于断开状态。
步骤2：闭合K1~K6，使用电源分别为电容C1~C6充电，至电容充满。
步骤3：电容充满后，断开K1~K6。
步骤4：将K8与Vge1闭合，K9与负压闭合，K5与K11闭合。
步骤5；按照图3的电压，为Vge1输入电压信号。在t0时刻，开始给Vge1输入正电压信号，电压补偿为0.5v，电压上升的最大值为半桥模块的Vge值，时间步长按照半桥功率模块的最大工作电流允许时长。至t1时刻，V个按照固定值输出。t2时刻，Vge的输入电压调整为0。t3时刻，给定Vge至最大值，功率管打开。t4时刻，给定Vge值为0，功率管关断。
步骤6：测试完成后，断开系统内所有断路器。
步骤7：闭合K1~K6，使用电源为电容C1~C6充电，电容充满后断开K1~K6。
步骤8：将K8与负压闭合，K9与Vge2闭合，K5与K10闭合。
步骤9：按照图4的电压，为Vge2输入电压信号。在t0时刻，开始给Vge2输入正电压信号，电压补偿为0.5v，电压上升的最大值为半桥模块的Vge值，时间步长按照半桥功率模块的最大工作电流允许时长。至t1时刻，V个按照固定值输出。t2时刻，Vge的输入电压调整为0。t3时刻，给定Vge至最大值，功率管打开。t4时刻，给定Vge值为0，功率管关断。
步骤10：测试完成后，断开系统内所有断路器。
本实施例将传统静态测试方法融入到动态测试的第一个脉冲环节中，这就大大提高了测试效率。此外，一体化测试方法还有效降低了温度对测试的综合影响。
在本发明实施例中，为了得到精细的测量数据，在整个测试回路中一共设置4个测量点，分别为Vce1、Ic1、Vce2、Ic2，Vce1表示上管两端电压值，Ic表示上管电流，Vce2表示下管两端电压，Ic2表示下管电流，具体设置位置如图5所示。
在某一实施例中，按照测试步骤中的流程，完成上管的测试之后，会得到如图6所示的数据信息。
在上管栅极电压未达到启动电压时，功率器件处于关断状态，此时Vce值与输入电源电压值相同。在t0时刻，Vge1的电压开始上升，在到达器件规定Vge的70%左右，Vce1开始下降，证明功率器件开始启动导通，此时的Vge值即为功率器件的通态栅极电压Vgeon。
t1时刻Vge达到最大值，但在t1时刻之前，Vce1已经到0，证明在栅极电压到达最大值之前功率器件已经完全导通，此时的Vge则为功率器件的栅极阈值电压Vgeth，得到的此时的Vce的值及为集电极发射机饱和电压Vces。
在栅极处于关断状态，通过高精度采集Ice，可以采集关断状态的贿赂Ice，以此得到集电极发射机漏电流Ices。
自t0时刻到t1时刻，栅极电压阶梯升高，待功率器件完全导通时，外接电动势完全加载电感的第二电感器L2上，测量得到的Ic随时间而升高。t1时刻至t2时刻，功率器件完全导通，电流Ic随时间升高。
到t2时刻，功率器件关断。t3时刻，功率器件再次打开，下管中的续流二极管进入反向恢复，反向恢复电流会穿过上管，而此时测量的Ic1中会将续流二极管反向恢复电流进行累加。t3至t4时刻间，电流Ic1持续上升，如果电流值超过功率模块的设计电流，证明此时的Ic参数可以满足要求。
在续流二极管反向恢复时间内，反向恢复电流上升时，杂散电感上产生的电压是与母线电压相抵的。反向恢复电流下降时，杂散电感与母线电压相同，电压落在二极管上，二极管产生电压尖峰。通过采集到的t3时刻的波形，可以明确得到di/dt，导通延时Tdon，上升时间Tr、反向恢复时间Trr。在确定Ic、Vce与Trr之间的关系之后，即可积分求得上管反向恢复损耗Erec。
到t4时刻，上管再次关断，由于此时电流相对较高，母线杂散电感会促使功率器件产生一个电压尖峰。测量得到的Vce值会产生一个明晰的尖峰。此时，通过示波器可以清晰看出Ic的下降时间Tf。通过Vce与Ic变化，确定关断时间Toff，并在Toff内积分求得关断Eoff。上管和下管的测试步骤相同，在此不再赘述。
整个测试流程分为两个部分，分别完成上管和下管的测试。两个测试过程的操作基本相同，这就对操作者的能力要求较低，对大规模数据采集与测试提供了良好的条件。根据半桥型功率模块的静态测试中可测试的参数包括：集电极发射极电压（Vce）、集电极发射极电流（Ice）、集电极发射极漏电流（Ices）、栅极发射极阈值电压（Vgeth）、集电极发射极饱和电压（Vces）和通态栅极电压（Vgeon）。半桥型功率模块的动态测试中可测试的参数包括：导通延时（Tdon）、上升时间（Tr）、关断延时（Tdoff）、下降时间（Tf）、关断损耗（Eoff）、反向恢复时间（Trr）、反向恢复损耗（Erec）。整理出半桥功率模块的参数，如表1所示。
表1半桥功率模块的参数表
参数名称 上管 下管 半桥功率模块
集电极发射极电压 Vce1 Vce2 Vce1+Vce2
集电极发射极电流 Ice1 Ice2 两者中较小值
集电极发射极漏电流 Ices1 Ices2 两者中较大值
栅极发射极阈值电压 Vgeth1 Vgeth2 两者中较大值
集电极发射极饱和电压 Vces1 Vces2 Vces1+Vces2
通态栅极电压 Vgeon1 Vgeon2 两者中较大值
导通延时 Tdon1 Tdon2 两者中较大值
上升时间 Tr1 Tr2 两者中较大值
关断延时 Tdoff1 Tdoff2 两者中较大值
下降时间 Tf1 Tf2 两者中较大值
关断损耗 Eoff1 Eoff2 Eoff1+Eoff2
反向恢复时间 Trr1 Trr2 两者中较大值
反向恢复损耗 Erec1 Erec2 Erec1+Erec2
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种半桥型功率模块动静态一体化测试装置，其特征在于，包括半桥功率模块、电容模块和电感模块；
所述半桥功率模块包括串联的上绝缘栅双极型晶体管和下绝缘栅双极型晶体管；所述电容模块包括若干串联的电容器；所述电感模块包括串联的第一电感器和第二电感器，所述第一电感器与所述上绝缘栅双极型晶体管并联，所述第二电感器与所述下绝缘栅双极型晶体管并联；所述半桥功率模块与所述电容模块并联；每个所述电容器分别并联一个电源，所述电容器与电源之间设置有控制开关；
串联的上绝缘栅双极型晶体管和下绝缘栅双极型晶体管用于开展动态与静态测试，动态测试采用双脉冲方法，将第一个脉冲的释放过程用于验证静态参数特性，第二个脉冲用于动态参数测定。
2.根据权利要求1所述的半桥型功率模块动静态一体化测试装置，其特征在于，还包括第一功率单元和第二功率单元，所述第一功率单元的一端接上绝缘栅双极型晶体管的栅极，另一端接上绝缘栅双极型晶体管的发射极；所述第二功率单元的一端接下绝缘栅双极型晶体管的栅极，另一端接下绝缘栅双极型晶体管的发射极。
3.根据权利要求2所述的半桥型功率模块动静态一体化测试装置，其特征在于，所述第一功率单元与上绝缘栅双极型晶体管或所述第二功率单元与下绝缘栅双极型晶体管的栅极之间设置有控制开关。
4.根据权利要求1所述的半桥型功率模块动静态一体化测试装置，其特征在于，所述电源为低电压大电流电源。
5.如权利要求1-4任一项所述的半桥型功率模块动静态一体化测试装置的测试方法，其特征在于，包括：
在半桥功率模块、电容模块和电感模块均断开连接的前提下，为电容模块中的所有电容器充满电；
为上绝缘栅双极型晶体管接入驱动信号；
将电感模块中与下绝缘栅双极型晶体管并联的电感接入电路，并将电容模块接入电路；
获取上绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化；
获取上绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化。
6.根据权利要求5所述的半桥型功率模块动静态一体化测试装置的测试方法，其特征在于，还包括：
在半桥功率模块、电容模块和电感模块均断开连接的前提下，为电容模块中的所有电容器充满电；
为下绝缘栅双极型晶体管接入驱动信号；
将电感模块中与上绝缘栅双极型晶体管并联的电感接入电路，并将电容模块接入电路；
获取下绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化；
获取下绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化。
7.根据权利要求5所述的半桥型功率模块动静态一体化测试装置的测试方法，其特征在于，所述驱动信号的电压包括第一时间段电压、第二时间段电压、第三时间段电压和第四时间段电压；
所述第一时间段电压为阶梯波电压，由0逐渐升高；所述第二时间段电压为非0稳态电压；所述第三时间段电压为0；所述第四时间段电压与所述第二时间段电压相同。
8.根据权利要求6所述的半桥型功率模块动静态一体化测试装置的测试方法，其特征在于，还包括：
根据上绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化、上绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化、下绝缘栅双极型晶体管的栅极和发射极之间的电压变化和下绝缘栅双极型晶体管的发射极处的电流变化分析半桥型功率模块的参数信息。
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