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功率半导体器件测试用脉冲电流源的设计与实现

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2020年4月19日
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功率半导体器件测试用脉冲电流源的设计与实现

　　随着大功率设备在工业控制领域持续发展，功率半导体器件的功率水平也随之不断提高，从而给生产和测试带来诸多挑战。本文对国内外脉冲功率技术进行深入研究，经过电磁暂态分析软件对理论模型进行仿真以确定脉冲电流源内部网络分布参数，详细描述脉冲电流源软硬件设计与实现方法，最后对其输出特性进行验证。当前，该脉冲电流源在IGBT大功率半导体器件测试中取得较好的效果。

　　【关键词】功率半导体器件 脉冲电流源 性能验证
　　1 引言
　　随着功率半导体器件的发展，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）因具有输入阻抗高、开关损耗小、通断速度快、控制电路简单等特点，正在逐步替代如MOSFET、SCR、双极型达林顿管等功率器件，广泛应用在可逆变电路、伺服控制系统、交流电机控制、不间断电源、斩波电源等工业生产中，其性能是否优良直接关系着工程的品质和成败。功率半导体器件相关参数的测试问题已经成为功率半导体器件生产商、装备制造单位和计量校准部门非常关注的问题。
　　在功率半导体器件实际测试过程中，当测试设备需要对被测器件施加较大的功率时，被测器件因为芯片温升导致测试数据漂移不稳定，甚至施加持续时间过长以致器件损坏。为了减少温升带来的影响，国标规定了功率半导体器件参数测试可采用脉冲测试法，即测试设备对被测器件施加满足功率条件的瞬时单次脉冲信号，对半导体器件进行参数测试。
　　然而在国内功率半导体器件测试设备的市场中，国外进口设备占据绝大部分，典型的设备有瑞士LEMSYS SA公司针对IGBT测试的TRds系列。国内公司生产的测试设备在测试范围和性能指标均与国外同类产品有一定差距。本文所研制的脉冲电流源，能够满足国内大部分功率半导体器件测试时的功率和指标要求。
　　2 系统总体结构
　　脉冲电流源采用模块化的设计结构，由高压充电单元、充电保护单元、高压测量单元、LC充放电网络、放电匹配单元、脉冲检测单元和监测控制单元组成。总体结构如图1所示。
　　脉冲电流源主要分成硬件和软件两个部分。由图1能够看出，监测控制单元经过发送控制信号来控制高压充电单元给LC充放电网络供电，高压测量单元实时采集LC充放电网络电压幅值并反馈给监测控制单元。当电压采集值等于系统设定值时，监测控制单元控制放电匹配单元释放电流，此时脉冲检测单元将采集的脉冲电流信号传送到监测控制单元进行显示。当人为操作不当使被测器件断路时，监测控制单元启动放电保护单元，停止高压充电单元供电，待人为排除断路情况后，监测控制单元关闭放电保护单元，准备对LC充放电网络进行充电。
　　3 系统设计与实现
　　3.1 理论模型仿真
　　常见的脉冲电流发生有两种实现形式，即传输线型和电容充放电型。该系统选用电容充放电型来设计脉冲电流源的LC充放电网络，其理论模型如图2所示。
　　其理论模型特征数据如以下公式所示。
　　若期待设计的脉冲电流源最大电流幅值为3000A，波形持续50us，上升及下降时间不超过15us。为了得到平滑的脉冲波形，设置n=12，将负载阻抗R=1?代入公式（5），得LC网络总电容CΣ=27.27uF，平均每链电容为2.27uF；想要得到3000A的脉冲电流幅值，根据公式（7）能够计算出外部需要施加的充电电压U=6000V；由公式（6）得到链路总电感 LΣ=27.27uH。
　　在电磁暂态分析程序ATP-EMTP上搭建起图2所示的LC网络模型，按照公式（1）～（7）合理设置参数并分配每链电感参数后得到如图3所示的仿真结果。
　　3.2 硬件设计与实现
　　脉冲电流源硬件部分实现脉冲信号的发生、调节、转换和电路保护的功能。在充电回路中，高压充电单元是给LC充放电网络供电，定制的直流高压源的输出电压是以需要产生最大脉冲电流幅度来确定，经过理论计算应选用6000V的高压直流源；充电保护单元不但要保持储能电容的充电速度，还要确保在发生短路情况下能够及时停止充电，泄放电荷。高压检测单元和脉冲检测单元分别将储能电容两端电压和LC充放电网络放电产生的脉冲电流转换成小信号给监测控制单元。LC充放电网络主要是由储能电容和调波电感组成，储能电容要保证足够高的额定电压，手工绕制的调波电感需要调节出满足上升和下降时间要求的方波形状。
　　放电回路的放电开关应选用效应时间快、通流能力强、接触感抗小的水银开关；负载电阻阻值的选择是根据LC充放电回路的阻抗决定，经过理论计算应选用1欧姆的无感电阻。监测控制单元主要实现对充放电控制、电路保护和采集电压电流信号的功能。系统硬件结构如图4所示。
　　3.3 软件设计与实现
　　软件是在PLC开发工具CX-Programmer和面板开发工具EB8000上分别进行设计的，前者用于设计在欧姆龙PLC控制器上的程序，主要用于控制充放电开关、设置充电电压并进行信号采集；后者设计出与PLC控制器进行通信和功能集成的软件，即实现点击操控界面上的控件，程序发送对应的控制指令给PLC，PLC执行相应的控制功能。操控界面如图5所示。
　　程序启动后，首先对所有的控制开关进行复位；用户设置需要输出的电流幅值，然后点击充电按钮，开启充电开关并实时采集电压电流信号，当采集到的电流幅值与设置值相等时，“充电完成”状态指示灯亮起，提示准备放电；点击放电按钮后，执行放电程序，并在面板上显示采集到的电流幅值，完成放电过程。所执行的控制程序如图6所示。
　　4 脉冲电流源性能验证
　　脉冲电流源最大输出脉冲电流幅值达3000A，必须经过分流器转换才能经过数据采集器进行测量。系统选用型号为4418（0.001V/A）的Pearson线圈作为转换设备，其具有响应时间快、信号失真低和不受位置限制的优点，经过数据采集器NI PXI-5122捕获并显示波形。其性能验证示意如图7所示。
　　验证脉冲电流源输出波形时，设置输出电流幅值为3000A，得到如图8所示的实测波形。
　　脉冲电流源输出精度的验证，按照选取波形稳定部分中间三分之一段的选点原则来计算脉冲电流幅值，经过测量多个输出点来总体衡量脉冲电流源的输出精度。电流幅值实测结果如表1所示。
　　从图8和表1能够看出，脉冲电流源的输出波形满足方波特性，其性能指标均在1%以内。
　　5 结束语
　　本文对功率半导体器件测试用脉冲电流源的研制进行了研究，详细描述脉冲发生原理和软硬件设计过程，经实际测试验证了该脉冲电流源具有稳定的输出性能，满足在测量功率半导体器件相关参数时的功率和指标要求，为后期功率半导体器件的测试奠定了基础。
　　参考文献
　　[1]陈景亮，姚学玲等.脉冲电流技术[M].西安：西安交通大学出版社， ：57-65.
　　[2]张仁豫，陈昌渔等.高电压实验技术[M].北京：清华大学出版社， ：188-190.
　　[3]Liu Chong，Yu Lihong.Research on Amplitude Calibration of High Pulse Current Source of Semiconductor Device Test System.[C].IEEE Conference on Electronic Measurement & Instruments. ：II 232-235.
　　作者单位
　　桂林电子科技大学 广西壮族自治区桂林市 541004