浪涌電(diàn)流测试仪内部工作的回顾

2020-09-16

功率半导體(tǐ)器件反映其过载能(néng)力的最重要参数是浪涌電(diàn)流，即半正弦形状的最大允许電(diàn)流幅度，持续10 MS。增加半导體(tǐ)的功率容量和设计整流器元件直径為(wèi)100 mm或更大的设备都需要浪涌電(diàn)流测试系统，该系统可(kě)以形成高达100 kA的電(diàn)流脉冲。

為(wèi)了解决这个问题，必须考虑许多(duō)要求。首先，在所谓的直流细丝化[1]的预击穿状态下，测试样品上的電(diàn)压降急剧增加，对于高压半导體(tǐ)，该電(diàn)压降可(kě)达到60V。其次，测试仪必须确保高精度的電(diàn)流幅度设置，因為(wèi)形成幅度為(wèi)100 kA的電(diàn)流脉冲需要在2-3 kA范围内与设定值绝对偏差。第三，必须考虑到電(diàn)流脉冲期间产生的巨大动态力，以确保结构刚度。

電(diàn)压源1将存储電(diàn)容器2充電(diàn)到大约100V。浪涌電(diàn)流脉冲形成的开始由同步電(diàn)路13确定，同步電(diàn)路13发送命令打开第一和第二开关10和11，将控制命令发送给发電(diàn)机14产生用(yòng)于被测半导體(tǐ)器件5的控制信号和参考信号整形器9的触发脉冲。参考信号整形器9将持续时间為(wèi)10 MS的适当半正弦波的单个脉冲输出到同相输入放大器8输出信号。放大器8将信号输出到N个MOSFET 3的栅极。為(wèi)了保护晶體(tǐ)管免受超过允许的脉冲功率的击穿，到栅极的信号電(diàn)平受電(diàn)压限制器12的限制。其持续时间受到第一开关10的限制。从流过第一MOSFET的電(diàn)流成比例的反馈信号是从其源极中的電(diàn)阻器4产生的，并反馈到反相输入放大器8。

因為(wèi)连接了晶體(tǐ)管3的栅极，并且在晶體(tǐ)管3的源极中包括平衡電(diàn)阻器4，所以通过每个晶體(tǐ)管3的電(diàn)流脉冲近似相同并且重复参考信号的形状。对这些電(diàn)流脉冲求和导致产生半正弦波冲击電(diàn)流脉冲，其从存储電(diàn)容器2的正端子流向对准電(diàn)阻器4，被测试的半导體(tǐ)器件5和分(fēn)流器（電(diàn)流传感器）6。

浪涌電(diàn)流脉冲的幅度和形状由测量单元7控制。在浪涌電(diàn)流脉冲结束之后，开关10和11由来自同步電(diàn)路13的命令闭合。闭合第一开关10形成放大器的本地反馈電(diàn)路。如图8所示，在闭合第二开关電(diàn)路11的同时，防止了其在浪涌電(diàn)流的脉冲之间的时间中的饱和，从而可(kě)靠地闭合了晶體(tǐ)管3。测试仪具有(yǒu)模块化设计。每个测试仪单元产生的電(diàn)流幅度高达3.1 kA。形成3.1 kA電(diàn)流需要上述240个简单電(diàn)流源。所有(yǒu)240个電(diàn)流源都位于6个電(diàn)源板上，每个電(diàn)源板上有(yǒu)40个。電(diàn)源板的布局如图5所示。

图5：電(diàn)源板的布局。

如上所述，该板包含40个简单的電(diàn)流源，即40个MOSFET，源電(diàn)阻器和電(diàn)解電(diàn)容器，以及当设备与220V電(diàn)网断开连接时的電(diàn)容器放電(diàn)元件。每个電(diàn)源单元包含6个此类板。電(diàn)源模块的结构布局如图6所示。

图6：電(diàn)源单元的结构布局。图6：電(diàn)源单元的结构布局。 

从控制模块收到命令后，電(diàn)流源在其输出端会产生100V的電(diàn)压。该電(diàn)压被馈送到電(diàn)流源的電(diàn)源板上的存储電(diàn)容器和控制模块以进行测量。控制模块单元产生用(yòng)于電(diàn)流源的控制信号，并从電(diàn)流源之一接收電(diàn)流反馈信号。電(diàn)流源的功率输出并联连接，以对流经测试的半导體(tǐ)样品的電(diàn)流求和。控制模块中包含的電(diàn)流调节器是数字PI控制器。在测试仪中测试了两种类型的控制器-一种基于运算放大器的模拟控制器和一种数字控制器。与基于运算放大器的模拟控制器相比，使用(yòng)数字PI控制算法具有(yǒu)许多(duō)重要优势。

首先，模拟控制器需要一定的时间才能(néng)将控制電(diàn)压的输出電(diàn)压提高到在每个脉冲之前开始打开晶體(tǐ)管所需的阈值，这意味着必须提前发送同步信号。其次，不可(kě)能(néng)对调节器的比例积分(fēn)组件进行操作调整。第三，在電(diàn)流反馈信号丢失的情况下，電(diàn)源板上晶體(tǐ)管发生故障的风险很(hěn)高。此外，使用(yòng)数字控制扩展了测试仪的功能(néng)，能(néng)够生成各种形状的電(diàn)流脉冲，例如梯形，以估计被测晶闸管的导通状态扩散时间。对于外部通信，测试仪配备有(yǒu)CAN接口和同步输入以启动测试。 

图7：120 kA浪涌電(diàn)流测试仪的结构布局

120 kA浪涌電(diàn)流测试仪的结构图如图7所示。该测试仪包含39个相同的单元，其中38个单元形成具有(yǒu)3100A固定幅度的電(diàn)流脉冲。第三十九个单元形成電(diàn)流脉冲，其幅度在100 A至3100 A范围内可(kě)调。

测试仪的模块化设计使其易于增加最大電(diàn)流幅度。这种可(kě)扩展性仅受结构刚度以及由于寄生電(diàn)阻和電(diàn)感导致的電(diàn)源总線(xiàn)上的電(diàn)压降的限制。使用(yòng)带19英寸電(diàn)容触摸屏的HMI单元控制测试仪。该屏幕包括数据输入和输出字段以及電(diàn)流和電(diàn)压图。操作员输入的所有(yǒu)值均通过所有(yǒu)单元通用(yòng)的CAN网络传输到主控制和测量单元。

控制单元配置所有(yǒu)39个電(diàn)源单元/電(diàn)流源，生成用(yòng)于测试晶闸管的断开信号和用(yòng)于電(diàn)源单元的同步脉冲，从而形成電(diàn)流脉冲。组合的電(diàn)流脉冲流过電(diàn)流测量单元和经过测试的半导體(tǐ)器件。電(diàn)流测量单元是一组带有(yǒu)三频放大器的分(fēn)流器。在测试过程中，控制单元测量设备上的電(diàn)流和電(diàn)压降。控制单元的12位AD转换器允许以1.5％以内的精度测量電(diàn)流和電(diàn)压，而用(yòng)于在功率模块之间分(fēn)配電(diàn)流设定点的定制算法允许在整个范围内实现至少2％的设定精度。

為(wèi)了确保電(diàn)流调节器的稳定运行，测试仪的電(diàn)源電(diàn)路必须具有(yǒu)最小(xiǎo)的電(diàn)感。為(wèi)了降低整个测试仪中从電(diàn)源板到主電(diàn)源总線(xiàn)的所有(yǒu)電(diàn)源总線(xiàn)的寄生電(diàn)感，采用(yòng)了双線(xiàn)设计。实验证明，这种方法将整个母線(xiàn)系统的寄生電(diàn)感和一个夹紧装置一起降低了1-2μH数量级。图8显示了電(diàn)流脉冲為(wèi)65 kA时電(diàn)源总線(xiàn)上的電(diàn)压降的波形图。除了确保控制器的稳定性外，双線(xiàn)拓扑还确保了電(diàn)源電(diàn)流对测量场的干扰最小(xiǎo)。

 

图8：電(diàn)源总線(xiàn)上的電(diàn)压降為(wèi)65 kA。蓝線(xiàn)–電(diàn)流，黄色–母線(xiàn)電(diàn)压，粉红色–同步脉冲

图9：破坏半导體(tǐ)结构时被测器件的電(diàn)压降。

当電(diàn)流流过双線(xiàn)電(diàn)源母線(xiàn)时，母線(xiàn)之间的磁力線(xiàn)加在一起，导致母線(xiàn)相互排斥。為(wèi)避免这种情况，在整个長(cháng)度上每20厘米安装一个特殊的金属扎带（图10）。将母線(xiàn)以固定的间隔固定在電(diàn)源柜的壳體(tǐ)上，以确保其刚度，如图11所示。

图10：電(diàn)源总線(xiàn)的设计。

图11：将電(diàn)源总線(xiàn)固定到测试仪外壳。 

浪涌電(diàn)流测试仪包括3个電(diàn)源柜。每个机柜包含13个连接到垂直電(diàn)源总線(xiàn)的電(diàn)源单元。此连接如图12所示。

 

图12：单元和总線(xiàn)之间的電(diàn)源连接。

图13：浪涌電(diàn)流测试仪的夹紧系统。

该测试仪配备了用(yòng)于磁盘半导體(tǐ)的自动夹紧系统。夹紧系统的夹紧力高达100 kN，可(kě)在高达200°C的温度下测试设备。该夹紧系统是一个通过CAN接口控制的独立单元。它具有(yǒu)机電(diàn)驱动器和滚珠丝杠传动装置，用(yòng)于使放置被测设备的压力机的工作部分(fēn)垂直移动。位于夹紧装置上的力传感器可(kě)以调节夹紧力。夹紧过程不需要操作员的参与，该过程是全自动的。夹紧系统如图13所示。

表1显示了電(diàn)涌電(diàn)流测试仪的技术参数。 

参数	最大值	单元
半正弦形状的電(diàn)流浪涌幅度	120	K a
梯形電(diàn)流浪涌幅度	16	K a
電(diàn)流设定精度	2	％
直流電(diàn) 压降的测量精度	1.5	％
電(diàn)流测量精度	1.5	％
電(diàn)源供应	380	V
重量	800	公斤
外型尺寸	2262x1384x1202	毫米

此处描述的浪涌電(diàn)流测试仪已在Proton-Electrode JSC的生产现场成功实施（图14）。从2017年开始的整个运行过程中，它展现了可(kě)靠性，参数统一性和易用(yòng)性。测试仪的浪涌電(diàn)流与其尺寸的比率最高。電(diàn)流产生的创新(xīn)方法和母線(xiàn)的双線(xiàn)设计使得可(kě)以实现理(lǐ)想的電(diàn)流脉冲半正弦形状，不仅当被测设备的電(diàn)压降从2-3 V变為(wèi)50-55 V，但也在其破坏的时刻。该测试仪是多(duō)功能(néng)的，可(kě)以测试半导體(tǐ)器件的浪涌電(diàn)流電(diàn)阻，以半正弦和梯形電(diàn)流形状在开路状态下测量直流電(diàn)压降，并监视通态區(qū)域的扩散。测试仪所基于的技术解决方案受实用(yòng)新(xīn)型专利[4]保护。