功率半導體器件測試用脈沖電流源的設(shè)計與實現(xiàn)

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1、**功率半導體器件測試用脈沖電流源的設(shè)計與實現(xiàn)隨著大功率設(shè)備在工業(yè)控制領(lǐng)域持續(xù)發(fā)展，功率半導體器件的功率水平也隨之不斷提高，從而給生產(chǎn)和測試帶來諸多挑戰(zhàn)。本文對國內(nèi)外脈沖功率技術(shù)進行深入研究，通過電磁暫態(tài)分析軟件對理論模型進行仿真以確定脈沖電流源內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)分布參數(shù)，詳細描述脈沖電流源軟硬件設(shè)計與實現(xiàn)方法，最后對其輸出特性進行驗證。目前，該脈沖電流源在IGBT大功率半導體器件測試中取得較好的效果?！娟P(guān)鍵詞】功率半導體器件脈沖電流源性能驗證1引言隨著功率半導體器件的發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管（InsulatedGateBipolarTransistor，IGBT）因具有

2、輸入阻抗高、開關(guān)損耗小、通斷速度快、控制電路簡單等特點，正在逐步替代如MOSFET、SCR、雙極型達林頓管等功率器件，廣泛應用在可逆變電路、伺服控制系統(tǒng)、交流電機控制、不間斷電源、斬波電源等工業(yè)生產(chǎn)中，其性能是否優(yōu)良直接關(guān)系著工程的品質(zhì)和成敗。功率半導體器件相關(guān)參數(shù)的測試問題已經(jīng)成為功率半導體器件生產(chǎn)商、裝備制造單位和計量校準部門非常關(guān)注的問題。在功率半導體器件實際測試過程中，當測試設(shè)備需要對****被測器件施加較大的功率時，被測器件因為芯片溫升導致測試數(shù)據(jù)漂移不穩(wěn)定，甚至施加持續(xù)時間過長以致器件損壞。為了減少溫升帶來的影響，國標規(guī)定了功率半導體器件參數(shù)測試可采

3、用脈沖測試法，即測試設(shè)備對被測器件施加滿足功率條件的瞬時單次脈沖信號，對半導體器件進行參數(shù)測試。然而在國內(nèi)功率半導體器件測試設(shè)備的市場中，國外進口設(shè)備占據(jù)絕大部分，典型的設(shè)備有瑞士LEMSYSSA公司針對IGBT測試的TRds系列。國內(nèi)公司生產(chǎn)的測試設(shè)備在測試范圍和性能指標均與國外同類產(chǎn)品有一定差距。本文所研制的脈沖電流源，能夠滿足國內(nèi)大部分功率半導體器件測試時的功率和指標要求。2系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)脈沖電流源采用模塊化的設(shè)計結(jié)構(gòu)，由高壓充電單元、充電保護單元、高壓測量單元、LC充放電網(wǎng)絡(luò)、放電匹配單元、脈沖檢測單元和監(jiān)測控制單元組成。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。脈沖電流源主要

4、分成硬件和軟件兩個部分。由圖1可以看出，監(jiān)測控制單元通過發(fā)送控制信號來控制高壓充電單元給LC充放電網(wǎng)絡(luò)供電，高壓測量單元實時采集LC充放電網(wǎng)絡(luò)電壓幅值并反饋給監(jiān)測控制單元。當電壓采集值等于系統(tǒng)設(shè)定值時，監(jiān)測控制單元控制放電匹配單元釋放電流，此時脈沖檢測單元將采集的脈沖電流信號傳送到監(jiān)測控制單元****進行顯示。當人為操作不當使被測器件斷路時，監(jiān)測控制單元啟動放電保護單元，停止高壓充電單元供電，待人為排除斷路情況后，監(jiān)測控制單元關(guān)閉放電保護單元，準備對LC充放電網(wǎng)絡(luò)進行充電。3系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)3.1理論模型仿真常見的脈沖電流發(fā)生有兩種實現(xiàn)形式，即傳輸線型和電容充放電

5、型。該系統(tǒng)選用電容充放電型來設(shè)計脈沖電流源的LC充放電網(wǎng)絡(luò)，其理論模型如圖2所示。其理論模型特征數(shù)據(jù)如以下公式所示。若期待設(shè)計的脈沖電流源最大電流幅值為3000A，波形持續(xù)50us，上升及下降時間不超過15us。為了得到平滑的脈沖波形，設(shè)置n=12，將負載阻抗R=1?代入公式（5），得LC網(wǎng)絡(luò)總電容CΣ=27.27uF，平均每鏈電容為2.27uF；想要得到3000A的脈沖電流幅值，根據(jù)公式（7）可以計算出外部需要施加的充電電壓U=6000V；由公式（6）得到鏈路總電感LΣ=27.27uH。在電磁暫態(tài)分析程序ATP-EMTP上搭建起圖2所示的LC網(wǎng)絡(luò)模型，按照公式

6、（1）～（7）合理設(shè)置參數(shù)并分配每鏈電感參數(shù)后得到如圖3所示的仿真結(jié)果。3.2硬件設(shè)計與實現(xiàn)脈沖電流源硬件部分實現(xiàn)脈沖信號的發(fā)生、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換****和電路保護的功能。在充電回路中，高壓充電單元是給LC充放電網(wǎng)絡(luò)供電，定制的直流高壓源的輸出電壓是以需要產(chǎn)生最大脈沖電流幅度來確定，通過理論計算應選用6000V的高壓直流源；充電保護單元不僅要保持儲能電容的充電速度，還要確保在發(fā)生短路情況下能夠及時停止充電，泄放電荷。高壓檢測單元和脈沖檢測單元分別將儲能電容兩端電壓和LC充放電網(wǎng)絡(luò)放電產(chǎn)生的脈沖電流轉(zhuǎn)換成小信號給監(jiān)測控制單元。LC充放電網(wǎng)絡(luò)主要是由儲能電容和調(diào)波電感組成

7、，儲能電容要保證足夠高的額定電壓，手工繞制的調(diào)波電感需要調(diào)節(jié)出滿足上升和下降時間要求的方波形狀。放電回路的放電開關(guān)應選用效應時間快、通流能力強、接觸感抗小的水銀開關(guān)；負載電阻阻值的選擇是根據(jù)LC充放電回路的阻抗決定，通過理論計算應選用1歐姆的無感電阻。監(jiān)測控制單元主要實現(xiàn)對充放電控制、電路保護和采集電壓電流信號的功能。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。3.3軟件設(shè)計與實現(xiàn)軟件是在PLC開發(fā)工具CX-Programmer和面板開發(fā)工具EB8000上分別進行設(shè)計的，前者用于設(shè)計在歐姆龍PLC控制器上的程序，主要用于控制充放電開關(guān)、設(shè)置充電電壓并進行信號采集；后者設(shè)計出與PLC

8、控制器進行通信和功能集成