功率半導(dǎo)體器件測試用脈沖電流源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃楠楠

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(dǎo)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(jìn)行深入研究，通過電磁暫態(tài)分析軟件對理論模型進(jìn)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(xì)描述脈沖電流源軟硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，最后對其輸出特性進(jìn)行驗(yàn)證。目前，該脈沖電流源在IGBT大功率半導(dǎo)體器件測試中取得較好的效果。

【關(guān)鍵詞】功率半導(dǎo)體器件 脈沖電流源 性能驗(yàn)證

1 引言

隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）因具有輸入阻抗高、開關(guān)損耗小、通斷速度快、控制電路簡單等特點(diǎn)，正在逐步替代如MOSFET、SCR、雙極型達(dá)林頓管等功率器件，廣泛應(yīng)用在可逆變電路、伺服控制系統(tǒng)、交流電機(jī)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(dǎo)體器件相關(guān)參數(shù)的測試問題已經(jīng)成為功率半導(dǎo)體器件生產(chǎn)商、裝備制造單位和計(jì)量校準(zhǔn)部門非常關(guān)注的問題。

在功率半導(dǎo)體器件實(shí)際測試過程中，當(dāng)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?yàn)樾酒瑴厣龑?dǎo)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(biāo)規(guī)定了功率半導(dǎo)體器件參數(shù)測試可采用脈沖測試法，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(dǎo)體器件進(jìn)行參數(shù)測試。

然而在國內(nèi)功率半導(dǎo)體器件測試設(shè)備的市場中，國外進(jìn)口設(shè)備占據(jù)絕大部分，典型的設(shè)備有瑞士LEMSYS SA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(biāo)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(dǎo)體器件測試時的功率和指標(biāo)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(jì)結(jié)構(gòu)，由高壓充電單元、充電保護(hù)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(shí)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(dāng)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(jìn)行顯示。當(dāng)人為操作不當(dāng)使被測器件斷路時，監(jiān)測控制單元啟動放電保護(hù)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(hù)單元，準(zhǔn)備對LC充放電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充電。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1 理論模型仿真

常見的脈沖電流發(fā)生有兩種實(shí)現(xiàn)形式，即傳輸線型和電容充放電型。該系統(tǒng)選用電容充放電型來設(shè)計(jì)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(jì)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(fù)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(jì)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（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(jì)與實(shí)現(xiàn)

脈沖電流源硬件部分實(shí)現(xiàn)脈沖信號的發(fā)生、調(diào)節(jié)、轉(zhuǎn)換和電路保護(hù)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(jì)算應(yīng)選用6000V的高壓直流源；充電保護(hù)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，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(yīng)選用效應(yīng)時間快、通流能力強(qiáng)、接觸感抗小的水銀開關(guān)；負(fù)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(jì)算應(yīng)選用1歐姆的無感電阻。監(jiān)測控制單元主要實(shí)現(xiàn)對充放電控制、電路保護(hù)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(jì)與實(shí)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(jìn)行設(shè)計(jì)的，前者用于設(shè)計(jì)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(jìn)行信號采集；后者設(shè)計(jì)出與PLC控制器進(jìn)行通信和功能集成的軟件，即實(shí)現(xiàn)點(diǎn)擊操控界面上的控件，程序發(fā)送對應(yīng)的控制指令給PLC，PLC執(zhí)行相應(yīng)的控制功能。操控界面如圖5所示。

程序啟動后，首先對所有的控制開關(guān)進(jìn)行復(fù)位；用戶設(shè)置需要輸出的電流幅值，然后點(diǎn)擊充電按鈕，開啟充電開關(guān)并實(shí)時采集電壓電流信號，當(dāng)采集到的電流幅值與設(shè)置值相等時，“充電完成”狀態(tài)指示燈亮起，提示準(zhǔn)備放電；點(diǎn)擊放電按鈕后，執(zhí)行放電程序，并在面板上顯示采集到的電流幅值，完成放電過程。所執(zhí)行的控制程序如圖6所示。

4 脈沖電流源性能驗(yàn)證

脈沖電流源最大輸出脈沖電流幅值達(dá)3000A，必須經(jīng)過分流器轉(zhuǎn)換才能通過數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行測量。系統(tǒng)選用型號為4418（0.001V/A）的Pearson線圈作為轉(zhuǎn)換設(shè)備，其具有響應(yīng)時間快、信號失真低和不受位置限制的優(yōu)點(diǎn)，通過數(shù)據(jù)采集器NI PXI-5122捕獲并顯示波形。其性能驗(yàn)證示意如圖7所示。

驗(yàn)證脈沖電流源輸出波形時，設(shè)置輸出電流幅值為3000A，得到如圖8所示的實(shí)測波形。

脈沖電流源輸出精度的驗(yàn)證，按照選取波形穩(wěn)定部分中間三分之一段的選點(diǎn)原則來計(jì)算脈沖電流幅值，通過測量多個輸出點(diǎn)來總體衡量脈沖電流源的輸出精度。電流幅值實(shí)測結(jié)果如表1所示。

從圖8和表1可以看出，脈沖電流源的輸出波形滿足方波特性，其性能指標(biāo)均在1%以內(nèi)。

5 結(jié)束語

本文對功率半導(dǎo)體器件測試用脈沖電流源的研制進(jìn)行了研究，詳細(xì)描述脈沖發(fā)生原理和軟硬件設(shè)計(jì)過程，經(jīng)實(shí)際測試驗(yàn)證了該脈沖電流源具有穩(wěn)定的輸出性能，滿足在測量功率半導(dǎo)體器件相關(guān)參數(shù)時的功率和指標(biāo)要求，為后期功率半導(dǎo)體器件的測試奠定了基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

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作者單位

桂林電子科技大學(xué) 廣西壯族自治區(qū)桂林市 541004