KR102485597B1 - Method for measuring parasitic inductance of power semiconductor module - Google Patents
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Abstract
본 발명은 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법에 관한 것으로서, 전력반도체 파워모듈의 한 쌍의 외부단자에 각각 접속 가능하도록 마련된 제1단자 및 제2단자를 포함하는 단자부와, 상기 단자부와 전기적으로 연결되어 상기 한 쌍의 외부단자 사이의 임피던스를 측정하기 위한 LCR미터를 포함하는 측정모듈을 이용한 상기 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법에 있어서, 상기 LCR미터를 이용하여, 상기 제1단자와 상기 제2단자를 단락 또는 개방한 상태에서 상기 제1단자와 상기 제2단자 사이의 주파수를 변화시키면서 제1 임피던스값(Z1) 및 제2 임피던스값(Z2)을 각각 측정하고, 상기 제1단자와 상기 제2단자에 상기 한 쌍의 외부단자를 각각 접속시킨 후 상기 제1단자와 상기 제2단자 사이의 주파수를 변화시키면서 제3 임피던스값을 측정하는 단계와, 측정된 상기 제1 임피던스값(Z1), 상기 제2 임피던스값(Z2) 및 상기 제3 임피던스값에 기초하여 제4 임피던스값을 계산하는 단계와, 상기 제1단자와 상기 제2단자 사이의 주파수 변화량에 따른 상기 제4 임피던스값에 기초하여 상기 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 전력변환시스템에 사용되는 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스값을 정확히 측정할 수 있어, 파워모듈의 내부 전력소자의 파괴 혹은 전자파장해의 발생을 미연에 방지하도록 파워모듈의 내부 스위치소자와 다이오드의 사이즈를 효과적으로 조정할 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a method for measuring parasitic inductance of a power semiconductor power module, and relates to a terminal unit including a first terminal and a second terminal provided to be respectively connectable to a pair of external terminals of a power semiconductor power module, and electrically connected to the terminal unit. In the method for measuring the parasitic inductance of the power semiconductor power module using a measurement module including an LCR meter connected to measure the impedance between the pair of external terminals, using the LCR meter, the first terminal and the With the second terminal shorted or open, the first impedance value Z1 and the second impedance value Z2 are respectively measured while changing the frequency between the first terminal and the second terminal, and measuring a third impedance value while changing a frequency between the first terminal and the second terminal after connecting the pair of external terminals to the second terminal; ), calculating a fourth impedance value based on the second impedance value Z2 and the third impedance value, and calculating the fourth impedance value according to the amount of frequency change between the first terminal and the second terminal and calculating the parasitic inductance of the power semiconductor power module based on the power semiconductor power module.
Accordingly, the parasitic inductance value of the power semiconductor power module used in the power conversion system can be accurately measured, and the internal switch element and diode of the power module can be prevented from destroying the power element inside the power module or the occurrence of electromagnetic interference. It has the effect of effectively adjusting the size of .
Description
본 발명은 전력반도체 파워모듈의 내부에 존재하는 기생성분 중에서도 특히 전자파장해(EMI)를 불러일으키는 기생인덕턴스의 정확한 값을 측정하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for measuring an accurate value of parasitic inductance, which causes electromagnetic interference (EMI) among parasitic components existing inside a power semiconductor power module.
최근 가전 및 산업용 전력변환시스템에서의 전력반도체의 사용이 급증하고 있으며, 특히 고전력을 제어하기 위한 산업용 인버터나 데이터센터용 파워서플라이 등에서는 반도체 스위치소자와 다이오드가 집적된 파워모듈이 널리 사용되고 있다. 또한, 근래 출시되는 대부분의 제품들이 좀 더 높은 폼팩터(Form factor) 사양을 요구함에 따라 필요로 하는 스위칭 주파수 또한 높아지고 있는 추세이다.Recently, the use of power semiconductors in home appliances and industrial power conversion systems is rapidly increasing. In particular, power modules in which semiconductor switch elements and diodes are integrated are widely used in industrial inverters for controlling high power or power supplies for data centers. In addition, as most of the recently released products require higher form factor specifications, the required switching frequency also tends to increase.
그러나 과도하게 높은 스위칭 주파수 및 고전류는 전력변환시스템의 전력손실을 증가시켜 파워모듈에 포함되는 스위치소자 및 다이오드를 파괴할 뿐만 아니라 전자파장해를 일으켜 통신시스템에 잡음을 만들어 통신품질을 저하시키고 타 시스템의 오동작을 불러일으킬 가능성이 있다.However, excessively high switching frequency and high current increase the power loss of the power conversion system, destroy the switch elements and diodes included in the power module, and cause electromagnetic interference, which creates noise in the communication system, degrades communication quality, and damages other systems. There is a possibility of causing malfunction.
이러한 문제들을 만드는 가장 큰 원인 중의 하나는 전력변환시스템 내부에 존재하는 기생성분, 특히 기생인덕턴스 때문이다. 기생인덕턴스는 도통 중에는 큰 전류를 자기에너지 형태로 저장하고 있다가 전류 흐름의 변화, 즉 단속이 발생하면 전류에 대한 관성 때문에 높은 전압을 발생시킨다. 일반적으로 기생인덕턴스가 큰 값을 가지는 경우에 스위치소자에 발생하는 오버슈트의 크기가 크며 더 오랫동안 지속됨에 따라, 스위치 단속 시의 과도기 동안 더 많은 스위칭손실이 발생하며 높은 전압의 오버슈트는 전자파장해를 불러일으킨다. 이러한 오버슈트를 해결하기 위해서는 기생인덕턴스를 줄여야 하는데 시스템 차원에서 전류 흐름의 경로를 최적화하여 줄이기도 하지만 근본적으로는 스위치소자와 다이오드가 집적화된 전력모듈 차원에서 줄이는 것 또한 필요하다. 그리고 전력모듈에서의 기생인덕턴스를 줄이기 위해서는 파워모듈에 존재하는 기생인덕턴스를 정확하게 측정할 수 있는 기술이 필요하다.One of the biggest causes of these problems is the parasitic component, especially the parasitic inductance, that exists inside the power conversion system. Parasitic inductance stores a large current in the form of self-energy during conduction, and generates a high voltage due to inertia to the current when the current flow changes, that is, an interruption occurs. In general, when the parasitic inductance has a large value, the size of the overshoot occurring in the switch element is large and lasts longer, so more switching loss occurs during the transient period when the switch is disconnected, and the high voltage overshoot causes electromagnetic interference. arouse In order to solve this overshoot, parasitic inductance needs to be reduced. It can be reduced by optimizing the current flow path at the system level, but it is also necessary to fundamentally reduce it at the level of the power module in which the switch element and diode are integrated. In addition, in order to reduce the parasitic inductance in the power module, a technology capable of accurately measuring the parasitic inductance present in the power module is required.
종래의 기술로는 산업계에서 흔히 통용되는 것으로서 LCR 미터를 사용하여 특정주파수에서 인덕턴스값을 측정하는 방법이 있다. 이러한 방법은 모듈의 정확한 전기적인 모델에 기반을 두지 않았기 때문에 측정의 오류를 불러올 수 있으며 특히 정확한 교정이 추가되지 않았으므로 측정값도 부정확하다. 예컨대, 1MHz 이하의 구간에서는 캐패시턴스 성분이 우세한 특성이 있기 때문에 잘못된 인덕턴스값을 나타내게 된다. 또한, 만약 정확한 교정이 수행되지 않은 상태로 측정한다면 계측장비에서 모듈에 이르는 경로에 존재하는 기생성분들이 섞여서 정확한 값을 추출할 수 없는 문제점이 있다.As a conventional technique, there is a method of measuring an inductance value at a specific frequency using an LCR meter, which is commonly used in the industry. Since this method is not based on an accurate electrical model of the module, it can introduce errors in measurements, especially since accurate calibrations are not added, so the measurements are also inaccurate. For example, since the capacitance component has a dominant characteristic in a section of 1 MHz or less, an incorrect inductance value is displayed. In addition, if the measurement is performed without accurate calibration, there is a problem in that an accurate value cannot be extracted because parasitic components present in the path from the measurement equipment to the module are mixed.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 전력반도체 파워모듈의 내부에 존재하는 기생성분 중에서도 특히 전자파장해(EMI)를 불러일으키는 기생인덕턴스의 정확한 값을 측정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention is to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for measuring an accurate value of parasitic inductance that causes electromagnetic interference (EMI) among parasitic components present inside a power semiconductor power module.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따른 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법은, 전력반도체 파워모듈의 한 쌍의 외부단자에 각각 접속 가능하도록 마련된 제1단자 및 제2단자를 포함하는 단자부와, 상기 단자부와 전기적으로 연결되어 상기 한 쌍의 외부단자 사이의 임피던스를 측정하기 위한 LCR미터를 포함하는 측정모듈을 이용한 상기 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법에 있어서, 상기 LCR미터를 이용하여, 상기 제1단자와 상기 제2단자를 단락 또는 개방한 상태에서 상기 제1단자와 상기 제2단자 사이의 주파수를 변화시키면서 제1 임피던스값(Z1) 및 제2 임피던스값(Z2)을 각각 측정하고, 상기 제1단자와 상기 제2단자에 상기 한 쌍의 외부단자를 각각 접속시킨 후 상기 제1단자와 상기 제2단자 사이의 주파수를 변화시키면서 제3 임피던스값을 측정하는 단계와, 측정된 상기 제1 임피던스값(Z1), 상기 제2 임피던스값(Z2) 및 상기 제3 임피던스값에 기초하여 제4 임피던스값을 계산하는 단계와, 상기 제1단자와 상기 제2단자 사이의 주파수 변화량에 따른 상기 제4 임피던스값에 기초하여 상기 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method for measuring parasitic inductance of a power semiconductor power module according to an aspect of the present invention for achieving the above object includes a first terminal and a second terminal provided to be respectively connectable to a pair of external terminals of the power semiconductor power module. In the method for measuring parasitic inductance of the power semiconductor power module using a measurement module including a terminal part for measuring a terminal part and an LCR meter electrically connected to the terminal part and measuring an impedance between the pair of external terminals, the LCR meter In a state where the first terminal and the second terminal are shorted or open, the first impedance value Z1 and the second impedance value Z2 are determined while changing the frequency between the first terminal and the second terminal. measuring, respectively, connecting the pair of external terminals to the first terminal and the second terminal, and then measuring a third impedance value while changing a frequency between the first terminal and the second terminal; calculating a fourth impedance value based on the measured first impedance value (Z1), the second impedance value (Z2) and the third impedance value; and a frequency between the first terminal and the second terminal and calculating parasitic inductance of the power semiconductor power module based on the fourth impedance value according to the amount of change.
본 발명에 따르면, 전력변환시스템에 사용되는 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스값을 정확히 측정할 수 있어, 파워모듈의 내부 전력소자의 파괴 혹은 전자파장해의 발생을 미연에 방지하도록 파워모듈의 내부 스위치소자와 다이오드의 사이즈를 효과적으로 조정할 수 있는 효과가 있다.According to the present invention, the parasitic inductance value of the power semiconductor power module used in the power conversion system can be accurately measured, so that the destruction of the internal power element of the power module or the occurrence of electromagnetic interference can be prevented in advance. and the size of the diode can be effectively adjusted.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법을 위한 측정모듈의 구성을 도시한 개략도이고,
도 2a와 도 2b는 도 1에 도시된 측정모듈의 내부에 존재하는 기생 성분을 등가화한 회로를 도시한 회로도이고,
도 3은 도 1에 도시된 전력반도체 파워모듈의 내부회로와 상기 파워모듈 내부의 기생성분을 등가화한 회로를 각각 도시한 회로도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법을 도시한 순서도이고,
도 5는 도 4의 기생인덕턴스 계산 단계를 상세히 나타낸 순서도이고,
도 6은 도 5의 특성 곡선 산출 단계에서 산출된 특성 곡선을 도시한 그래프이다.1 is a schematic diagram showing the configuration of a measurement module for a method for measuring parasitic inductance of a power semiconductor power module according to an embodiment of the present invention;
2A and 2B are circuit diagrams showing circuits in which parasitic components present inside the measurement module shown in FIG. 1 are equalized;
FIG. 3 is a circuit diagram showing an internal circuit of the power semiconductor power module shown in FIG. 1 and a circuit obtained by equalizing parasitic components inside the power module;
4 is a flowchart illustrating a method for measuring parasitic inductance of a power semiconductor power module according to an embodiment of the present invention;
5 is a flowchart showing the parasitic inductance calculation step of FIG. 4 in detail;
FIG. 6 is a graph showing a characteristic curve calculated in the characteristic curve calculation step of FIG. 5 .
이상과 같은 본 발명에 대한 해결하려는 과제, 과제의 해결수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.The specific details, including the problems to be solved, the solutions to the problems, and the effect of the invention for the present invention as described above are included in the embodiments and drawings to be described below. Advantages and features of the present invention, and methods of achieving them, will become clear with reference to the detailed description of the following embodiments taken in conjunction with the accompanying drawings. Like reference numbers designate like elements throughout the specification.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법을 위한 측정모듈의 구성을 도시한 개략도이고, 도 2a와 도 2b는 도 1에 도시된 측정모듈의 내부에 존재하는 기생 성분을 등가화한 회로를 도시한 회로도이고, 도 3은 도 1에 도시된 전력반도체 파워모듈의 내부회로와 상기 파워모듈 내부의 기생성분을 등가화한 회로를 각각 도시한 회로도이다.1 is a schematic diagram showing the configuration of a measurement module for a method for measuring parasitic inductance of a power semiconductor power module according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 2A and 2B are present inside the measurement module shown in FIG. 3 is a circuit diagram showing an internal circuit of the power semiconductor power module shown in FIG. 1 and a circuit equalizing parasitic components inside the power module.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법을 위한 측정모듈(100)은, 전력반도체 파워모듈(200)의 한 쌍의 외부단자(D1,S1)에 각각 접속 가능하도록 마련된 제1단자(111) 및 제2단자(112)를 포함하는 단자부(110)와, 상기 단자부(110)와 전기적으로 연결되어 상기 한 쌍의 외부단자(D1,S1) 사이의 임피던스를 측정하기 위한 LCR미터(120)를 포함하여 구성된다.Referring to FIG. 1, a
여기서, LCR미터(120)에는 단자부(110)에 전기적으로 연결되도록 하는 포싱(forcing) 단자(121,123)와 센싱(sensing) 단자(122,124)가 각각 두 개씩 마련될 수 있다.Here, two forcing
이는 켈빈 프로빙(Kelvin probing) 방식에 따라 2개의 포싱 단자(121,123)를 통해 소정의 양 전압과 접지 전압을 각각 인가한 상태에서, 나머지 2개의 센싱 단자(122,124)를 이용하여 전위차를 측정하기 위함이다.This is to measure the potential difference using the remaining two
이때, 측정모듈(100)은, 상기 포싱 단자(121,123) 및 상기 센싱 단자(122,124)와, 상기 제1단자(111)와 상기 제2단자(112) 중 어느 하나의 단자 사이를 전기적으로 연결하는 복수 개의 케이블(130)을 더 포함할 수 있다.At this time, the
예컨대, 도 1을 참조하면, 제1 포싱 단자(121)에 연결된 제1 케이블(130a)과 제1 센싱 단자(122)에 연결된 제2 케이블(130b)이 모두 제2단자(112)에 연결되고, 제2 포싱 단자(123)에 연결된 제3 케이블(130c)과 제2 센싱 단자(124)에 연결된 제4 케이블(130d)이 모두 제1단자(111)에 연결될 수 있다.For example, referring to FIG. 1 , both the
전술한 바와 같이 전력반도체 파워모듈(200)과 측정모듈(100)이 연결될 때, LCR미터(120)와 측정모듈(100)을 연결하는 케이블(130) 상에도 기생성분이 존재하여 소정의 임피던스(Zc)를 가지게 되며, 전력반도체 파워모듈(200), 측정모듈(100) 및 케이블(130) 각각의 기생 성분에 해당하는 임피던스(ZDUT,Zmeas,Zc)는 도 2a에 도시된 바와 같이 나타낼 수 있다. 여기서, ZDUT는 전력반도체 파워모듈(200)에 존재하는 기생성분에 따른 실제 임피던스값이고, Zmeas는 LCR미터(120)를 통해 측정한 전력반도체 파워모듈(200)의 임피던스값이고, Zc는 LCR미터(120)에서 측정모듈(100)에 이르는 케이블(130) 상에 존재하는 임피던스값을 나타낸다.As described above, when the power
이 경우, 전력반도체 파워모듈(200)의 임피던스값(ZDUT)은, 측정모듈(100)의 단자부(110)에 전력반도체 파워모듈(200)의 외부단자(D1,S1)를 연결한 상태에서, LCR미터(120)를 통해 측정한 임피던스값(Zmeas)에서 케이블(130) 상에 존재하는 임피던스값(Zc)을 뺌으로써 계산할 수 있으며, 이를 수식으로 정리하면 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.In this case, the impedance value (Z DUT ) of the power
한편, 케이블(130) 상에 존재하는 임피던스(Zc)는, 도 2b에 도시된 바와 같이, 케이블(130)에 존재하는 기생저항 및 인덕턴스에 의한 기생성분에 따른 제1 임피던스값(Z1)와, 케이블(130) 간의 정전성 결합에 의한 기생성분에 따른 제2 임피던스값(Z2)를 포함하는 회로 형태로 등가화하여 나타낼 수도 있다.On the other hand, the impedance (Z c ) present on the
여기서, 케이블(130)에 존재하는 기생저항 및 인덕턴스에 의한 기생성분에 따른 제1 임피던스값(Z1)는, 측정모듈(100)의 단자부(110)를 단락한 상태에서 LCR미터(120)를 이용하여 측정할 수 있고, 케이블(130) 간의 정전성 결합에 의한 기생성분에 따른 제2 임피던스값(Z2)는, 측정모듈(100)의 단자부(120)를 개방한 상태에서 LCR미터(120)를 이용하여 측정할 수 있다.Here, the first impedance value Z1 according to the parasitic component due to the parasitic resistance and inductance present in the
이때, 전력반도체 파워모듈(200)의 외부단자들(D1,D2S1,S1) 사이의 경로에 포함되는 내부 소자(예컨대, 저항, 인덕터 및 트랜지스터)를 통과하는 전류 흐름 상에 존재하는 기생성분으로는, 도 3에 도시된 바와 같이, 기생저항(220) 및 기생인덕턴스(230) 및 출력캐패시턴스(240)가 포함될 수 있다.At this time, parasitic components present in the current flow passing through internal elements (eg, resistors, inductors, and transistors) included in the path between the external terminals D1, D2S1, and S1 of the power
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법을 도시한 순서도이고, 도 5는 도 4의 기생인덕턴스 계산 단계를 상세히 나타낸 순서도이고, 도 6은 도 5의 특성 곡선 산출 단계에서 산출된 특성 곡선을 도시한 그래프이다.4 is a flow chart showing a method for measuring parasitic inductance of a power semiconductor power module according to an embodiment of the present invention, FIG. 5 is a flowchart showing the parasitic inductance calculation step of FIG. 4 in detail, and FIG. 6 is a characteristic curve of FIG. It is a graph showing the characteristic curve calculated in the calculation step.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법에 대하여 설명하도록 한다.Hereinafter, a parasitic inductance measurement method of a power semiconductor power module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
먼저, LCR미터(120)를 이용하여 제1 임피던스값(Z1), 제2 임피던스값(Z2) 및 제3 임피던스값(Zmeas)을 측정한다(S100).First, the first impedance value Z1, the second impedance value Z2, and the third impedance value Z meas are measured using the LCR meter 120 (S100).
여기서, 제1 임피던스값(Z1)은 케이블(130)에 존재하는 기생저항 및 인덕턴스에 의한 기생성분을 나타내는 것으로, 측정모듈(100)의 단자부(110)를 단락한 상태에서, 제1단자(111)와 제2단자(112)의 주파수를 변화시키면서 LCR미터(120)를 이용하여 측정한 임피던스값이다.Here, the first impedance value (Z1) represents a parasitic component due to parasitic resistance and inductance present in the
또한, 제2 임피던스값(Z2)은 케이블(130) 간의 정전성 결합에 의한 기생성분을 나타내는 것으로, 측정모듈(100)의 단자부(120)를 개방한 상태에서, 제1단자(111)와 제2단자(112)의 주파수를 변화시키면서 LCR미터(120)를 이용하여 측정한 임피던스 값이다.In addition, the second impedance value (Z2) represents a parasitic component due to electrostatic coupling between the
또한, 제3 임피던스값(Zmeas)은 측정모듈(100)의 단자부(110)에 전력반도체 파워모듈(200)의 외부단자(D1,S1)를 연결한 상태에서, 제1단자(111)와 제2단자(112)의 주파수를 변화시키면서 LCR미터(120)를 이용하여 측정한 임피던스값이다.In addition, the third impedance value (Z meas ) is determined by the
한편, 전술한 측정하는 단계(S100)에서, 제3 임피던스값(Zmeas)은 기설정된 제1 주파수 간격마다 측정하고, 제1 임피던스값(Z1) 및 제2 임피던스값(Z2)은 제1 주파수 간격과 상이한 기설정된 제2 주파수 간격마다 측정하되, 제2 주파수 간격은 제1 주파수간격의 절반 이하로 설정될 수 있다. 예컨대, 제1 주파수 간격이 10kHz인 경우, 제2 주파수 간격은 5kHz이하로 설정되는 것이 바람직하다.On the other hand, in the above-described measuring step (S100), the third impedance value (Z meas ) is measured at each preset first frequency interval, and the first impedance value (Z1) and the second impedance value (Z2) are the first frequency Measurement is performed at each preset second frequency interval different from the interval, but the second frequency interval may be set to less than half of the first frequency interval. For example, when the first frequency interval is 10 kHz, the second frequency interval is preferably set to 5 kHz or less.
다음으로, S100단계에서 측정된 제1 임피던스값(Z1), 제2 임피던스값(Z2) 및 제3 임피던스값(Zmeas)에 기초하여 제4 임피던스값(ZDUT)을 계산한다(S200).Next, a fourth impedance value (Z DUT ) is calculated based on the first impedance value (Z1), the second impedance value (Z2), and the third impedance value (Z meas ) measured in step S100 (S200).
여기서, 제4 임피던스값(ZDUT)은 전력반도체 파워모듈(200)에 존재하는 기생성분에 따른 실제 임피던스값으로서, 도 3b에 도시된 바와 같이, 케이블(130)에 존재하는 기생저항 및 인덕턴스에 의한 기생성분에 따른 제1 임피던스값(Z1)와 전력반도체 파워모듈(200)에 존재하는 기생성분에 따른 임피던스(ZDUT)가 직렬로 연결된 노드에 케이블(130) 간의 정전성 결합에 의한 기생성분에 따른 제2 임피던스값(Z2)가 병렬로 연결된 직병렬 회로 형태인 경우를 고려한 것이다.Here, the fourth impedance value (Z DUT ) is an actual impedance value according to the parasitic component present in the power
이때, 도 3b에 도시된 각각의 임피던스 간의 직병렬 연결관계와 일반적인 직병렬 임피던스 공식을 이용하여 제4 임피던스값(ZDUT)에 대한 수식을 정리하면 아래의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.At this time, the formula for the fourth impedance value Z DUT can be expressed as Equation 2 below by using the series-parallel connection relationship between the respective impedances shown in FIG. 3B and the general series-parallel impedance formula.
다음으로, 측정모듈(100)의 제1단자(111)와 제2단자(112) 사이의 주파수 변화량에 따른 제4 임피던스값(ZDUT)에 기초하여 전력반도체 파워모듈(200)의 기생인덕턴스(Lp)를 계산한다(S300).Next, the parasitic inductance of the power
구체적으로, 전력반도체 파워모듈(200)의 기생인덕턴스(Lp)를 계산하는 단계(S300)는, 제1단자(111)와 제2단자(112) 사이의 주파수 변화량에 따른 제4 임피던스값들(ZDUT)을 선형 보간하여 특성 곡선을 산출하는 단계(S320)와, S320단계에서 산출된 특성 곡선상에서 주파수 변화량에 비례하여 제4 임피던스값(ZDUT)이 증가하는 주파수 구간에서의 기울기를 계산한 후(S340), S340단계에서 계산된 상기 기울기에 기초하여 전력반도체 파워모듈(200)의 기생인덕턴스(Lp)를 계산하는 단계(S360)를 포함할 수 있다.Specifically, in the step of calculating the parasitic inductance (L p ) of the power semiconductor power module 200 (S300), the fourth impedance values according to the frequency variation between the
여기서, 특성 곡선을 산출하는 단계(S320)에 의해 산출된 특성 곡선은, 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 주파수 범위(f1Hz 미만)에서는 주파수(f) 변화량에 비례하여 임피던스값(ZDUT)이 감소하는 형태의 그래프(A)를 나타내고, 제2 주파수 범위(f1Hz ~ f2Hz)에서는 주파수(f)가 증가하여도 임피던스값(ZDUT)이 일정한 형태의 그래프(B)를 나타내고, 제3 주파수 범위(f2Hz 이상)에서는 주파수(f) 변화량에 비례하여 임피던스값(ZDUT)이 증가하는 형태의 그래프(C)를 나타내게 된다.Here, the characteristic curve calculated by the step of calculating the characteristic curve (S320) is, as shown in FIG. 6, in the first frequency range (less than f 1 Hz), the impedance value (Z DUT ) shows a graph (A) in the form of decreasing, and in the second frequency range (f 1 Hz to f 2 Hz), even if the frequency (f) increases, the impedance value (Z DUT ) is a graph (B) in a constant form , and in the third frequency range (f 2 Hz or more), a graph (C) in which the impedance value (Z DUT ) increases in proportion to the change in frequency (f) is shown.
이 경우, 일반적인 파워모듈의 임피던스 특성, 예컨대, 임피던스값이 감소하는 구간에서는 캐패시턴스 성분이 우세하고, 임피던스값이 일정한 구간에서는 저항 성분이 우세하고, 임피던스값이 증가하는 구간에서는 인덕턴스 성분이 우세한 점에 기초하여, 기생캐패시턴스(Cp)는 제1 주파수 범위(f1Hz 미만)의 임피던스값(ZDUT)을 나타내는 그래프(A)의 Y절편을 계산하고, 기생저항(Rp)은 제2 주파수 범위(f1Hz ~ f2Hz)의 임피던스값(ZDUT)을 나타내는 그래프(B)의 Y절편을 계산하여 계산하고, 기생인덕턴스(Lp)는 제3 주파수 범위(f2Hz 이상)의 임피던스값(ZDUT)을 나타내는 그래프(C)의 Y절편을 계산하여 구할 수 있다.In this case, the impedance characteristics of a general power module, for example, the capacitance component is dominant in the section where the impedance value decreases, the resistance component is dominant in the section where the impedance value is constant, and the inductance component is dominant in the section where the impedance value increases. Based on this, the parasitic capacitance (C p ) calculates the Y-intercept of the graph (A) representing the impedance value (Z DUT ) in the first frequency range (less than f 1 Hz), and the parasitic resistance (R p ) is calculated at the second frequency range. It is calculated by calculating the Y-intercept of the graph (B) representing the impedance value (Z DUT ) in the range (f 1 Hz ~ f 2 Hz), and the parasitic inductance (L p ) is the third frequency range (f 2 Hz or more) It can be obtained by calculating the Y-intercept of the graph (C) representing the impedance value (Z DUT ).
또한, 기생인덕턴스(Lp)를 계산하는 단계(S360)에서, 기생인덕턴스(Lp)는 임피던스(Z)와 인덕턴스(L) 간의 관계를 나타내는 일반적인 공식인 'Z = ωL'에 기초하여, 제4 임피던스값(ZDUT)을 소정의 주파수(f)에 기초한 각속도(ω=2πf)로 나눈 값으로 계산할 수 있으며, 이를 수식으로 정리하면 아래의 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.In addition, in the step of calculating the parasitic inductance (L p ) (S360), the parasitic inductance (L p ) is based on the general formula 'Z = ωL' representing the relationship between the impedance (Z) and the inductance (L), 4 It can be calculated by dividing the impedance value (Z DUT ) by the angular velocity (ω = 2πf) based on a predetermined frequency (f), which can be expressed as Equation 3 below.
특히, 기생인덕턴스(Lp)의 경우, 도 6에 도시된 그래프(C)의 기울기가 전술한 수학식 3에서와 같이 2πL 이므로, S340단계에서는, 그래프(C)의 기울기를 먼저 계산한 후, 계산된 상기 기울기를 '2π'로 나눔으로써, 최종적으로 기생인덕턴스값(Lp)을 계산하게 된다.In particular, in the case of the parasitic inductance (L p ), since the slope of the graph C shown in FIG. 6 is 2πL as in Equation 3 described above, in step S340, the slope of the graph C is first calculated, By dividing the calculated slope by '2π', the parasitic inductance value (L p ) is finally calculated.
한편, 만일 도 6의 제1 주파수 범위(f1Hz 미만)의 임피던스값(ZDUT)을 나타내는 그래프(A)가 선형성을 벗어난 형태라면, 이는 전력반도체 파워모듈(200)의 내부에 포함되는 전력소자(예컨대, 스위치소자 또는 다이오드)에 이상이 발생한 것으로 볼 수 있으므로, S320단계에서 산출한 특성 곡선을 이용하여 전력반도체 파워모듈(200)의 신뢰성을 평가할 수도 있다.On the other hand, if the graph (A) representing the impedance value (Z DUT ) of the first frequency range (less than f 1 Hz) of FIG. 6 is out of linearity, this is the power included inside the power
이에 따라, 본 발명에 의하면, 전력변환시스템에 사용되는 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스값을 정확히 측정할 수 있어, 파워모듈의 내부 전력소자의 파괴 혹은 전자파장해의 발생을 미연에 방지하도록 파워모듈의 내부 스위치소자와 다이오드의 사이즈를 효과적으로 조정할 수 있는 효과가 있다.Accordingly, according to the present invention, the parasitic inductance value of the power semiconductor power module used in the power conversion system can be accurately measured, so that the destruction of the power element inside the power module or the occurrence of electromagnetic interference can be prevented in advance. There is an effect of effectively adjusting the size of the internal switch element and diode.
이상, 바람직한 실시예를 통하여 본 발명에 관하여 상세히 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위 내에서 다양하게 실시될 수 있다.Above, the present invention has been described in detail through preferred embodiments, but the present invention is not limited thereto and may be variously practiced within the scope of the claims.
100: 측정모듈 110: 단자부
111: 제1단자 112: 제2단자
120: LCR미터 121,123: 포싱 단자
122,124: 센싱 단자 130: 케이블
200: 전력반도체 파워모듈100: measurement module 110: terminal unit
111: first terminal 112: second terminal
120:
122,124: sensing terminal 130: cable
200: power semiconductor power module
Claims (6)
측정모듈(100)의 단자부(110)를 단락한 상태에서, 상기 제1단자(111)와 제2단자(112)의 주파수를 변화시키면서 LCR미터(120)로 케이블(130)에 존재하는 기생저항 및 인덕턴스에 의한 기생성분에 따른 제1 임피던스값(Z1)를 측정하는 단계;
측정모듈(100)의 단자부(120)를 개방한 상태에서 상기 제1단자(111)와 제2단자(112)의 주파수를 변화시키면서 LCR미터(120)로 케이블(130) 간의 정전성 결합에 의한 기생성분에 따른 제2 임피던스값(Z2)를 측정하는 단계;
측정모듈(100)의 단자부(110)에 전력반도체 파워모듈(200)의 외부단자(D1,S1)를 연결한 상태에서, 상기 제1단자(111)와 제2단자(112)의 주파수를 변화시키면서 LCR미터(120)로 전력반도체 파워모듈(200)의 임피던스를 제3 임피던스값(Zmeas)으로 측정하는 단계;
측정된 상기 제1 임피던스값(Z1), 상기 제2 임피던스값(Z2) 및 상기 제3 임피던스값(Zmeas)에 기초하여, 전력반도체 파워모듈(200)에 존재하는 기생성분에 따른 실제 임피던스값인 제4 임피던스값(ZDUT)을 아래의 수학식 I에 따라 계산하는 단계;
(수학식 I)
(Z1은 상기 제1 임피던스값(Z1)이고, Z2는 상기 제2 임피던스값(Z2)이고, Zmeas는 상기 제3 임피던스값이고, ZDUT는 상기 제4 임피던스값이다.)
상기 제1단자(111)와 상기 제2단자(112) 사이의 주파수 변화량에 따른 상기 제4 임피던스값(ZDUT)에 기초하여, 상기 제1단자(111)와 상기 제2단자(112) 사이의 주파수 변화량에 따른 상기 제4 임피던스값(ZDUT)들을 선형 보간하여 특성 곡선을 산출하는 단계; 및 산출된 특성 곡선상에서 상기 주파수 변화량에 비례하여 상기 제4 임피던스값(ZDUT)이 증가하는 주파수 구간에서의 기울기를 계산한 후, 계산된 상기 기울기에 기초하여 상기 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스를 계산하는 단계로; 이루어지는 상기 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스를 계산하는 단계를;
포함하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법.A terminal unit 110 including a first terminal 111 and a second terminal 112 provided to be connectable to a pair of external terminals of a power semiconductor power module, respectively, and electrically connected to the terminal unit 110 to In the parasitic inductance measurement method of the power semiconductor power module using a measurement module including an LCR meter 120 for measuring the impedance between the pair of external terminals,
In the state where the terminal part 110 of the measurement module 100 is short-circuited, the parasitic resistance present in the cable 130 is measured by the LCR meter 120 while changing the frequency of the first terminal 111 and the second terminal 112. and measuring a first impedance value (Z1) according to a parasitic component caused by inductance;
With the terminal part 120 of the measurement module 100 open, while changing the frequency of the first terminal 111 and the second terminal 112, the electrostatic coupling between the cables 130 by the LCR meter 120 Measuring a second impedance value (Z2) according to the parasitic component;
In a state where the external terminals D1 and S1 of the power semiconductor power module 200 are connected to the terminal part 110 of the measurement module 100, the frequency of the first terminal 111 and the second terminal 112 is changed. measuring the impedance of the power semiconductor power module 200 as a third impedance value (Z meas ) with the LCR meter 120 while doing so;
Based on the measured first impedance value (Z1), the second impedance value (Z2), and the third impedance value (Z meas ), the actual impedance value according to the parasitic component present in the power semiconductor power module 200 Calculating a fourth impedance value (Z DUT ) in accordance with Equation I below;
(Equation I)
(Z 1 is the first impedance value Z1, Z 2 is the second impedance value Z2, Z meas is the third impedance value, and Z DUT is the fourth impedance value.)
Between the first terminal 111 and the second terminal 112 based on the fourth impedance value Z DUT according to the amount of change in frequency between the first terminal 111 and the second terminal 112 Calculating a characteristic curve by linearly interpolating the fourth impedance values (Z DUT ) according to the frequency change of ; and calculating a slope in a frequency section in which the fourth impedance value Z DUT increases in proportion to the frequency change on the calculated characteristic curve, and then calculating the parasitic inductance of the power semiconductor power module based on the calculated slope. to calculate; calculating a parasitic inductance of the power semiconductor power module;
A method for measuring parasitic inductance of a power semiconductor power module, comprising:
상기 기생인덕턴스를 계산하는 단계는,
상기 제4 임피던스값(ZDUT)을 기설정된 각속도로 나눈 값을 상기 기생인덕턴스로 계산하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법.According to claim 1,
In the step of calculating the parasitic inductance,
A method for measuring parasitic inductance of a power semiconductor power module, characterized in that a value obtained by dividing the fourth impedance value (Z DUT ) by a preset angular velocity is calculated as the parasitic inductance.
상기 측정하는 단계에서,
상기 제3 임피던스값(Zmeas)은 기설정된 제1 주파수 간격마다 측정하고, 상기 제1 임피던스값(Z1) 및 상기 제2 임피던스값(Z2)은 상기 제1 주파수 간격과 상이한 기설정된 제2 주파수 간격마다 측정하되, 상기 제2 주파수 간격은 상기 제1 주파수간격의 절반 이하로 설정되는 것을 특징으로 하는 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법.According to claim 1,
In the measuring step,
The third impedance value Z meas is measured at every first preset frequency interval, and the first impedance value Z1 and the second impedance value Z2 are measured at a preset second frequency different from the first frequency interval. The method of measuring parasitic inductance of a power semiconductor power module, characterized in that the second frequency interval is set to less than half of the first frequency interval.
상기 LCR미터에는 상기 단자부에 전기적으로 연결되도록 하는 포싱 단자와 센싱 단자가 각각 두 개씩 마련되고,
상기 측정모듈은, 상기 포싱 단자 및 상기 센싱 단자와, 상기 제1단자와 상기 제2단자 중 어느 하나의 단자 사이를 전기적으로 연결하는 복수 개의 케이블을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 전력반도체 파워모듈의 기생인덕턴스 측정 방법.According to claim 1,
The LCR meter is provided with two forcing terminals and two sensing terminals electrically connected to the terminal unit, respectively.
The measurement module further comprises a plurality of cables electrically connecting the forcing terminal and the sensing terminal and any one of the first terminal and the second terminal to each other. How to measure parasitic inductance.
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