CN118068153A - 一种碳化硅功率模块的动态测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种碳化硅功率模块的动态测试装置，通过设置靠近功率模块正极端子与负极端子的解耦电容组，降低直流母线换流回路的寄生电感，同时在直流电源接口处设置电容容量与等效电阻阻值略大与解耦电容组的过渡电容组，用于为供能的电解电容与解耦电容之间达到电压平衡提供缓冲，能够降低开关瞬间功率模块开关管上的过电压，实现高开关频率下功率模块的动态测试，解决了传统的功率模块动态测试装置难以满足宽禁带半导体功率模块测试的需求的技术问题。

Description

一种碳化硅功率模块的动态测试装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种碳化硅功率模块的动态测试装置。

背景技术

电力电子功率模块(简称功率模块)由于其高效、高功率密度、可靠性高、易于维护等优点，在电动汽车、太阳能和风能发电系统等众多领域得到广泛应用。开关特性是评价功率模块性能的重要指标，对功率模块进行动态测试是在其出厂前必不可少的步骤。在对功率模块进行动态测试时，需要外接直流电源、驱动信号和负载，对模块上的电压电流信号进行测量。

随着功率模块产业的发展，针对开关速度并不快的IGBT模块(一般为几十到几百kHz)的动态测试装置已经比较成熟，通常只需要设置电解电容作为直流母线电压的滤波和支撑电容。但电解电容较大的回路寄生电感导致了高开关速度下过大的开关电压尖峰，限制了测试装置的开关速度。这使得传统功率模块动态测试装置很难满足宽禁带半导体功率模块测试的需求(开关速度为MHz)。

发明内容

本发明提供了一种碳化硅功率模块的动态测试装置，用于解决传统的功率模块动态测试装置难以满足宽禁带半导体功率模块测试的需求的技术问题。

有鉴于此，本发明提供了一种碳化硅功率模块的动态测试装置，包括PCB板；

PCB板上设置有正极连接孔、负极连接孔、输出电极连接孔、上管驱动信号连接孔、上管源极连接孔、下管驱动信号连接孔、下管源极连接孔、热敏电阻测试连接孔、正极端子、负极端子、输出电极端子、上管驱动信号测试孔、上管源极测试孔、下管驱动信号测试孔、下管源极测试孔、上管驱动回路插座、下管驱动回路插座、直流电源接口、分流器、过渡电容组、过渡电容均压电阻、解耦电容组、解耦电容均压电阻和待测功率模块；

正极连接孔用于PCB板与待测功率模块正极的电连接；

负极连接孔用于PCB板与待测功率模块负极的电连接；

输出电极连接孔用于PCB板与待测功率模块输出电极的电连接；

上管驱动信号连接孔用于PCB板与待测功率模块的上管驱动信号电连接；

上管源极连接孔用于PCB板与待测功率模块的上管源极电连接；

下管驱动信号连接孔用于PCB板与待测功率模块的下管驱动信号电连接；

下管源极连接孔用于PCB板与待测功率模块的下管源极电连接；

热敏电阻测试连接孔用于作为待测功率模块的热敏电阻电压测试接口；

正极端子、负极端子和输出电极端子用于为测量待测功率模块的正极与输出电压电极、负极与输出电压电极之间的电压提供接口，正极端子通过铺铜连接到正极连接孔，负极端子通过铺铜连接到负极连接孔，输出电极端子通过铺铜连接到输出电极连接孔；

上管驱动信号测试孔和上管源极测试孔用于为上管驱动电压测量提供连接接口；

下管驱动信号测试孔和下管源极测试孔用于为下管驱动电压测量提供连接接口；

上管驱动信号测试孔和上管源极测试孔分别通过走线连接到上管驱动信号连接孔和上管源极连接孔，下管驱动信号测试孔和下管源极测试孔分别通过走线连接到下管驱动信号连接孔和下管源极连接孔；

上管驱动回路插座用于为上管驱动回路与PCB板上管驱动信号测试孔和上管源极测试孔的连接提供接口；

下管驱动回路插座用于下管驱动回路与PCB板下管驱动信号测试孔和下管源极测试孔的连接提供接口；

直流电源接口用于与外部直流电源进行连接，为功率模块动态测试提供能量；

分流器靠近直流电源接口设置，用于测量流过待测功率模块的电流信号；

过渡电容组设置在分流器两侧，用于为电解电容与解耦电容之间达到电压平衡提供缓冲，过渡电容组的容值与等效串联电阻大于解耦电容组；

解耦电容组靠近正极连接孔和负极连接孔设置，用于减小直流母线换流回路的寄生电感；

过渡电容均压电阻用于平衡过渡电容组串联电容之间的电压；

解耦电容均压电阻用于平衡解耦电容组串联电容之间的电压。

可选地，过渡电容均压电阻一端连接直流母线正电压，另一端连接地，过渡电容均压电阻与过渡电容组并联；

解耦电容均压电阻一端连接直流母线正电压，另一端连接直流母线负电压，解耦电容均压电阻与解耦电容组并联。

可选地，过渡电容组以两串四并的连接方式分为两组，过渡电容组一端连接直流母线正电压，另一端连接地；

解耦电容组以两串两并的连接方式分为两组，一端连接直流母线正电压，另一端连接直流母线负电压。

可选地，正极连接孔和负极连接孔之间的PCB板区域开槽处理。

可选地，解耦电容组和过渡电容组为多层陶瓷电容组。

从以上技术方案可以看出，本发明提供的碳化硅功率模块的动态测试装置具有以下优点：

本发明提供的碳化硅功率模块的动态测试装置，包括PCB板；PCB板上设置有正极连接孔、负极连接孔、输出电极连接孔、上管驱动信号连接孔、上管源极连接孔、下管驱动信号连接孔、下管源极连接孔、热敏电阻测试连接孔、正极端子、负极端子、输出电极端子、上管驱动信号测试孔、上管源极测试孔、下管驱动信号测试孔、下管源极测试孔、上管驱动回路插座、下管驱动回路插座、直流电源接口、分流器、过渡电容组、过渡电容均压电阻、解耦电容组、解耦电容均压电阻和待测功率模块。通过设置靠近功率模块正极端子与负极端子的解耦电容组，降低直流母线换流回路的寄生电感，同时在直流电源接口处设置电容容量与等效电阻阻值略大与解耦电容组的过渡电容组，用于为供能的电解电容与解耦电容之间达到电压平衡提供缓冲，能够降低开关瞬间功率模块开关管上的过电压，实现高开关频率下功率模块的动态测试，解决了传统的功率模块动态测试装置难以满足宽禁带半导体功率模块测试的需求的技术问题。

同时，本发明提供的碳化硅功率模块的动态测试装置设置多层陶瓷电容组，能够降低开关瞬间功率模块开关器件上的过电压，提高功率模块动态测试的开关速度。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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相关的附图。

图1为本发明实施例中提供的一种碳化硅功率模块的动态测试装置的正面结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的一种碳化硅功率模块的动态测试装置的背面结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的一种碳化硅功率模块的动态测试装置的电气原理示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。

为了便于理解，请参阅图1至图3，本发明提供了一种碳化硅功率模块的动态测试装置的实施例，包括PCB板；

PCB板上设置有正极连接孔(1a、1b、1c、1d)、负极连接孔(2a、2b、2c、2d)、输出电极连接孔3、上管驱动信号连接孔(4a、4b)、上管源极连接孔(5a、5b)、下管驱动信号连接孔6、下管源极连接孔7、热敏电阻测试连接孔8、正极端子10、负极端子11、输出电极端子12、上管驱动信号测试孔(13a、13b)、上管源极测试孔(14a、14b)、下管驱动信号测试孔15、下管源极测试孔16、上管驱动回路插座(17a、17b)、下管驱动回路插座18、直流电源接口19、分流器20、过渡电容组(21a、21b)、过渡电容均压电阻(22a、22b)、解耦电容组(23a、23b)、解耦电容均压电阻(24a、24b)和待测功率模块25；

正极连接孔(1a、1b、1c、1d)用于PCB板与待测功率模块正极的电连接；

负极连接孔(2a、2b、2c、2d)用于PCB板与待测功率模块负极的电连接；

输出电极连接孔3用于PCB板与待测功率模块输出电极的电连接；

上管驱动信号连接孔(4a、4b)用于PCB板与待测功率模块的上管驱动信号HG电连接；

上管源极连接孔(5a、5b)用于PCB板与待测功率模块的上管源极HS电连接；

下管驱动信号连接孔6用于PCB板与待测功率模块的下管驱动信号LG电连接；

下管源极连接孔7用于PCB板与待测功率模块的下管源极LS电连接；

热敏电阻测试连接孔8用于作为待测功率模块的热敏电阻电压测试接口；

正极端子10、负极端子11和输出电极端子12用于为测量待测功率模块的正极与输出电压电极、负极与输出电压电极之间的电压提供接口，正极端子10通过铺铜连接到正极连接孔(1a、1b、1c、1d)，负极端子11通过铺铜连接到负极连接孔(2a、2b、2c、2d)，输出电极端子12通过铺铜连接到输出电极连接孔3；

上管驱动信号测试孔(13a、13b)和上管源极测试孔(14a、14b)用于为上管驱动电压测量提供连接接口；

下管驱动信号测试孔15和下管源极测试孔16用于为下管驱动电压测量提供连接接口；

上管驱动信号测试孔(13a、13b)和上管源极测试孔(14a、14b)分别通过走线连接到上管驱动信号连接孔(4a、4b)和上管源极连接孔(5a、5b)，下管驱动信号测试孔15和下管源极测试孔16分别通过走线连接到下管驱动信号连接孔6和下管源极连接孔7；

上管驱动回路插座(17a、17b)用于为上管驱动回路与PCB板上管驱动信号测试孔(13a、13b)和上管源极测试孔(14a、14b)的连接提供接口；

下管驱动回路插座18用于下管驱动回路与PCB板下管驱动信号测试孔15和下管源极测试孔16的连接提供接口；

直流电源接口19用于与外部直流电源进行连接，为功率模块动态测试提供能量；

分流器20靠近直流电源接口设置，分流器20一端连接直流母线负电压DC-，一端连接地Ground，用于测量流过待测功率模块的电流信号。

过渡电容组(21a、21b)设置在分流器20两侧，用于为电解电容与解耦电容之间达到电压平衡提供缓冲，过渡电容组(21a、21b)的容值与等效串联电阻大于解耦电容组(23a、23b)；

解耦电容组(23a、23b)靠近正极连接孔(1a、1b、1c、1d)和负极连接孔(2a、2b、2c、2d)设置，用于减小直流母线换流回路的寄生电感；

过渡电容均压电阻(22a、22b)用于平衡过渡电容组(21a、21b)串联电容之间的电压；

解耦电容均压电阻(24a、24b)用于平衡解耦电容组(23a、23b)串联电容之间的电压。

需要说明的是，本发明实施例中的碳化硅功率模块开关管均为碳化硅MOSFET。正、负极多个接口对应功率模块的多芯片设计。功率回路均采用大面积铺铜连接，提供足够的通流能力。上管驱动信号测试孔(13a、13b)、上管源极测试孔(14a、14b)、下管驱动信号测试孔15、下管源极测试孔16、上管驱动信号连接孔(4a、4b)、上管源极连接孔(5a、5b)、下管驱动信号连接孔6和下管源极连接孔7的信号回路走线都尽量短并保证对应信号线与源极线平行，减少干扰。直流电源接口19设置在PCB板的一端，便于连接。工作时，外界电源经过电解电容(图未标)稳压、滤波后，直流母线正电压DC+、直流母线负电压DC-从直流电源接口19接入PCB版，为功率模块动态测试提供能量。更进一步地，直流母线正电压DC+连接到正极连接孔(1a、1b、1c、1d)与正极端子10，直流母线负电压DC-连接到负极连接孔(2a、2b、2c、2d)与负极端子11。

由于电解电容(一般为几十到几百μF)与解耦电容(一般为几μF)容值差异较大，在电压变化时存在较大振荡，可能损坏开关器件。设置容值与等效串联电阻略大于解耦电容组(23a、23b)的过渡电容组(21a、21b)即可起到缓冲作用。解耦电容组(23a、23b)设置在分流器20两侧，以最大化利用PCB板面积。解耦电容组(23a、23b)靠近PCB板正极连接孔(1a、1b、1c、1d)与负极连接孔(2a、2b、2c、2d)设置，尽量减小换流回路的寄生电感，实现对直流母线寄生电感的动态解耦。更进一步地，过渡电容组(21a、21b)对应电容C1～C16以两串四并的连接方式分为两组，一端连接直流母线正电压DC+，另一端连接地Ground；解耦电容组(23a、23b)对应电容C17～C24以两串两并的连接方式分为两组，一端连接直流母线正电压DC+，另一端连接直流母线负电压DC-。

解耦电容组(23a、23b)和过渡电容组(21a、21b)为多层陶瓷电容组，能够降低开关瞬间功率模块开关器件上的过电压，提高功率模块动态测试的开关速度。

过渡电容组(21a、21b)和解耦电容组(23a、23b)通过串并联的方式提高耐压和通流能力，由于工作状态和器件参数的差异，串联电容间电压往往不一致，可能导致器件损坏。过渡电容均压电阻(22a、22b)用于平衡过渡电容组串联电容之间的电压，解耦电容均压电阻(24a、24b)用于平衡解耦电容组串联电容之间的电压。更进一步地，过渡电容均压电阻(22a、22b)对应电阻R1～R4，一端连接直流母线正电压DC+，另一端连接地Ground，与过渡电容组(21a、21b)并联；解耦电容均压电阻(24a、24b)对应电阻R5～R8，一端连接直流母线正电压DC+，另一端连接直流母线负电压DC-，与解耦电容组(23a、23b)并联。

本发明中提供的碳化硅功率模块的动态测试装置工作时，外界直流电源经过电解电容(图未标)稳压和滤波从PCB板的直流电源接口19输入。功率模块的功率端子与PCB板功率连接孔(1a、1b、1c、1d、2a、2b、2c、2d、3)通过焊接连接，功率模块的信号端子与PCB板信号连接孔(4a、4b、5a、5b、6、7)通过焊接连接，功率模块的热敏电阻端子与PCB板热敏电阻连接孔8通过焊接连接。其中，功率模块的各个端子与PCB板上的功率连接孔、信号连接孔、热敏电阻连接孔的相对位置一一对应，保证PCB板与功率模块的可靠连接。PCB板驱动测试孔(13a、13b，14a、14b、15、16)与设计的碳化硅(SiC)驱动板(图未标)通过插座(17a、17b、18)直接连接。

为测试功率模块的上开关管参数，需要将负载电感串联在PCB板输出电极端子12与PCB板负极端子11之间。上管驱动电压通过上管驱动插座(17a、17b)输入，经过上管驱动信号连接孔(4a、4b)、上管源极连接孔(5a、5b)为功率模块上管提供两次开通信号。输入第一个开通信号时，功率模块上管导通，母线电压加在负载电感两端，负载电感电流上升，通过控制第一个开通信号的时间可以控制第一个信号结束时流过功率模块上管的电流。第一个开通信号结束时，功率模块上管关断，负载电感通过功率模块下管反并联二极管续流，测量正极端子10与输出电极端子12之间的电压，上管驱动测试孔(13a与14a，13b与14b)上的电压，分流器20得到的电流，得到功率模块上管在某一关断电流下的电压电流波形和参数；此时负载电感电流从功率模块下管反并联二极管流过，由于时间非常短，假设电流大小不变，输入第二个开通信号，功率模块上管导通，负载电感电流重新流过功率模块上管，控制流过上管的电流为第一个开通信号结束时的电流，测量正极端子10与输出电极端子12之间的电压，上管驱动测试孔(13a与14a，13b与14b)上的电压，分流器20得到的电流，得到功率模块下管在某一开通电流下的电压电流波形和参数。

为测试功率模块的下开关管参数，需要将负载电感串联在PCB板输出电极端子12与PCB板正极端子10之间。下管驱动电压通过下管驱动插座18输入，测量负极端子11与输出电极端子之间12的电压，下管驱动测试孔(15与16)上的电压，分流器20得到的电流，得到功率模块下管在某一电流下的开通和关断电压电流波形和参数。其具体测试过程及原理可参考上开关管测试，此处不再赘述。综合上下管的动态测试结果即可得到功率模块的开关特性。

在一个实施例中，为保证正极连接孔(1a、1b、1c、1d)、负极连接孔(2a、2b、2c、2d)之间有足够的绝缘强度，对正极连接孔和负极连接孔之间的PCB板区域开槽(9a、9b、9c、9d)处理。

本发明提供的碳化硅功率模块的动态测试装置，包括PCB板；PCB板上设置有正极连接孔、负极连接孔、输出电极连接孔、上管驱动信号连接孔、上管源极连接孔、下管驱动信号连接孔、下管源极连接孔、热敏电阻测试连接孔、正极端子、负极端子、输出电极端子、上管驱动信号测试孔、上管源极测试孔、下管驱动信号测试孔、下管源极测试孔、上管驱动回路插座、下管驱动回路插座、直流电源接口、分流器、过渡电容组、过渡电容均压电阻、解耦电容组、解耦电容均压电阻和待测功率模块。通过设置靠近功率模块正极端子与负极端子的解耦电容组，降低直流母线换流回路的寄生电感，同时在直流电源接口处设置电容容量与等效电阻阻值略大与解耦电容组的过渡电容组，用于为供能的电解电容与解耦电容之间达到电压平衡提供缓冲，能够降低开关瞬间功率模块开关管上的过电压，实现高开关频率下功率模块的动态测试，解决了传统的功率模块动态测试装置难以满足宽禁带半导体功率模块测试的需求的技术问题。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种碳化硅功率模块的动态测试装置，其特征在于，包括PCB板；

PCB板上设置有正极连接孔、负极连接孔、输出电极连接孔、上管驱动信号连接孔、上管源极连接孔、下管驱动信号连接孔、下管源极连接孔、热敏电阻测试连接孔、正极端子、负极端子、输出电极端子、上管驱动信号测试孔、上管源极测试孔、下管驱动信号测试孔、下管源极测试孔、上管驱动回路插座、下管驱动回路插座、直流电源接口、分流器、过渡电容组、过渡电容均压电阻、解耦电容组、解耦电容均压电阻和待测功率模块；

正极连接孔用于PCB板与待测功率模块正极的电连接；

负极连接孔用于PCB板与待测功率模块负极的电连接；

输出电极连接孔用于PCB板与待测功率模块输出电极的电连接；

上管驱动信号连接孔用于PCB板与待测功率模块的上管驱动信号电连接；

上管源极连接孔用于PCB板与待测功率模块的上管源极电连接；

下管驱动信号连接孔用于PCB板与待测功率模块的下管驱动信号电连接；

下管源极连接孔用于PCB板与待测功率模块的下管源极电连接；

热敏电阻测试连接孔用于作为待测功率模块的热敏电阻电压测试接口；

正极端子、负极端子和输出电极端子用于为测量待测功率模块的正极与输出电压电极、负极与输出电压电极之间的电压提供接口，正极端子通过铺铜连接到正极连接孔，负极端子通过铺铜连接到负极连接孔，输出电极端子通过铺铜连接到输出电极连接孔；

上管驱动信号测试孔和上管源极测试孔用于为上管驱动电压测量提供连接接口；

下管驱动信号测试孔和下管源极测试孔用于为下管驱动电压测量提供连接接口；

上管驱动信号测试孔和上管源极测试孔分别通过走线连接到上管驱动信号连接孔和上管源极连接孔，下管驱动信号测试孔和下管源极测试孔分别通过走线连接到下管驱动信号连接孔和下管源极连接孔；

上管驱动回路插座用于为上管驱动回路与PCB板上管驱动信号测试孔和上管源极测试孔的连接提供接口；

下管驱动回路插座用于下管驱动回路与PCB板下管驱动信号测试孔和下管源极测试孔的连接提供接口；

直流电源接口用于与外部直流电源进行连接，为功率模块动态测试提供能量；

分流器靠近直流电源接口设置，用于测量流过待测功率模块的电流信号；

过渡电容组设置在分流器两侧，用于为电解电容与解耦电容之间达到电压平衡提供缓冲，过渡电容组的容值与等效串联电阻大于解耦电容组；

解耦电容组靠近正极连接孔和负极连接孔设置，用于减小直流母线换流回路的寄生电感；

过渡电容均压电阻用于平衡过渡电容组串联电容之间的电压；

解耦电容均压电阻用于平衡解耦电容组串联电容之间的电压。

2.根据权利要求1所述的碳化硅功率模块的动态测试装置，其特征在于，过渡电容均压电阻一端连接直流母线正电压，另一端连接地，过渡电容均压电阻与过渡电容组并联；

解耦电容均压电阻一端连接直流母线正电压，另一端连接直流母线负电压，解耦电容均压电阻与解耦电容组并联。

3.根据权利要求2所述的碳化硅功率模块的动态测试装置，其特征在于，过渡电容组以两串四并的连接方式分为两组，过渡电容组一端连接直流母线正电压，另一端连接地；

解耦电容组以两串两并的连接方式分为两组，一端连接直流母线正电压，另一端连接直流母线负电压。

4.根据权利要求1所述的碳化硅功率模块的动态测试装置，其特征在于，正极连接孔和负极连接孔之间的PCB板区域开槽处理。

5.根据权利要求1所述的碳化硅功率模块的动态测试装置，其特征在于，解耦电容组和过渡电容组为多层陶瓷电容组。