智能化功率半導體器件漏電流測試儀*

申彩英 鄒穎 李妮

（1.遼寧工業大學；2.莊河漁港監督）

電力電子技術成為當今社會生活不可或缺的部分[1]。智能電網、電磁推進、高幅值電流脈沖放電等需要高壓、大電流功率半導體器件[2-5]，因此高壓半導體元器件漏電流監測系統顯得尤為重要。采用圖示儀[6]檢測高壓功率半導體器件只能測試200 μA以上電流的結果，對于10 μA以下電流的檢測無能為力。圖示儀最高測試電壓只有3 000 V，測試過程持續施加測試電壓使得功率半導體器件結溫上升，導致測量結果不準確。隨著功率半導體器件耐壓值的提升，6 500 V甚至10 kV碳化硅、絕緣柵晶體管得到越來越多的應用，傳統的晶體管圖示儀已經無法滿足要求，需要10 kV電壓、微安級的漏電流測試儀器。文章采用國際先進的45 ms電壓脈沖測試條件，在測試電壓脈沖結束前測試功率半導體器件漏電流值，這種測試方法可以確保測試過程中功率半導體器件結溫基本不變，使測試結果得到保證。文章設計的智能化漏電流測試儀不僅可以實現測試結果的實時顯示，還可以實現測試過程的人工控制。

1 總體設計

智能化高壓功率半導體器件漏電流測試儀由主控制器、硬件電路和觸摸屏三部分組成。主控制器采用飛思卡爾MK60DN512ZVLL10芯片，硬件電路可以實現任意測試電壓形成、極性轉換及漏電流測試等。用戶通過觸摸屏發出控制指令，通過串口發送給主控芯片，主控芯片負責實現I/O口的控制和45 ms電壓脈沖時序形成，測試結束后主控芯片通過AD口將待檢測的測試電壓和漏電流值讀入，最后通過串口發送給觸摸屏。采用迪文DMT80600T080_07WT作為觸摸屏，實現測試過程控制和測試結果的顯示。本測試儀有3個擋位，1～3 擋分別對應漏電流量程為 0～5，0～50，0～500 μA。

2 主控制器與觸摸屏

主控制器與觸摸屏之間采用UART通訊，電平轉換芯片采用SP3232E，8寸觸摸屏外接一個0.5 W/4 Ω喇叭，實現超限報警。主控制器與觸摸屏之間的通訊采用串行異步通訊方式。主控制器向觸摸屏發送的數據有測試元器件序號、正/反向電壓值及正/反向漏電流值；觸摸屏向主控制器發送的控制指令有充/放電指令、充電電壓值、擋位信號及開始測試指令。

3 控制流程

智能化漏電流測試系統整體流程圖，如圖1所示。

圖1 智能化漏電流測試系統整體流程圖

微處理器上電初始化后，接收到觸摸屏發出的測試電壓值命令后，通過D/A口輸出電壓給定值，3 V對應測試電壓12 kV。設置電壓送充電電路，當充電電壓達到設置值時，充電過程結束。

測試電壓達到設置值后，觸摸屏向微處理器發出擋位指令和開始測試的有效命令后，處理器開始執行測試程序。首先執行正向測試，經過1 s延遲后執行反向測試，測試完成后送觸摸屏顯示。

圖2示出智能化漏電流測試系統測試流程圖。

圖2 智能化漏電流測試系統測試流程圖

處理器接到測試指令后，先進行正向參數測試。正向測試流程圖，如圖2a所示。首先控制極性轉換開關的K1，K3觸點閉合，在測試端獲得正極性測試電壓；延遲1 s后，控制測試開關K5閉合，開始對被測元件施加正向測試電壓，測試時間為45ms，在20ms和40ms時分別讀取正向電壓值（E0引腳讀入）和正向漏電流值（E1引腳讀入）。45 ms后控制K5觸點斷開。再經過1 s延遲，控制K1，K3觸點斷開。至此正向測試結束，開始進入反向測試。反向測試流程圖，如圖2b所示。首先控制極性轉換開關的K2，K4觸點閉合，以獲得反向測試電壓。經過1 s延遲，控制測試開關K5閉合，測試時間仍然為45 ms。在20 ms和40 ms時分別讀取反向電壓值（E0引腳讀入）和反向漏電流值（E1引腳讀入），從控制測試開關K5觸點閉合后，經45 ms延遲，控制K5觸點斷開；再經1 s延遲，控制極性轉換開關K2，K4觸點斷開。至此正反向測試過程全部結束。

4 試驗

測試設備使用智能化12 kV級功率半導體器件漏電流測試儀，如圖3所示。被測元件為6 500 V/750 A晶閘管，測試條件為室溫，測試電壓為6 500 V。示波器采用DPS2024隔離通道示波器。測試全過程K1～K5的電壓波形，如圖4所示。

圖3 智能化12 kV級功率半導體器件漏電流測試儀

圖4 智能化漏電流測試系統測試全過程中與K1～K5相連的引腳電平輸出波形

從圖4可以看出，極性轉換開關的時序與圖2一致，驗證了測試過程的正確性。測試結果，如圖5所示。從圖5可以看出，正向測試電壓和反向測試電壓存在一定誤差，均在2%以內，測試電壓檢測誤差主要是由電阻容差造成的。另外一個原因是測試電壓支撐電容器電壓存在電磁干擾毛刺所致；正向測試電壓在前，反向測試電壓在后，反向測試電壓低于正向測試電壓。

圖5 半導體器件漏電流測試結果顯示界面

漏電流測試誤差是漏電流采樣時刻電磁干擾電流疊加在實際漏電流上導致的，實際器件的制造工藝也決定了正向漏電流高于反向漏電流。

5 結論

本測試儀采用國際先進的45 ms漏電流測試技術，可以準確測量高壓功率半導體器件的漏電流，提高了漏電流的測試精度，解決了目前10 kV級功率半導體器件漏電流不能測試的問題，智能化的應用使得測試儀在測試過程中實現全自動化。