解讀浪涌電流測(cè)試儀技術(shù)解決方案

功率半導(dǎo)體器件反映其過(guò)載能力的最重要參數(shù)是浪涌電流，即半正弦形狀的最大允許電流幅度，持續(xù)10 MS。增加半導(dǎo)體的功率容量和設(shè)計(jì)整流器元件直徑為100 mm或更大的設(shè)備都需要浪涌電流測(cè)試系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以形成高達(dá)100 kA的電流脈沖。

為了解決這個(gè)問(wèn)題，必須考慮許多要求。首先，在所謂的直流細(xì)絲化［1］的預(yù)擊穿狀態(tài)下，測(cè)試樣品上的電壓降急劇增加，對(duì)于高壓半導(dǎo)體，該電壓降可達(dá)到60V。其次，測(cè)試儀必須確保高精度的電流幅度設(shè)置，因?yàn)樾纬煞葹?00 kA的電流脈沖需要在2-3 kA范圍內(nèi)與設(shè)定值絕對(duì)偏差。第三，必須考慮到電流脈沖期間產(chǎn)生的巨大動(dòng)態(tài)力，以確保結(jié)構(gòu)剛度。

電壓源1將存儲(chǔ)電容器2充電到大約100V。浪涌電流脈沖形成的開(kāi)始由同步電路13確定，同步電路13發(fā)送命令打開(kāi)第一和第二開(kāi)關(guān)10和11，將控制命令發(fā)送給發(fā)電機(jī)14產(chǎn)生用于被測(cè)半導(dǎo)體器件5的控制信號(hào)和參考信號(hào)整形器9的觸發(fā)脈沖。參考信號(hào)整形器9將持續(xù)時(shí)間為10 MS的適當(dāng)半正弦波的單個(gè)脈沖輸出到同相輸入放大器8輸出信號(hào)。放大器8將信號(hào)輸出到N個(gè)MOSFET 3的柵極。為了保護(hù)晶體管免受超過(guò)允許的脈沖功率的擊穿，到柵極的信號(hào)電平受電壓限制器12的限制。其持續(xù)時(shí)間受到第一開(kāi)關(guān)10的限制。從流過(guò)第一MOSFET的電流成比例的反饋信號(hào)是從其源極中的電阻器4產(chǎn)生的，并反饋到反相輸入放大器8。

因?yàn)檫B接了晶體管3的柵極，并且在晶體管3的源極中包括平衡電阻器4，所以通過(guò)每個(gè)晶體管3的電流脈沖近似相同并且重復(fù)參考信號(hào)的形狀。對(duì)這些電流脈沖求和導(dǎo)致產(chǎn)生半正弦波沖擊電流脈沖，其從存儲(chǔ)電容器2的正端子流向?qū)?zhǔn)電阻器4，被測(cè)試的半導(dǎo)體器件5和分流器（電流傳感器）6。

浪涌電流脈沖的幅度和形狀由測(cè)量單元7控制。在浪涌電流脈沖結(jié)束之后，開(kāi)關(guān)10和11由來(lái)自同步電路13的命令閉合。閉合第一開(kāi)關(guān)10形成放大器的本地反饋電路。如圖8所示，在閉合第二開(kāi)關(guān)電路11的同時(shí)，防止了其在浪涌電流的脈沖之間的時(shí)間中的飽和，從而可靠地閉合了晶體管3。測(cè)試儀具有模塊化設(shè)計(jì)。每個(gè)測(cè)試儀單元產(chǎn)生的電流幅度高達(dá)3.1 kA。形成3.1 kA電流需要上述240個(gè)簡(jiǎn)單電流源。所有240個(gè)電流源都位于6個(gè)電源板上，每個(gè)電源板上有40個(gè)。電源板的布局如圖5所示。

圖5：電源板的布局。

如上所述，該板包含40個(gè)簡(jiǎn)單的電流源，即40個(gè)MOSFET，源電阻器和電解電容器，以及當(dāng)設(shè)備與220V電網(wǎng)斷開(kāi)連接時(shí)的電容器放電元件。每個(gè)電源單元包含6個(gè)此類板。電源模塊的結(jié)構(gòu)布局如圖6所示。

圖6：電源單元的結(jié)構(gòu)布局。圖6：電源單元的結(jié)構(gòu)布局。

從控制模塊收到命令后，電流源在其輸出端會(huì)產(chǎn)生100V的電壓。該電壓被饋送到電流源的電源板上的存儲(chǔ)電容器和控制模塊以進(jìn)行測(cè)量?？刂颇K單元產(chǎn)生用于電流源的控制信號(hào)，并從電流源之一接收電流反饋信號(hào)。電流源的功率輸出并聯(lián)連接，以對(duì)流經(jīng)測(cè)試的半導(dǎo)體樣品的電流求和?？刂颇K中包含的電流調(diào)節(jié)器是數(shù)字PI控制器。在測(cè)試儀中測(cè)試了兩種類型的控制器-一種基于運(yùn)算放大器的模擬控制器和一種數(shù)字控制器。與基于運(yùn)算放大器的模擬控制器相比，使用數(shù)字PI控制算法具有許多重要優(yōu)勢(shì)。

首先，模擬控制器需要一定的時(shí)間才能將控制電壓的輸出電壓提高到在每個(gè)脈沖之前開(kāi)始打開(kāi)晶體管所需的閾值，這意味著必須提前發(fā)送同步信號(hào)。其次，不可能對(duì)調(diào)節(jié)器的比例積分組件進(jìn)行操作調(diào)整。第三，在電流反饋信號(hào)丟失的情況下，電源板上晶體管發(fā)生故障的風(fēng)險(xiǎn)很高。此外，使用數(shù)字控制擴(kuò)展了測(cè)試儀的功能，能夠生成各種形狀的電流脈沖，例如梯形，以估計(jì)被測(cè)晶閘管的導(dǎo)通狀態(tài)擴(kuò)散時(shí)間。對(duì)于外部通信，測(cè)試儀配備有CAN接口和同步輸入以啟動(dòng)測(cè)試。

圖7：120 kA浪涌電流測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)布局

120 kA浪涌電流測(cè)試儀的結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。該測(cè)試儀包含39個(gè)相同的單元，其中38個(gè)單元形成具有3100A固定幅度的電流脈沖。第三十九個(gè)單元形成電流脈沖，其幅度在100 A至3100 A范圍內(nèi)可調(diào)。

測(cè)試儀的模塊化設(shè)計(jì)使其易于增加最大電流幅度。這種可擴(kuò)展性僅受結(jié)構(gòu)剛度以及由于寄生電阻和電感導(dǎo)致的電源總線上的電壓降的限制。使用帶19英寸電容觸摸屏的HMI單元控制測(cè)試儀。該屏幕包括數(shù)據(jù)輸入和輸出字段以及電流和電壓圖。操作員輸入的所有值均通過(guò)所有單元通用的CAN網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街骺刂坪蜏y(cè)量單元。

控制單元配置所有39個(gè)電源單元/電流源，生成用于測(cè)試晶閘管的斷開(kāi)信號(hào)和用于電源單元的同步脈沖，從而形成電流脈沖。組合的電流脈沖流過(guò)電流測(cè)量單元和經(jīng)過(guò)測(cè)試的半導(dǎo)體器件。電流測(cè)量單元是一組帶有三頻放大器的分流器。在測(cè)試過(guò)程中，控制單元測(cè)量設(shè)備上的電流和電壓降?？刂茊卧?2位AD轉(zhuǎn)換器允許以1.5％以內(nèi)的精度測(cè)量電流和電壓，而用于在功率模塊之間分配電流設(shè)定點(diǎn)的定制算法允許在整個(gè)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)至少2％的設(shè)定精度。

為了確保電流調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定運(yùn)行，測(cè)試儀的電源電路必須具有最小的電感。為了降低整個(gè)測(cè)試儀中從電源板到主電源總線的所有電源總線的寄生電感，采用了雙線設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)證明，這種方法將整個(gè)母線系統(tǒng)的寄生電感和一個(gè)夾緊裝置一起降低了1-2μH數(shù)量級(jí)。圖8顯示了電流脈沖為65 kA時(shí)電源總線上的電壓降的波形圖。除了確?？刂破鞯姆€(wěn)定性外，雙線拓?fù)溥€確保了電源電流對(duì)測(cè)量場(chǎng)的干擾最小。

圖8：電源總線上的電壓降為65 kA。藍(lán)線–電流，黃色–母線電壓，粉紅色–同步脈沖

圖9：破壞半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)時(shí)被測(cè)器件的電壓降。

當(dāng)電流流過(guò)雙線電源母線時(shí)，母線之間的磁力線加在一起，導(dǎo)致母線相互排斥。為避免這種情況，在整個(gè)長(zhǎng)度上每20厘米安裝一個(gè)特殊的金屬扎帶（圖10）。將母線以固定的間隔固定在電源柜的殼體上，以確保其剛度，如圖11所示。

圖10：電源總線的設(shè)計(jì)。

圖11：將電源總線固定到測(cè)試儀外殼。

浪涌電流測(cè)試儀包括3個(gè)電源柜。每個(gè)機(jī)柜包含13個(gè)連接到垂直電源總線的電源單元。此連接如圖12所示。

圖12：?jiǎn)卧涂偩€之間的電源連接。

圖13：浪涌電流測(cè)試儀的夾緊系統(tǒng)。

該測(cè)試儀配備了用于磁盤半導(dǎo)體的自動(dòng)夾緊系統(tǒng)。夾緊系統(tǒng)的夾緊力高達(dá)100 kN，可在高達(dá)200°C的溫度下測(cè)試設(shè)備。該夾緊系統(tǒng)是一個(gè)通過(guò)CAN接口控制的獨(dú)立單元。它具有機(jī)電驅(qū)動(dòng)器和滾珠絲杠傳動(dòng)裝置，用于使放置被測(cè)設(shè)備的壓力機(jī)的工作部分垂直移動(dòng)。位于夾緊裝置上的力傳感器可以調(diào)節(jié)夾緊力。夾緊過(guò)程不需要操作員的參與，該過(guò)程是全自動(dòng)的。夾緊系統(tǒng)如圖13所示。

表1顯示了電涌電流測(cè)試儀的技術(shù)參數(shù)。

此處描述的浪涌電流測(cè)試儀已在Proton-Electrode JSC的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)成功實(shí)施（圖14）。從2017年開(kāi)始的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，它展現(xiàn)了可靠性，參數(shù)統(tǒng)一性和易用性。測(cè)試儀的浪涌電流與其尺寸的比率最高。電流產(chǎn)生的創(chuàng)新方法和母線的雙線設(shè)計(jì)使得可以實(shí)現(xiàn)理想的電流脈沖半正弦形狀，不僅當(dāng)被測(cè)設(shè)備的電壓降從2-3 V變?yōu)?0-55 V，但也在其破壞的時(shí)刻。該測(cè)試儀是多功能的，可以測(cè)試半導(dǎo)體器件的浪涌電流電阻，以半正弦和梯形電流形狀在開(kāi)路狀態(tài)下測(cè)量直流電壓降，并監(jiān)視通態(tài)區(qū)域的擴(kuò)散。測(cè)試儀所基于的技術(shù)解決方案受實(shí)用新型專利[4]保護(hù)。
編輯：hfy