CN114152850B - 一种用于功率模块开关性能测试的动态测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于功率模块测试技术领域，公开了一种用于功率模块开关性能测试的动态测试装置，包括：PCB板，位于PCB板上且依次排列的电解电容单元、薄膜电容单元和解耦电容单元；电解电容单元用于储能并为被测模块提供能量；解耦电容单元用于为被测模块提供用于减小换流路径上寄生电感值的动态换流路径，实现对母线寄生电感的动态解耦，使得被测模块能在更快的开关速度下进行测试；薄膜电容单元用于降低电解电容单元和解耦电容单元之间的振荡，进一步增加开关速度。本发明采用三级电容组的结构，能够在满足直流稳压要求的同时降低被测模块换流回路的寄生电感值，从而在动态测试中实现更快的开关速度，得到更高开关速度下的参数。

Description

一种用于功率模块开关性能测试的动态测试装置

技术领域

本发明属于功率模块测试技术领域，更具体地，涉及一种用于功率模块开关性能测试的动态测试装置。

背景技术

对于电力电子功率模块产品，在出厂前需要进行动态测试，从而确定其开关特性。在动态测试过程中，需要动态测试装置，用于作为直流母线，稳定直流电压，为被测模块提供能量。

传统的动态测试装置大多针对IGBT模块，采用电解电容实现稳压和滤波，对于传统的IGBT模块，开关时间在几微秒至几百微秒，开关速度较慢，可以使用传统的动态测试装置进行测试。

电解电容的等效串联电阻较大(几百毫欧)，滤波效果不好；且由于电解电容的体积较大，被测模块换流回路中寄生电感较大。因此在更快的开关速度下，功率模块内部的开关器件会承受过高的过压和振荡，导致无法对其高开关速度下的参数进行测量。特别是近几年快速发展的使用宽禁带半导体的功率模块，开关速度很快，无法使用传统的动态测试装置测试其动态性能。

发明内容

针对现有的功率模块的动态测试装置的以上不足，本发明提供了一种用于功率模块开关性能测试的动态测试装置，旨在解决现有技术中由于电容滤波效果较差，所提供的换流回路寄生电感参数较大，导致高开关速度下的参数无法测量的问题。

本发明提供了一种用于功率模块开关性能测试的动态测试装置，包括：PCB板，位于PCB板上且依次排列的电解电容单元、薄膜电容单元和解耦电容单元；电解电容单元用于储能并为被测模块提供能量；解耦电容单元用于为被测模块提供用于减小换流路径上寄生电感值的动态换流路径，实现对母线寄生电感的动态解耦，使得被测模块能在更快的开关速度下进行测试；薄膜电容单元用于降低电解电容单元和解耦电容单元之间的振荡，进一步增加开关速度。

更进一步地，电解电容单元、薄膜电容单元和解耦电容单元的容值依次减少，且等效串联电阻依次减少。

更进一步地，电解电容单元包括多个并联或串联连接的电解电容；其中，采用多个电容并联的方式可以达到更高的容值，采用多个电容串联的方式可以达到更高的耐压，可以根据需要进行选择。

作为本发明的一个实施例，电解电容单元包括四个并联的电解电容，以2*2的矩阵形式排列设置，四个电解电容并联是为了达到接近mF级别的母线电容容值，以2*2的矩阵形式排列是为了限制PCB板的尺寸。

其中，为了排列布置紧凑，可以将薄膜电容组单元分为两组，并将分流器放置于两组薄膜电容单元之间；从而减小了PCB板面积。

更进一步地，解耦电容单元可以为多层陶瓷电容，由于多层陶瓷电容的体积小，可以放置得离模块直流端子很近，使得电容至模块直流端子的寄生电感较小，换流回路中的寄生电感较小。

更进一步地，动态测试装置还包括：直流电源接口和直流端子接口；直流电源接口设置于PCB板的入口处且用于连接外部的直流电源；直流端子接口位于PCB板的出口侧且用于连接被测模块的直流端子。

更进一步地，动态测试装置还包括：分流器，分流器用于测量流过模块的电流，与薄膜电容单元平行设置，且位于薄膜电容之间，从而减小PCB板的面积。

更进一步地，动态测试装置还包括：螺丝，用于在进行动态测试时将被测模块与直流端子接口连接。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，采用三级电容组的结构，能够在满足直流稳压要求的同时，降低被测模块换流回路的寄生电感值，从而在动态测试中实现更快的开关速度，得到更高开关速度下的参数。

附图说明

图1是本发明实施例提供的EconoDual3封装的功率模块外型结构图；

图2是本发明实施例提供的用于功率模块开关性能测试的动态测试装置的结构布局示意图；

图3是本发明实施例提供的用于功率模块开关性能测试的动态测试装置三维立体结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为正极端子、2为负极端子、3为输出电极端子、4为上管驱动端子、5为下管驱动端子、6为热敏电阻端子、7为过流保护端子、8为直流电源接口、9为电解电容单元、10为薄膜电容单元、11为解耦电容单元、12为分流器、13为直流端子接口、14为PCB板、15为被测模块、16为螺丝。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供了一种用于功率模块开关性能测试的动态测试装置，包括：PCB板，位于PCB板上的直流电源接口、电解电容单元、薄膜电容单元、解耦电容单元、分流器、直流端子接口；其中，电解电容单元、薄膜电容单元和解耦电容单元依次排列组成三级电容组，，且电解电容单元、薄膜电容单元和解耦电容单元的容值依次降低(几百微法至十几微法)，等效串联电阻(ESR)依次降低(几百毫欧至十几毫欧)，滤波效果依次升高。

其中，电解电容单元提供大直流母线容值用于储能和稳压，为被测模块提供能量；解耦电容单元用于在模块动态换流过程中实现解耦功能，解耦电容单元应尽量靠近被测模块，解耦电容单元越靠近被测模块的直流端子，解耦电容至直流端子的寄生电感值就越小，换流路径中的总寄生电感值就越小，从而可以在更快的开关速度下进行测试；对于具体实施例中的EconoDual3封装模块，在解耦电容贴近功率模块的直流端子，且容值较大(1微法以上)时，开关时间可以降低至几十纳秒。

薄膜电容单元作为电解电容单元和解耦电容单元解耦电容单元之间的过渡电容，起到降低电容之间的振荡的作用，有利于增加开关速度。

直流电源接口位于PCB板的入口处，用于连接直流电源供电；所述分流器与薄膜电容单元平行，用于测量流过模块的电流；所述直流端子接口位于PCB板的出口侧，用于连接被测模块的直流正端子和直流负端子；

在动态测试时，负载电感和驱动信号直接接在模块的相应端子上，各电压信号从模块的端子上取得。

在本发明实施例中，进行动态测试时，开关管开关换流会造成换流回路中的电流在开关换流时的快速变化。变化的电流会使得线路上的寄生电感感应电压，导致开关管上产生关断过压，且受到变化的电流激励，开关换流完成后电路中的寄生电感和寄生电容之间会产生较大振荡。开关速度越快(即电流变化速率越快)、回路中寄生电感越大，会使得开关管关断过压和开关振荡越大。

本发明通过采用解耦电容靠近模块的直流端子进行滤波，可以实现对解耦电容至直流电源的寄生电感实现动态解耦，在开关换流过程中，大部分变化的电流会经过解耦电容，相当于解耦电容为功率模块提供了一个更短的动态换流回路，换流回路中的寄生电感更小，从而减小过压和振荡。为了达到较好的解耦效果，解耦电容的容值应达到一定大小以上(几uF)，且其等效串联电阻应尽量小。同时为了稳定直流母线电压，采用电解电容提供足够的容值，使得直流母线的总容值应能达到一定大小(几百uF)。

由于传统的IGBT功率模块开关速度很慢(几微秒至几百微秒)，没有去关注直流母线电容的组成，一般只采用大容值的电解电容单元即可同时满足稳压和解耦滤波的要求。但电解电容的等效串联电阻(ESR)很大(几百毫欧姆)，无法实现很好的解耦效果。且电解电容体积大，与模块直流端子之间距离较大，电容至模块直流端子的回路中的寄生电感值较大(十几至几十纳亨)。对于使用宽禁带半导体器件的功率模块，开关速度更快(几十纳秒)，若使用传统的动态测试装置，会造成很大的关断过压和开关振荡，已经无法满足其动态测试要求。

因此，本发明中除了使用大容值的电解电容以达到上述的直流母线稳压要求外；使用低ESR(单只多层陶瓷电容ESR只有十几毫欧姆)的解耦电容单元作为解耦电容，实现对母线寄生电感的动态解耦，由于多层陶瓷电容体积小，可以放置得离模块直流端子很近，使得电容至模块直流端子的寄生电感较小，换流回路中的寄生电感较小。同时在开关暂态过程中，由于多层陶瓷解耦电容与电解电容之间存在较大的振荡问题，添加一组薄膜电容作为过渡电容，降低该振荡。该薄膜电容单元的容值和ESR值介于其他两级电容之间。

本发明提供的一种用于功率模块开关性能测试的动态测试装置可以解决动态测试装置寄生电感参数较大导致高开关速度下的参数无法测量的问题。为了更进一步的说明本发明实施例提供的用于功率模块开关性能测试的动态测试装置，现以EconoDual3封装的功率模块为例，并参照附图详述如下：

如图1所示，本发明实施例提供的EconoDual3封装的功率模块外型结构；其端子分为：正极端子1、负极端子2、输出电极端子3、上管驱动端子4、下管驱动端子5、热敏电阻端子6、过流保护端子7。图2示出了本发明实施例提供的用于功率模块开关性能测试的动态测试装置的结构布局；图3示出了本发明实施例提供的用于功率模块开关性能测试的动态测试装置三维立体结构。

用于EconoDual3封装的功率模块开关性能测试的动态测试装置包括：PCB板14，位于PCB板14上的直流电源接口8、电解电容单元9、薄膜电容单元10、解耦电容单元11、分流器12、直流端子接口13；电解电容单元9、薄膜电容单元10、解耦电容单元11，三级电容组依次排列；电解电容单元9主要用于储能，为被测模块提供能量；解耦电容单元11用于为被测模块提供较短的动态换流路径，从而减小换流路径上的寄生电感值，从而可以在更快的开关速度下进行测试；薄膜电容单元10作为电解电容单元9和解耦电容单元11之间的过渡电容，起到降低电容之间的振荡的作用，有利于增加开关速度。

直流电源接口8位于PCB板14的入口处，用于连接直流电源供电；分流器12与薄膜电容单元10平行，放置于其中间，用于测量流过模块的电流；直流端子接口13位于PCB板的出口侧，用于连接被测模块15的直流正端子1和直流负端子2；直流端子接口13与被测模块15之间通过螺丝16连接。

在动态测试时，将被测模块15的正极端子1和负极端子2连接在直流端子接口13上。当测试被测模块15的下开关管参数时，将测试电感的一端连接至被测模块的输出电极端子3，测试电感的另一端连接至被测模块的正极端子1，在下管驱动端子5上接入下管驱动电压，以给下开关管提供两次开通信号，提供第一个开通信号时，下开关管导通，母线电压施加在测试电感上，测试电感电流上升，通过控制第一个开通信号的时间来控制第一个信号结束时下开关管上流过的电流，在第一个开通信号结束时，测试电感电流从下开关管转移到上开关管反并联二极管上，测量模块输出电极端子3和负极端子2之间的电压，从分流器12测量得到电流，测量下管驱动端子5上的电压，得到下开关管在某一电流下关断时的各电压电流波形和参数；之后，测试电感电流通过上开关管的反并联二极管续流，电流大小几乎不变，提供第二个开通信号时，下开关管导通，测试电感电流从上开关管反并联二极管转移到下开关管，下开关管电流从0上升至第一个开通信号结束时的电流值，测量模块输出电极端子3和负极端子2之间的电压，从分流器12测量得到电流，测量下管驱动端子5上的电压，得到下开关管在某一电流下开通时的各电压电流波形和参数。当测试半桥型功率模块的上开关管参数时，将测试电感的一端连接至被测模块的输出电极端子3，测试电感的另一端连接至被测模块的负极端子2，在上管驱动端子4上接入上管驱动电压，测量正极端子1和模块输出电极端子3之间的电压，从分流器12测量得到电流，测量上管驱动端子4上的电压，得到上开关管在某一电流下开关时的各电压电流波形和参数，其具体测试过程及原理与下开关管测试相似，此处不再赘述。

总体而言，通过以上技术方案，采用三级电容组的结构，能够在在满足直流稳压要求的同时，降低被测模块换流回路的寄生电感值，从而在动态测试中实现更快的开关速度，得到更高开关速度下的参数。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于功率模块开关性能测试的动态测试装置，其特征在于，包括：PCB板（14），位于所述PCB板（14）上且依次排列的电解电容单元（9）、薄膜电容单元（10）和解耦电容单元（11）；

所述电解电容单元（9）用于储能并为被测模块提供能量；

所述解耦电容单元（11）用于为所述被测模块提供用于减小换流路径上寄生电感值的动态换流路径，实现对母线寄生电感的动态解耦，使得所述被测模块能在更快的开关速度下进行测试；

所述薄膜电容单元（10）用于降低所述电解电容单元和解耦电容单元（11）之间的振荡，进一步增加开关速度；

所述电解电容单元、所述薄膜电容单元和所述解耦电容单元依次排列组成三级电容组，且所述电解电容单元、所述薄膜电容单元和所述解耦电容单元的容值依次减少，等效串联电阻依次减少且滤波效果依次提高；

所述动态测试装置还包括：分流器（12），所述分流器（12）与所述薄膜电容单元（10）平行设置，用于测量流过模块的电流。

2.如权利要求1所述的动态测试装置，其特征在于，所述电解电容单元（9）包括多个并联或串联连接的电解电容。

3.如权利要求2所述的动态测试装置，其特征在于，所述电解电容单元（9）包括四个并联的电解电容，以2*2的矩阵形式排列设置。

4.如权利要求1-3任一项所述的动态测试装置，其特征在于，所述解耦电容单元（11）为多层陶瓷电容。

5.如权利要求1-3任一项所述的动态测试装置，其特征在于，所述动态测试装置还包括：直流电源接口（8）和直流端子接口（13）；

所述直流电源接口（8）设置于所述PCB板（14）的入口处且用于连接外部的直流电源；所述直流端子接口（13）位于所述PCB板（14）的出口侧且用于连接被测模块的直流端子。

6.如权利要求5所述的动态测试装置，其特征在于，所述动态测试装置还包括：螺丝（16），用于在进行动态测试时将被测模块（15）与所述直流端子接口（13）连接。

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