CN117517918B - 脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法及装置，属于功率半导体器件测试领域，方法包括：触发晶闸管后向其通入脉冲大电流，利用修正热电耦合计算模型计算脉冲大电流下晶闸管的结温：以晶闸管在脉冲大电流工况下的熔铝体积为修正项，对原始热电耦合计算模型计算得到的结温进行修正得到的结果；根据结温与结温阈值之间的大小关系，判断晶闸管是否达到近限，当未达到近限时，设置新的运行条件；重复以上操作直至晶闸管达到近限，记录达到近限时的运行条件。实现脉冲大电流工况下晶闸管近限条件的自动化测量，提高了效率，同时有利于脉冲功率电源的轻型化、高功率化和高储能密度。

Description

脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法及装置

技术领域

本发明属于功率半导体器件测试领域，更具体地，涉及一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法及装置。

背景技术

脉冲功率技术在核物理、加速器、激光、电磁发射等技术中发挥着重要作用，在化工、环境工程、医疗等领域也有着巨大潜力。脉冲功率电源作为脉冲功率系统的核心设备，将高储能在极短时间内以强电脉冲输出，是电磁能高新技术和破岩钻井等工业应用的能源驱动系统，对其能量密度、功率密度与可靠性等具有极高要求。

目前常用的脉冲功率电源核心器件包括电容器、脉冲电感、强流开关器件等。脉冲晶闸管型强流开关的通流能力在目前半导体开关器件中最高，并且工作可靠、寿命长，在脉冲功率电源中得到广泛应用。同时也是脉冲功率电源中唯一的可控高功率器件，是影响系统响应速度、功率和稳定性的重要部件。

目前脉冲晶闸管型强流开关的一般运行条件并没有充分利用开关的通流能力，严重制约了脉冲功率电源的高功率化、轻型化、便携化。因此，需要得到晶闸管的暂态近限运行条件。但是，由于晶闸管在脉冲大电流工况时涉及到波形、重复次数、频率多重影响因素，以及晶闸管暂态运行时电流分布不均等问题，导致晶闸管暂态近限运行条件的获得困难且所得暂态近限运行条件的准确度较低。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法及装置，其目的在于提高测得的晶闸管暂态近限运行条件的准确度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法，包括：S1，触发晶闸管后向其通入幅值大于10kA的脉冲大电流，利用修正热电耦合计算模型计算所述脉冲大电流下晶闸管的结温；所述修正热电耦合计算模型计算得到的结温为：以晶闸管在脉冲大电流工况下的熔铝体积为修正项，对原始热电耦合计算模型计算得到的结温进行修正得到的结果；S2，根据所述结温与结温阈值之间的大小关系，判断晶闸管是否达到近限，当未达到近限时，设置新的运行条件，所述运行条件包括触发晶闸管的触发频率和触发次数，以及包括所述脉冲大电流的电流幅值和电流脉宽；S3，重复执行所述S1-S2直至晶闸管达到近限，记录达到近限时的运行条件。

更进一步地，所述修正热电耦合计算模型为：

其中，为修正热电耦合计算模型计算得到的结温，/>为原始热电耦合计算模型计算得到的结温，/>为修正系数，/>为晶闸管在脉冲大电流/>下微元的熔铝体积，/>为经验系数，/>为接触微元在脉冲大电流/>下产生的焦耳热，/>为铝层微元升温所需能量，/>为硅层微元升温所需能量，/>为铝的熔化热，/>为铝层微元的体电阻，/>为硅层微元的体电阻，/>为接触微元的接触电阻，/>为脉冲大电流作用时间，/>为铝的比热容，/>为铝的密度，/>为硅的比热容，/>为硅的密度，/>为温升，/>为微元体积。

更进一步地，为：

其中，为铝的电阻率，/>为硅的电阻率，/>为熔铝时铝层和硅层之间单个电接触斑点的半径，/>为铝层和硅层之间的接触力，/>为铝层和硅层之间接触面粗糙度，/>为接触面半径，/>为铝的泊松比，/>为铝的弹性模量，/>为硅的泊松比，/>为硅的弹性模量。

更进一步地，所述方法还包括：触发晶闸管后向其通入脉冲大电流之后，测量晶闸管的钼层实际温度，若所述钼层实际温度与钼层预测温度之差在预设范围内，执行所述S2；否则，停止测试并对所述晶闸管进行异常排查，所述钼层预计温度通过所述原始热电耦合计算模型计算得到。

更进一步地，所述原始热电耦合计算模型为采用以下方式构建的热电路模型：将晶闸管的热阻、热容分别对应等效为热电路模型的电阻、电容，将激励源即输入功率等效为热电路模型的电流源，计算得到的节点电压等效为热电路模型的晶闸管温升。

更进一步地，所述S2中依次遍历调整电流幅值、电流脉宽、触发频率和触发次数这四个维度。

按照本发明的另一个方面，提供了一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试装置，包括：控制模块、测试主回路、测量模块和调整模块；所述测试主回路用于产生幅值大于10kA的脉冲大电流；所述调整模块用于调整所述测试主回路的参数，以调整脉冲大电流参数；所述测量模块用于测量脉冲大电流下晶闸管的运行参数；所述控制模块用于执行如上所述的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法。

更进一步地，所述调整模块用于调整所述测试主回路的电容电压、电容容值和电感感值，以调整所述脉冲大电流的电流幅值和电流脉宽。

所述调整模块依据以下公式进行调整：

其中，为主回路电感，/>为主回路电容，/>为主回路电容的充电电压，/>为主回路的等效电阻，/>为脉冲大电流，/>为/>时刻的脉冲大电流，/>为衰减系数，/>为谐振频率。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

（1）提供一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法，综合考虑晶闸管在脉冲大电流工况下电流分布不均导致熔铝，进而加速晶闸管失效的情况，将熔铝体积作为热电耦合计算模型的修正考量，采用修正热电耦合计算模型进行近限判断，提高了晶闸管近限运行状态判断的准确度，更有利于实现脉冲功率电源的小型化、高功率化、高储能密度化；

（2）采用结温作为主要判断条件，采用钼层温度作为辅助判断条件，进行近限运行判断，基于钼层温度判断出存在异常时进行异常排查，一方面可以判断晶闸管是否异常发热，另一方面可以进一步提高热电耦合计算模型的可靠性；

（3）脉冲晶闸管型强流开关的暂态近限运行条件，采用电流幅值i、电流脉宽t、触发频率f和触发次数N四个维度进行描述，可以更好的适用多种工作条件；

（4）提供一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试装置，其整个测试过程除晶闸管安装和初始数据导入其余操作均可自动化进行，无需人工操作、效率高、智能化，提高了晶闸管暂态近限运行条件测量的效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的热电路模型。

图3为本发明实施例提供的晶闸管脉冲大电流工况下电流分布不均导致熔铝的示意图。

图4为本发明实施例提供的晶闸管脉冲大电流运行时熔铝计算的微元结构和等效电路。

图5为本发明实施例提供的稳态近限运行条件和暂态近限运行条件的区别示意图。

图6为本发明实施例提供的所测得四维暂态近限运行条件示意图。

图7为本发明实施例提供的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试装置的框图。

图8为本发明实施例提供的近限运行条件测试平台。

图9为本发明实施例提供的脉冲大电流测试回路提高的暂态脉冲大电流波形图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等（如果存在）是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

图1为本发明实施例提供的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法的流程图。参阅图1，结合图2-图6，对本实施例中脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法进行详细说明，方法包括操作S1-操作S3。

操作S1，触发晶闸管后向其通入幅值大于10kA的脉冲大电流，利用修正热电耦合计算模型计算脉冲大电流下晶闸管的结温。修正热电耦合计算模型计算得到的结温为：以晶闸管在脉冲大电流工况下的熔铝体积为修正项，对原始热电耦合计算模型计算得到的结温进行修正得到的结果。

本实施例中，综合考虑晶闸管在脉冲大电流工况下电流分布不均导致熔铝，进而加速晶闸管失效的情况，将熔铝体积作为热电耦合计算模型的修正考量，采用修正热电耦合计算模型进行近限判断。

根据本发明的实施例，原始热电耦合计算模型为采用以下方式构建的热电路模型：将晶闸管的热阻、热容分别对应等效为热电路模型的电阻、电容/>，将激励源即输入功率等效为热电路模型的电流源，计算得到的节点电压等效为热电路模型的晶闸管温升。由该热电路模型可以得到未修正的原始热电耦合计算模型预测的结温/>。

其中，为导热器件传热方向的长度，/>为材料的导热系数，/>为导热面积，/>为材料的比热容，/>为材料的密度。

根据以下参数：硅层半径43mm、厚度0.8mm、热导率、比热容、密度2400kg/m³、热阻0.459K/kW、热容3.90×10^-3s·kW/K；钼层半径43mm、厚度305mm、热导率/>、比热容/>、密度10200kg/m³、热阻4.463K/kW、热容/>；铜层半径43mm、厚度9.5mm、热导率/>、比热容/>、密度8889kg/m³、热阻4.119K/kW、热容/>；结合上方公式，建立的热电路模型如图2所示。

熔铝体积采用电接触面接触点熔化模型计算。将铝层和硅层接触面视为粗糙度相同、微观上均匀布满大小相同半球形凸起的结构，如图3所示。其接触电阻采用如下公式计算：

其中，为铝层和硅层之间的接触力，/>为铝层和硅层之间接触面粗糙度，/>为接触面半径，/>为铝的泊松比，/>为铝的弹性模量，/>为硅的泊松比，/>为硅的弹性模量，/>为接触微元的接触电阻，/>为铝的电阻率，/>为硅的电阻率。

参阅图4，接触微元简化为尺寸相等、半径、高/>的两圆柱形材料（铝和硅）叠加，再将其等效为由铝微元体电阻/>、硅微元体电阻/>、/>串联的等效电阻。体电阻/>、/>计算公式如下：

其中，为接触面通过的总电流。

晶闸管在脉冲大电流下微元的熔铝体积/>为：

最终得到的修正热电耦合计算模型为：

其中，为修正热电耦合计算模型计算得到的结温，/>为原始热电耦合计算模型计算得到的结温，/>为修正系数，/>为经验系数，/>为接触微元在脉冲大电流/>下产生的焦耳热，/>为铝层微元升温所需能量，/>为硅层微元升温所需能量，/>为铝的熔化热，/>为铝层微元的体电阻，/>为硅层微元的体电阻，/>为脉冲大电流作用时间，/>为铝的比热容，/>为铝的密度，/>为硅的比热容，/>为硅的密度，/>为温升，/>为微元体积。

以脉冲晶闸管的压接应力为90kN、粗糙度为0.8μm、半径为43mm，接触面材料的物理参数如下为例：铝层的泊松比0.33、弹性模量71.1GPa、电阻、比热容、密度2690kg/m³、熔点660℃、熔化热3.957×10⁵J/kg；硅层的泊松比0.28、弹性模量190GPa、电阻/>、比热容/>、密度2329kg/m³、熔点1410℃。由于铝的熔点为660℃，ΔT取640K。当晶闸管通过的电流幅值为60kA、脉宽为3ms时不发生熔铝；当晶闸管通过的电流幅值为70kA、脉宽为3ms时发生熔铝，熔铝体积ΔV为0.5306μm³。

操作S2，根据结温与结温阈值之间的大小关系，判断是否达到晶闸管的近限运行条件，当未达到近限时，设置新的运行条件，运行条件包括触发晶闸管的触发频率和触发次数，以及包括脉冲大电流的电流幅值和电流脉宽。

本实施例中，可以直接利用结温进行近限运行判断，也可以采用结温作为主要判断条件，采用钼层温度作为辅助判断条件，进行近限运行判断。

采用结温作为主要判断条件，采用钼层温度作为辅助判断条件，进行近限运行判断，具体过程为：触发晶闸管后向其通入脉冲大电流之后，测量晶闸管的钼层实际温度，若钼层实际温度与钼层预测温度之差在预设范围内，执行操作S2，否则，停止测试并对晶闸管进行异常排查，钼层预计温度通过原始热电耦合计算模型计算得到。一方面可以判断晶闸管是否异常发热，另一方面可以进一步提高热电耦合计算模型的可靠性。

本实施例中，根据晶闸管器件手册生成初始脉冲大电流（电流幅值i和电流脉宽t）、触发信号（触发频率f和触发次数N）和热电耦合计算模型。

通常当预测到的晶闸管结温温升达到130K（±3%）时，或者，结温达到428.15K时，晶闸管处于近限运行状态。

以取0.859、/>取1.5为例：单次触发时，当晶闸管通过的电流幅值为60kA、脉宽为3ms时，最终预测结温为382.65 K，未处于近限运行状态；当通过的电流幅值为70kA、脉宽为3ms、只触发一次时，最终预测结温为412.193K，未处于近限运行状态；当通过的电流幅值为75kA、脉宽为3ms、只触发一次时，最终预测结温为428.148K，处于近限运行状态。

操作S3，重复执行操作S1-操作S2直至晶闸管达到近限，记录达到近限时的运行条件。

根据本发明的实施例，操作S2中通过依次遍历调整电流幅值、电流脉宽、触发频率和触发次数这四个维度，来设置新的脉冲大电流和触发信号；操作S3中记录电流幅值i、电流脉宽t、触发频率f和触发次数N四个维度的暂态近限运行状态。

具体的，实例提供四寸晶闸管某个四维暂态近限运行条件为f=0Hz、N=1、i=75kA、t=3ms。

参阅图5，多次重复执行操作S1-操作S2所记录的晶闸管的暂态近限运行条件与稳态的近限状态不同，可运行边界明显提高。最终得到的四维暂态近限运行状态如图6所示。

本发明实施例还提供一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试装置，包括：控制模块、测试主回路、测量模块和调整模块，如图7所示。

测试主回路用于产生幅值大于10kA的脉冲大电流；调整模块用于调整测试主回路的参数，以调整脉冲大电流参数；测量模块用于测量脉冲大电流下晶闸管的运行参数；控制模块用于执行上述脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法。

调整模块用于调整测试主回路的电容电压、电容容值和电感感值，以调整脉冲大电流的电流幅值i和电流脉宽t。

通过调整测试主回路中并入电容、串入电感的数量和充电机输出的充电电压可调整晶闸管通过脉冲大电流的电流幅值i和电流脉宽t，如图8和图9所示。调整模块中的电容组和电感组为可通过电脑远程控制投切，响应快、简单可靠。同时可拆卸，可以根据不同的精度需求改变电容和电感变化的步进大小。具体通过以下公式进行调整：

其中，为主回路的电感，/>为主回路的电容，/>为电容的充电电压，/>为主回路的等效电阻，/>为脉冲大电流，/>为/>时刻的脉冲大电流，/>为衰减系数，/>为谐振频率。

具体地，当测试主回路中的电容为1.5mF、电感为10μH、充电机输出充电电压为6kV时，脉冲大电流幅值为60kA，脉宽为3ms。

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 (8)

1.一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法，其特征在于，包括：

S1，触发晶闸管后向其通入幅值大于10kA的脉冲大电流，利用修正热电耦合计算模型计算所述脉冲大电流下晶闸管的结温；

所述修正热电耦合计算模型计算得到的结温为：以晶闸管在脉冲大电流工况下的熔铝体积为修正项，对原始热电耦合计算模型计算得到的结温进行修正得到的结果；

所述修正热电耦合计算模型为：

其中，为修正热电耦合计算模型计算得到的结温，/>为原始热电耦合计算模型计算得到的结温，/>为修正系数，/>为晶闸管在脉冲大电流/>下微元的熔铝体积，/>为经验系数，/>为接触微元在脉冲大电流/>下产生的焦耳热，/>为铝层微元升温所需能量，/>为硅层微元升温所需能量，/>为铝的熔化热，/>为铝层微元的体电阻，/>为硅层微元的体电阻，/>为接触微元的接触电阻，/>为脉冲大电流作用时间，/>为铝的比热容，/>为铝的密度，/>为硅的比热容，/>为硅的密度，/>为温升，/>为微元体积；

S2，根据所述结温与结温阈值之间的大小关系，判断晶闸管是否达到近限，当未达到近限时，设置新的运行条件，所述运行条件包括触发晶闸管的触发频率和触发次数，以及包括所述脉冲大电流的电流幅值和电流脉宽；

S3，重复执行所述S1-S2直至晶闸管达到近限，记录达到近限时的运行条件。

2.如权利要求1所述的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法，其特征在于，为：

其中，为铝的电阻率，/>为硅的电阻率，/>为熔铝时铝层和硅层之间单个电接触斑点的半径，/>为铝层和硅层之间的接触力，/>为铝层和硅层之间接触面粗糙度，/>为接触面半径，/>为铝的泊松比，/>为铝的弹性模量，/>为硅的泊松比，/>为硅的弹性模量。

3.如权利要求1所述的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法，其特征在于，所述方法还包括：

触发晶闸管后向其通入脉冲大电流之后，测量晶闸管的钼层实际温度，若所述钼层实际温度与钼层预测温度之差在预设范围内，执行所述S2；否则，停止测试并对所述晶闸管进行异常排查，所述钼层预计温度通过所述原始热电耦合计算模型计算得到。

4.如权利要求1所述的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法，其特征在于，所述原始热电耦合计算模型为采用以下方式构建的热电路模型：

将晶闸管的热阻、热容分别对应等效为热电路模型的电阻、电容，将激励源等效为热电路模型的电流源，计算得到的节点电压等效为热电路模型的晶闸管温升。

5.如权利要求1所述的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法，其特征在于，所述S2中依次遍历调整电流幅值、电流脉宽、触发频率和触发次数这四个维度。

6.一种脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试装置，其特征在于，包括：控制模块、测试主回路、测量模块和调整模块；

所述测试主回路用于产生幅值大于10kA的脉冲大电流；所述调整模块用于调整所述测试主回路的参数，以调整脉冲大电流参数；所述测量模块用于测量脉冲大电流下晶闸管的运行参数；

所述控制模块用于执行如权利要求1-5任一项所述的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试方法。

7.如权利要求6所述的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试装置，其特征在于，所述调整模块用于调整所述测试主回路的电容电压、电容容值和电感感值，以调整所述脉冲大电流的电流幅值和电流脉宽。

8.如权利要求7所述的脉冲晶闸管型强流开关暂态近限运行条件测试装置，其特征在于，所述调整模块依据以下公式进行调整：

其中，为主回路电感，/>为主回路电容，/>为主回路电容的充电电压，/>为主回路的等效电阻，/>为脉冲大电流，/>为/>时刻的脉冲大电流，/>为衰减系数，/>为谐振频率。