CN114167147A - 一种可复用的功率器件uis测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可复用的功率器件UIS测试系统及方法，系统包括直流电源模块、驱动模块、电压测量模块、电流测量模块、信号处理及控制模块、电感器和IGBT断路器；驱动模块与待测功率器件和IGBT断路器相连接；待测功率器件与电流测量模块和电压测量模块相连接；电流测量模块和电压测量模块分别与信号处理及控制模块相连接。本发明可实现多用途，既可以用于破坏性单脉冲UIS测试和非破坏性重复脉冲UIS测试，还可以用于功率器件短路测试。

Description

一种可复用的功率器件UIS测试系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种可复用的功率器件UIS测试系统及方法。

背景技术

半导体功率器件通过开通与关断控制流向负载的功率，其发展和研究一直备受关注。在半导体功率器件的应用中，不仅需要衡量功率器件性能提升对系统效率的提高，还需要保证器件可以稳定可靠的工作。迄今为止，电力电子应用中因功率器件失效引起的故障最多占34％；一项调查显示，在变速交流变频器中，约有38％故障是因功率器件失效造成；另一项研究则证明，在31％电力电子应用故障中，功率器件是系统中最早损坏的组件。故研究功率半导体器件的可靠性，对提高电力电子系统的整体可靠性具有重要的意义。UIS测试就是一种模拟MOS器件在系统应用中遭遇极端电热应力的测试。通过这种测试，可以得到MOS器件耐受能量的能力。在UIS测试中，器件将进入雪崩击穿状态，导致高电压和大电流和同时加载在器件上，可能会造成器件发生失效或者性能退化。若器件在雪崩击穿后失效即为破坏性单脉冲UIS测试，若器件经历多次雪崩击穿后并未失效而是发生性能退化则称为非破坏性重复脉冲UIS测试。

发明内容

本发明提供的一种可复用的功率器件UIS测试系统及方法，可实现多用途，既可以用于破坏性单脉冲UIS测试和非破坏性重复脉冲UIS测试，还可以用于功率器件短路测试。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种可复用的功率器件UIS测试系统，其包括直流电源模块、驱动模块、电压测量模块、电流测量模块、信号处理及控制模块、电感器和IGBT断路器；驱动模块与待测功率器件和IGBT断路器相连接；待测功率器件与电流测量模块和电压测量模块相连接；电流测量模块和电压测量模块分别与信号处理及控制模块相连接；

直流电源模块，用于提供UIS测试及短路测试所需电流；

驱动模块，用于为待测功率器件及IGBT断路器提供驱动信号；

电压测量模块，用于在UIS测试及短路测试期间，测量待测功率器件漏极与源极(集电极与发射极)之间的电压数据；

电流测量模块，用于在UIS测试及短路测试期间，测量流过待测功率器件的电流数据；

电感器，用于提供UIS测试中所需的雪崩能量；

IGBT断路器，用于保证在UIS测试及短路测试期间，器件失效后电路能够安全关断且重置直流电源模块；

信号处理及控制模块，用于通过驱动模块控制待测功率器件与IGBT断路器的导通与关断，并将测量到的电压数据和电流数据转化为数字信号并存储起来。

进一步地，驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片，驱动芯片的OUT引脚为驱动信号输出引脚，IN+引脚为控制信号输入引脚。

进一步地，驱动信号输出引脚与待测功率器件以及IGBT断路器之间还设置有电桥推挽电路。

进一步地，电压测量模块包括型号为IR25750LTRPBF的芯片，用于测量待测功率器件漏极与源极(集电极与发射极)之间的电压数据，芯片的VOUT引脚为电压测量模块的信号输出引脚。

进一步地，电压测量模块与待测功率器件之间还设置有分压电路。

进一步地，电流测量模块包括型号为CC6904SO的芯片，用于测量流过待测功率器件的电流数据，芯片的IOUT引脚为电流测量模块的信号输出引脚。

提供一种可复用的功率器件UIS测试方法，用于破坏性单脉冲UIS测试时包括以下步骤：

S1、通过高压电源为直流电源模块内部大容量电容充电；

S2、通过驱动模块控制IGBT断路器开启；

S3、通过驱动模块控制待测功率器件开启；

S4、通过电流测量模块测量待测功率器件的导通电流数据，直到其达到阈值电流时，通过驱动模块控制关闭待测功率器件；

S5、测量待测功率器件的管脚间电压数据和流过待测功率器件的电流数据；

S6、当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流高于阈值电流的120％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，保护电路；

S7、判断是否还要继续进行测试，若是则在更换测试座上的待测功率器件后返回步骤S2，否则停止驱动模块的工作并打开直流电源模块内的开关，通过功率电阻为其内部电容放电，测试结束。

用于非破坏性重复脉冲UIS测试时包括以下步骤：

S1、通过高压电源为直流电源模块内部大容量电容充电；

S2、通过驱动模块控制IGBT断路器开启；

S3、通过驱动模块控制待测功率器件开启；

S4、通过电流测量模块测量待测功率器件的导通电流数据，直到其达到预设电流时，通过驱动模块控制关闭待测功率器件；

S5、测量待测功率器件的管脚间电压数据和流过待测功率器件的电流数据；

S6、当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流低于预设电流的10％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，使电源模块内部大电容重新充电，并通过信号处理及控制模块记录下循环次数，当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流高于预设电流的120％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，保护电路；

S7、待测功率器件充分冷却后，判断循环次数是否达到预设值，若否则返回步骤S2，若是则进行下一步；

S8、判断是否还要继续进行测试，若是则在更换测试座上的待测功率器件后返回步骤S2，否则停止驱动模块的工作并打开直流电源模块内的开关，通过功率电阻为其内部电容放电，测试结束。

用于短路测试时包括以下步骤：

S1、移除电感器，由导线代替；

S2、通过高压电源为直流电源模块内部大容量电容充电；

S3、通过驱动模块控制IGBT断路器开启；

S4、通过驱动模块控制待测功率器件开启；

S5、测量待测功率器件的管脚间电压数据和流过待测功率器件的电流数据；

S6、经过预设时间t后，通过驱动模块控制待测功率器件关闭；

S7、当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流高于阈值电流的120％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，保护电路；

S8、判断是否还要继续进行测试，若是则在更换测试座上的待测功率器件后返回步骤S3，否则停止驱动模块的工作并打开直流电源模块内的开关，通过功率电阻为其内部电容放电，测试结束。

附图说明

图1为本发明系统的结构框图；

图2为驱动模块电路图；

图3为UIS测试电路图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该可复用的功率器件UIS测试系统包括直流电源模块、驱动模块、电压测量模块、电流测量模块、信号处理及控制模块、电感器和IGBT断路器；驱动模块与待测功率器件和IGBT断路器相连接；待测功率器件与电流测量模块和电压测量模块相连接；电流测量模块和电压测量模块分别与信号处理及控制模块相连接；

直流电源模块，用于提供UIS测试及短路测试所需电流；

驱动模块，用于为待测功率器件及IGBT断路器提供驱动信号；

电压测量模块，用于在UIS测试及短路测试期间，测量待测功率器件漏极与源极(集电极与发射极)之间的电压数据；

电流测量模块，用于在UIS测试及短路测试期间，测量流过待测功率器件的电流数据；

电感器，用于提供UIS测试中所需的雪崩能量；

IGBT断路器，用于保证在UIS测试及短路测试期间，器件失效后电路能够安全关断且重置直流电源模块；

信号处理及控制模块，用于通过驱动模块控制待测功率器件与IGBT断路器的导通与关断，并将测量到的电压数据和电流数据转化为数字信号并存储起来。

如图2所示，驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片U1和型号为QA01的隔离电源M1，驱动芯片U1的OUT引脚为驱动信号输出引脚；驱动芯片U1的引脚20分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、驱动芯片U1的引脚19、驱动芯片U1的引脚14、驱动芯片U1的引脚12、驱动芯片U1的引脚11和电阻R1的一端并接地；驱动芯片U1的IN+引脚连接电阻R1的另一端并作为控制信号输入引脚；驱动芯片U1的引脚18分别连接电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端和5V电源；

驱动芯片U1的引脚1分别连接驱动芯片U1的引脚2、电容C15的一端、电容C16的一端、电容C17的一端、电容C8的一端、电容C7的一端、驱动芯片U1的引脚10、驱动芯片U1的引脚9和隔离电源M1的引脚5；电容C8的另一端与电容C7的另一端相连并接地；驱动芯片U1的引脚3和引脚4相连并接地；

隔离电源M1的引脚6分别连接电容C15的另一端、电容C16的另一端、电容C17的另一端、电容C12的一端、电容C13的一端和电容C14的一端并接地；隔离电源M1的引脚7分别连接电容C12的另一端、电容C13的另一端、电容C14的另一端、电容C6的一端、电容C5的一端、电容C4的一端和驱动芯片U1的引脚6；电容C4的另一端分别连接电容C5的另一端和电容C6的另一端并接地；隔离电源M1的引脚1分别连接电容C9的一端、电容C10的一端、电容C11的一端和15V电源；电容C9的另一端分别连接电容C10的另一端和电容C11的另一端并接地；

驱动信号输出引脚与待测功率器件以及IGBT断路器之间还设置有电桥推挽电路；电桥推挽电路包括电阻R2，电阻R2的一端分别连接驱动芯片U1的引脚7和电阻R3的一端；电阻R2的另一端分别连接电阻R3的另一端、NPN型功率三极管T1的基极、PNP型功率三极管T3的基极、NPN型功率三极管T2的基极和PNP型功率三极管T4的基极；NPN型功率三极管T1的发射极分别连接NPN型功率三极管T2的发射极、PNP型功率三极管T3的发射极和PNP型功率三极管T4的发射极并作为电桥推挽电路的输出端；PNP型功率三极管T3的集电极分别连接接地电阻R4和PNP型功率三极管T4的集电极；NPN型功率三极管T1的集电极分别连接NPN型功率三极管T2的集电极和隔离电源M1的引脚7。

如图3所示，UIS测试电路包括型号为IR25750LTRPBF的电压测量芯片和型号为CC6904SO的电流测量芯片。以MOSFET为待测功率器件为例，MOSFET的栅极分别连接电阻R3的一端和IR25750LTRPBF的3脚；MOSFET的漏极分别连接电阻R2的一端和电感L1的一端；MOSFET的源极分别连接电阻R4的一端、CC6904SO的1脚、CC6904SO的2脚和IR25750LTRPBF的4脚；IR25750LTRPBF的5脚分别连接电阻R4的另一端和电阻R2的另一端；IR25750LTRPBF的1脚作为测试电路的电压输出端；

CC6904SO的3脚、CC6904SO的4脚和CC6904SO的5脚接地；CC6904SO的8脚接3.3V电源和C5的一端；CC6904SO的7脚作为测试电路的电流输出端；电容C5的另一端接地；L1的另一端与IGBT断路器的发射极相连接；IGBT断路器的集电极分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、电容C4的一端、开关SW1的一端和电阻R1的一端；电阻R1的另一端与插座CN1的一端相连接；开关SW1的另一端与电阻R5的一端相连接；电阻R5的另一端分别连接电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端、电容C4的另一端和插座CN1的另一端；IGBT断路器的门极、电阻R3的另一端与驱动模块的输出相连接。

该可复用的功率器件UIS测试方法，用于破坏性单脉冲UIS测试时包括以下步骤：

S1、通过高压电源为直流电源模块内部大容量电容充电；

S2、通过驱动模块控制IGBT断路器开启；

S3、通过驱动模块控制待测功率器件开启；

S4、通过电流测量模块测量待测功率器件的导通电流数据，直到其达到阈值电流时，通过驱动模块控制关闭待测功率器件；

S5、测量待测功率器件的管脚间电压数据和流过待测功率器件的电流数据；

S6、当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流高于阈值电流的120％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，保护电路；

S7、判断是否还要继续进行测试，若是则在更换测试座上的待测功率器件后返回步骤S2，否则停止驱动模块的工作并打开直流电源模块内的开关，通过功率电阻为其内部电容放电，测试结束。

用于非破坏性重复脉冲UIS测试时包括以下步骤：

S1、通过高压电源为直流电源模块内部大容量电容充电；

S2、通过驱动模块控制IGBT断路器开启；

S3、通过驱动模块控制待测功率器件开启；

S4、通过电流测量模块测量待测功率器件的导通电流数据，直到其达到预设电流时，通过驱动模块控制关闭待测功率器件；

S5、测量待测功率器件的管脚间电压数据和流过待测功率器件的电流数据；

S6、当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流低于预设电流的10％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，使电源模块内部大电容重新充电，并通过信号处理及控制模块记录下循环次数，当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流高于预设电流的120％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，保护电路；

S7、待测功率器件充分冷却后，判断循环次数是否达到预设值，若否则返回步骤S2，若是则进行下一步；

S8、判断是否还要继续进行测试，若是则在更换测试座上的待测功率器件后返回步骤S2，否则停止驱动模块的工作并打开直流电源模块内的开关，通过功率电阻为其内部电容放电，测试结束。

用于短路测试时包括以下步骤：

S1、移除电感器，由导线代替；

S2、通过高压电源为直流电源模块内部大容量电容充电；

S3、通过驱动模块控制IGBT断路器开启；

S4、通过驱动模块控制待测功率器件开启；

S5、测量待测功率器件的管脚间电压数据和流过待测功率器件的电流数据；

S6、经过预设时间t后，通过驱动模块控制待测功率器件关闭；

S7、当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流高于阈值电流的120％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，保护电路；

S8、判断是否还要继续进行测试，若是则在更换测试座上的待测功率器件后返回步骤S3，否则停止驱动模块的工作并打开直流电源模块内的开关，通过功率电阻为其内部电容放电，测试结束。

在本发明的一个实施例中，以MOSFET为待测功率器件为例，如图2所示，INT为驱动模块的输入，由信号处理及控制模块进行控制；OUT为驱动模块的输出，给待测功率器件及IGBT断路器提供驱动信号；QA01为隔离电源(隔离强弱电、稳压、保护电路等作用)，给驱动模块的输出提供电源支持。1ED020I12FA2为驱动芯片，根据INT输入的信号输出相应的数字信号；T1、T2、T3、T4组成电桥推挽电路，通过驱动芯片的输出来控制桥选信号，进行推挽输出，采样两组电桥可以增加信号的推挽输出能力；R1为下拉电阻，当INT输入为低电平时，进行下拉输入；R2、R3可以在驱动芯片输出为低电平的时候，进一步拉低电压，防止电桥电路对于低电平输入信号的错误识别；其余电容可以消除电源与地之间的噪声，以到达滤波的目的。

ED020I12FA2驱动芯片输出的驱动电压范围是固定的，无法更改。驱动芯片与后面的电桥电路组合使用，可以根据需要改变驱动输出的电压范围，使该驱动电路可以作为多种功率器件的驱动电路使用，所以该驱动电路的使用范围更广。具体的做法是通过改变电桥电路上下两端(即接+VO和R4的两个端口)接入的电源电压来改变驱动电压的输出范围，本方法的驱动电压输出范围是0V至+15V。

如图3所示，Gate接驱动模块的输出；Q1为IGBT断路器，用于在器件失效后保证电路能够安全的关断；Q2为待测MOSFET；L1为电感器，用于提供在UIS测试中所需的雪崩能量；R3为栅极电阻，用于消除栅极驱动回路中的振荡，承受驱动模块的功率损耗，并且调节MOSFET的开关速度；IR25750LTRPBF为电压测量芯片，用于在UIS测试及短路测试期间，测量待测MOSFET漏极与源极之间的电压数据；VOUT为该芯片的输出；CC6904SO为电流测量芯片，用于在UIS测试及短路测试期间，测量流过待测MOSFET的电流数据；IOUT为该芯片的输出；R2和R4为大功率电阻，用于构成分压电路，避免待测MOSFET漏极与源极之间的电压超过IR25750LTRPBF的安全承受范围；C5为滤波电容，用于消除3.3V电源与地之间的噪声；C1、C2、C3、C4、R1、R5、SW1和CN1构成直流电源模块，用于提供UIS测试及短路测试所需电流；C1、C2、C3和C4的电容值很大，可以在短时间内提供一个很大的电流；R1和R5为大功率电阻，用于限制电容C1、C2、C3和C4充放电过程中的电流大小；CN1为插座，用于连接直流电源模块和外部高压电源。

信号处理及控制模块可以采用ADC对模拟信号(电压采集模块输出的信号)进行转换和处理，可以采用STM32对信号进行分析和计算(电压信号和电流信号)，并对驱动模块进行控制。

综上所述，本发明公开了一种可复用的功率器件UIS测试系统及方法，可实现多用途，既可以用于破坏性单脉冲UIS测试和非破坏性重复脉冲UIS测试，还可以用于功率器件短路测试。

Claims (9)

1.一种可复用的功率器件UIS测试系统，其特征在于，测试系统包括直流电源模块、驱动模块、电压测量模块、电流测量模块、信号处理及控制模块、电感器和IGBT断路器；所述驱动模块与待测功率器件和IGBT断路器相连接；所述待测功率器件与电流测量模块和电压测量模块相连接；所述电流测量模块和电压测量模块分别与信号处理及控制模块相连接；

所述直流电源模块，用于提供UIS测试及短路测试所需电流；

所述驱动模块，用于为待测功率器件及IGBT断路器提供驱动信号；

所述电压测量模块，用于在UIS测试及短路测试期间，测量待测功率器件漏极与源极(集电极与发射极)之间的电压数据；

所述电流测量模块，用于在UIS测试及短路测试期间，测量流过待测功率器件的电流数据；

所述电感器，用于提供UIS测试中所需的雪崩能量；

所述IGBT断路器，用于保证在UIS测试及短路测试期间，器件失效后电路能够安全关断且重置直流电源模块；

所述信号处理及控制模块，用于通过驱动模块控制待测功率器件与IGBT断路器的导通与关断，并将测量到的电压数据和电流数据转化为数字信号并存储起来。

2.根据权利要求1所述的可复用的功率器件UIS测试系统，其特征在于，所述驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片，所述型号为1ED020I12FA2的驱动芯片的OUT引脚为驱动信号输出引脚，IN+引脚为控制信号输入引脚。

3.根据权利要求2所述的可复用的功率器件UIS测试系统，其特征在于，所述驱动信号输出引脚与待测功率器件以及IGBT断路器之间还设置有电桥推挽电路。

4.根据权利要求1所述的可复用的功率器件UIS测试系统，其特征在于，所述电压测量模块包括型号为IR25750LTRPBF的芯片，用于测量待测功率器件漏极与源极(集电极与发射极)之间的电压数据，所述型号为IR25750LTRPBF的芯片的VOUT引脚为电压测量模块的信号输出引脚。

5.根据权利要求4所述的可复用的功率器件UIS测试系统，其特征在于，所述电压测量模块与待测功率器件之间还设置有分压电路。

6.根据权利要求1所述的可复用的功率器件UIS测试系统，其特征在于，所述电流测量模块包括型号为CC6904SO的芯片，用于测量流过待测功率器件的电流数据，所述型号为CC6904SO的芯片的IOUT引脚为电流测量模块的信号输出引脚。

7.一种可复用的功率器件UIS测试方法，其特征在于，破坏性单脉冲UIS测试包括以下步骤：

S1、通过高压电源为直流电源模块内部大容量电容充电；

S2、通过驱动模块控制IGBT断路器开启；

S3、通过驱动模块控制待测功率器件开启；

S4、通过电流测量模块测量待测功率器件的导通电流数据，直到其达到阈值电流时，通过驱动模块控制关闭待测功率器件；

S5、测量待测功率器件的管脚间电压数据和流过待测功率器件的电流数据；

S6、当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流高于阈值电流的120％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，保护电路；

S7、判断是否还要继续进行测试，若是则在更换测试座上的待测功率器件后返回步骤S2，否则停止驱动模块的工作并打开直流电源模块内的开关，通过功率电阻为其内部电容放电，测试结束。

8.一种可复用的功率器件UIS测试方法，其特征在于，非破坏性重复脉冲UIS测试包括以下步骤：

S1、通过高压电源为直流电源模块内部大容量电容充电；

S2、通过驱动模块控制IGBT断路器开启；

S3、通过驱动模块控制待测功率器件开启；

S4、通过电流测量模块测量待测功率器件的导通电流数据，直到其达到预设电流时，通过驱动模块控制关闭待测功率器件；

S5、测量待测功率器件的管脚间电压数据和流过待测功率器件的电流数据；

S6、当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流低于预设电流的10％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，使电源模块内部大电容重新充电，并通过信号处理及控制模块记录下循环次数，当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流高于预设电流的120％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，保护电路；

S7、待测功率器件充分冷却后，判断循环次数是否达到预设值，若否则返回步骤S2，若是则进行下一步；

S8、判断是否还要继续进行测试，若是则在更换测试座上的待测功率器件后返回步骤S2，否则停止驱动模块的工作并打开直流电源模块内的开关，通过功率电阻为其内部电容放电，测试结束。

9.一种可复用的功率器件UIS测试方法，其特征在于，短路测试包括以下步骤：

S1、移除电感器，由导线代替；

S2、通过高压电源为直流电源模块内部大容量电容充电；

S3、通过驱动模块控制IGBT断路器开启；

S4、通过驱动模块控制待测功率器件开启；

S5、测量待测功率器件的管脚间电压数据和流过待测功率器件的电流数据；

S6、经过预设时间t后，通过驱动模块控制待测功率器件关闭；

S7、当电流测量模块测量到流过待测功率器件的电流高于阈值电流的120％时通过驱动控制模块关闭IGBT断路器，保护电路；

S8、判断是否还要继续进行测试，若是则在更换测试座上的待测功率器件后返回步骤S3，否则停止驱动模块的工作并打开直流电源模块内的开关，通过功率电阻为其内部电容放电，测试结束。

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