CN114325285A - 一种具有可调栅压结构的SiC MOSFET重复短路测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有可调栅压结构的SiC MOSFET重复短路测试方法，包括母线电容组、SSCB保护电路、待测器件接口及驱动电路及驱动电压调节电路。其中，母线电容组通过断路器S1与高压直流源连接，SSCB保护装置、待测器件DUT以及母线电容组共同组成短路测试回路，短路信号由信号发生器输入至驱动芯片，通过驱动电阻R1传输至DUT，驱动电压调节电路由隔离电源模块输出，经过Buck‑Boost调节电路连接至驱动芯片副边的供电引脚，调压电路中的R1、R2的中点FB连接至调压芯片的反馈引脚FB，Buck‑Boost芯片输出经过L1连接至驱动芯片副边的GND，调压芯片的GND引脚连接至驱动芯片VCC2，该方法可实现不同驱动电压下的SiC MOSFET重复短路实验。
Description
技术领域
本发明属于功率半导体器件可靠性测试领域，具体涉及一种栅极电压可调式的SiC MOSFET重复短路测试方法。
背景技术
近年来，随着应用在新能源发电、电动汽车等非平稳工况下的电力电子装备的大量投运，由功率半导体器件老化失效引起的系统可靠性问题日益突出，复杂工况下功率器件的可靠性问题成为当下电力电子学科的研究热点之一。以SiC MOSFET为代表的新一代宽禁带半导体器件的投产应用，极大地提高装备性能的同时，也使得功率器件面临更高的电热应力以及更加恶劣工况环境。同时，SiC MOSFET器件氧化层可靠性低、短路耐受力弱等自身可靠性问题的存在，使得器件的退化失效机理变得更加复杂。功率器件的应用可靠性不足成为宽禁带电力电子技术迈向实用化的关键瓶颈问题，亟待在宽禁带电力电子器件的退化机理、失效模式及其加固方法等研究方面获得突破。
短路测试是功率器件可靠性测试的重要内容之一。SiC MOSFET短路耐受能力在很大程度上决定了SiC MOSFET基电力装置的可靠性和失效率，对SiC MOSFET短路能力是评估是表征其应用可靠性的重要方式。SiC MOSFET短路耐受力主要体现在单次短路下器件的耐受能力，以及重复短路下器件性能的稳定性两个方面。为了使测试结果更具有分析价值，分析SiC MOSFET在不同栅源极电压、漏源极电压下的短路耐受力是十分必要的。现有的测试方法中往往只能实现单一驱动电压下SiC MOSFET的短路测试，使得测试结果较为单一。部分研究方案采用稳压管的方式调节栅压，但栅压的调节范围窄，调节精度低，且会对驱动回路产生侵扰，影响待测器件的短路特性。
鉴于此，本发明提出了一种栅极电压可调式的SiC MOSFET重复短路测试方法，可以在不侵入待测器件驱动回路，且不增加额外电源模块的基础上，实现SiC MOSFET不同栅压下的重复短路实验。
发明内容
本发明的目的是针对目前短路测试平台存在的保护功能单一、栅压不可调等问题，提供一种带有Buck-Boost调压结构的SiC MOSFET短路测试方法，它可以模拟不同栅源极电压、漏源极电压下的单次及重复短路实验。
为此，本发明提供了如下技术方案，包括：
所述高压断路器部分，其作用为在短路测试前，由高压电源向母线电容组CDC充电，待电压稳定后，断开高压断路器，以此作为测试电路一级保护，防止待测器件发生短路失效后，高压电源能量的持续注入。
所述母线电容组部分，为了减小寄生参数对短路特性的影响，母线电容组确定为多个高压薄膜电容并联，其容值的选取应满足以下条件，即电容在相应电压下存储的能量总和，应远远大于DUT单个短路周期所消耗的能量，具体电容容值选取公式如下：
所述SSCB由大电流等级IGBT及其驱动电路构成，IGBT选取为IXYS公司IXYH82N120C3 1200V器件，其脉冲电流可达380A，可以满足TO-247单管SiC MOSFET短路实验需求。SSCB作为二级保护措施，可以在待测器件发生不可控的失效模式时，在失效后的十个微秒内及时切断功率回路，以降低短路实验对平台其它组件的损伤。
本发明可以满足TO-247\TO-220单管封装的SiC MOSFET短路测试需求，待测器件部分可以选取老化测试座或极靴等可插拔式接口，实现不同器件的测试；驱动电路由、隔离电源模块、驱动芯片以及驱动电阻构成，驱动电阻可根据测试需求更换相应阻值，隔离电源模块确定为+5V转-15V，驱动芯片圆边供电连接+5V，副边供电由调压电路输出提供。
所述调压电路部分，采用Buck-Boost升降压结构，主芯片采用MP2451，输入电压由隔离电源模块原边提供，调压电路输出端连接至驱动芯片副边供电引脚，Buck-Boost调压电路可看作是通过合并高频开关使Buck变换器和Boost变换器串联组成的新变换器，其输出电压与输入电压的极性相反。Buck-Boost调压电路拓扑由调压电阻R1\R2、电感L1、电容C1\C2\C3等线性电路元件，MOS管Q、二极管D1非线性的开关器件以及控制芯片组成。电感、电容用来储存和传递电能，二极管用来续流，，控制芯片用来控制开关器件的通断。其可以工作在升压模式或降压模式，故具有宽范围的电压调节能力。
附图说明
图1为实施例示出的一种具有可调栅压结构的SiC MOSFET重复短路测试方法原理图；
图2为实施例示出的短路测试主回路；
图3为实施例示出的短路测试控制时序图；
图4为实施例示出的调压电路高频开关导通时工作状态图；
图5为实施例示出的调压电路高频开关导通时工作状态图；
具体实施方式
为了更详细地阐述本发明，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做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。
本发明提供了一种具有可调栅压结构的SiC MOSFET重复短路测试方法，可以实现不同栅极电压下的SiC MOSFET重复短路实验，其主要可分为储能单元、SSCB保护电路、待测器件接口及驱动电路、驱动电压调节电路四个部分，参照图1。
短路测试主回路如图2所示，选择大容量IGBT作为SSCB主开关器件，其选取原则需满足，当主回路流过待测器件的最大饱和电流时，IGBT需工作在线性区，以保证降落在IGBT上的压降远远小于待测器件D、S两端的压降，以此模拟短路实验。
具体控制时序如图3，测试前高压断路器处于开通状态，由高压电源向储能电容充电，当储能电容两端电压等于设定母线电压值时，断开S1，以此作为一级保护；防止短路测试过程中，待测器件发生不可控的短路失效发生后，高压电源能量的持续输入带来的风险。断开S1的同时，给SSCB输入开通信号，此时DUT两端电压迅速升至母线电压V1；经过一小段时间的延迟后(几μs-十几μs，其目的是确保SSCB完全开通)，t1时刻对DUT施加开通信号，此时短路故障发生，t2时刻关断DUT，DUT的开通时间即为短路时长tsc；经过一段时间延迟后，t3时刻对SSCB施加关断信号，；至此，单次短路实验结束；SSCB需要设置短路保护检测电路，当DUT发生不可控的短路失效模式时，SSCB可及时检测到故障信号，并迅速关断主回路，避免DUT失效对测试电路造成的破坏；同时，可通过设置控制器的脉冲时序重复次数，即可以实现非破坏性重复短路测试。
调压电路的工作过程可以分为以下两个工作模式：
(1)如图4所示，当高频开关Q导通时，二极管D1两端承受反向电压，处于反向截止状态，输入电压E加在功率电感L1上，此时电感从输入电压E获取能量，处于充电模式，电感电流IL随着时间以E/L的速率增大。输出电容C3处于放电模式，输出电压V由储存能量的电容C3供能，保持输出电压VO稳定；此时电感电压VL与输入电压Vin满足公式：
(2)如图5所示，当Q截止关断时，输入电源与后部分电路的回路断开，二极管D1正向导通，由于电感L1存在，电感电流IL不会发生突变；电感L1处于放电状态，向外释放能量为电容和负载电阻供能；电容C3处于充电状态，电感电流IL以V/1的速率减小，输出电压极性为下正上负。高频开关Q的导通占空比愈高，传递到负载的能量也愈多；此时电感电压VL与输入电压Vin满足公式：
在调压电路中，输出升压或是降压，由占空比D的大小决定，令占空比u→0，稳态时输出电压V也将为零，令占空比u→1，通过L1的电流变得无限大，此时供给到负载的电能也将会无限大。因此通过控制高频开关Q通断的占空比可以控制输出电压的变化：
(1)当D小于0.5时，电路工作在降压模式；
(2)当D大于0.5时，电路工作在升压模式。
联立以上两个方程式，可以得到：
此外，栅极电压的调节是通过R1、R2以及调压芯片完成的，调压芯片的选取只要可实现Buck-Boost变换电路即可，在这里以TPS54060A为例，输入输出电压满足公式：
需要注意的是，在设定电压电阻R1和R2阻值时，需满足最大输入电压Vin和输出电压VO的差值不超过调压芯片的最大允许工作电压的限制条件。
Claims (6)
1.一种具有可调栅压结构的SiC MOSFET重复短路测试方法，其特征在于，包括母线电容组、SSCB保护电路、待测器件接口及驱动电路、驱动电压调节电路。所述母线电容通过高压断路器连接至高压电源，SSCB保护装置与待测器件DUT串联形成短路测试支路，驱动信号经驱动芯片及驱动电阻Rg连接至DUT的栅极，驱动芯片的原边供电经隔离电源模块输出至调压电路，调压电路输出端连接至驱动芯片副边供电。
2.如权利要求1所述的具有可调栅压结构的SiC MOSFET重复短路测试方法，其特征在于，具有高压断路器及SSCB双重保护结构，可满足非破坏性重复短路测试需求。
3.如权利要求1所述的具有可调栅压结构的SiC MOSFET重复短路测试方法，其特征在于，SSCB保护电路由大容量IGBT及其驱动保护电路构成，保护动作的产生方案采用退饱和检测，可实现快速故障检测。
4.如权利要求1所述的具有可调栅压结构的SiC MOSFET重复短路测试方法，其特征在于，驱动芯片仅需要向原边供电即可，副边供电由调压电路提供。
5.如权利要求1所述的具有可调栅压结构的SiC MOSFET重复短路测试方法，其特征在于，调压电路采用Buck-Boost升降压结构，通过调节R1和R2的比值，实现宽范围驱动电压的调节。
6.如权利要求5所述的调压电路，其特征在于，不需要更换器件，调节R1可以实现高精度驱动电压的控制。
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