單片機開(kāi)發(fā)浪涌電流測試儀內部工作的回顧

2020-11-23

單片機開(kāi)發(fā)反映其過(guò)載能力的功率半導體器件的最重要參數是電涌電流，即半正弦形狀的最大允許電流幅度，持續10 ms。增加半導體的功率容量和設計整流器元件直徑為100 mm或更大的設備都需要浪涌電流測試系統，該系統可以形成高達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，在所謂的直流細絲化[1]的預擊穿狀態(tài)下，測試樣品兩端的電壓降急劇增加，對于高壓半導體，該電壓降可達到60V。其次，測試儀必須確保電流幅度設置的高精度，因為形成幅度為100 kA的電流脈沖需要在2-3 kA范圍內與設置值絕對偏差。第三，必須考慮到電流脈沖期間產(chǎn)生的巨大動(dòng)態(tài)力，以確保結構剛度。

浪涌電流測試儀如何工作

電壓源1將存儲電容器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14產(chǎn)生用于被測半導體器件5的控制信號和參考信號整形器9的觸發(fā)脈沖。參考信號整形器9將持續時(shí)間為10 ms的適當半正弦波的單個(gè)脈沖輸出到同相輸入放大器8的輸出信號。放大器8將信號輸出到N個(gè)MOSFET 3的柵極。為了保護晶體管免受超過(guò)允許的脈沖功率的擊穿，到柵極的信號電平受電壓限制器12的限制。其持續時(shí)間受到第一開(kāi)關(guān)10的限制。與流過(guò)第一MOSFET的電流成比例的反饋信號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。

由于連接了晶體管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參考信號的形狀。對這些電流脈沖求和導致產(chǎn)生半正弦波沖擊電流脈沖，其從存儲電容器2的正端子流向對準電阻器4，被測試的半導體器件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量單元7控制。在浪涌電流脈沖結束后，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時(shí)，防止其在浪涌電流的脈沖之間的時(shí)間中飽和，從而可靠地閉合晶體管3。測試儀具有模塊化設計。每個(gè)測試儀單元產(chǎn)生的電流幅度高達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，以及當設備與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(lèi)板。電源模塊的結構布局如圖6所示。

 

圖6：電源單元的結構布局。圖6：電源單元的結構布局。

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電源板上的存儲電容器和控制模塊以進(jìn)行測量?？刂颇K單元為電流源生成控制信號，并從其中之一接收電流反饋信號。電流源的功率輸出并聯(lián)連接，以對流經(jīng)測試的半導體樣品的電流求和?？刂颇K中包含的電流調節器是數字PI控制器。測試儀中測試了兩種類(lèi)型的控制器-一種基于運算放大器的模擬控制器和一種數字控制器。與基于運算放大器的模擬控制器相比，使用數字PI控制算法具有許多重要優(yōu)勢。

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(zhù)必須提前發(fā)送同步信號。其次，不可能對調節器的比例積分組件進(jìn)行操作調整。第三，在電流反饋信號丟失的情況下，電源板上晶體管故障的風(fēng)險很高。此外，使用數字控制擴展了測試儀的功能，能夠生成各種形狀的電流脈沖，例如梯形，以估算被測晶閘管的導通狀態(tài)擴散時(shí)間。對于外部通信，測試儀配備有CAN接口和同步輸入以啟動(dòng)測試。

 

圖7：120 kA浪涌電流測試儀的結構布局

120 kA浪涌電流測試儀的結構圖如圖7所示。該測試儀包含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范圍內可調。

測試儀的模塊化設計使其易于增加最大電流幅度。這種可擴展性?xún)H受結構剛度以及由于寄生電阻和電感導致的電源總線(xiàn)上的電壓降的限制。使用帶19英寸電容觸摸屏的HMI單元控制測試儀。該屏幕包括數據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 )傳輸到主控制和測量單元。

控制單元配置所有39個(gè)功率單元/電流源，生成用于測試晶閘管的斷開(kāi)信號和功率單元的同步脈沖，從而形成電流脈沖。組合的電流脈沖流過(guò)電流測量單元和經(jīng)過(guò)測試的半導體器件。電流測量單元是一組帶有三頻放大器的分流器。在測試過(guò)程中，控制單元測量設備上的電流和電壓降?？刂茊卧?span>12位AD轉換器允許以1.5％以?xún)鹊木葴y量電流和電壓，而用于在功率模塊之間分配電流設定點(diǎn)的定制算法允許在整個(gè)范圍內實(shí)現至少2％的設定精度。

為了確保電流調節器的穩定運行，測試儀的電源電路必須具有最小的電感。為了減少整個(gè)測試儀中從電源板到主電源總線(xiàn)的所有電源總線(xiàn)的寄生電感，采用了雙線(xiàn)設計。實(shí)驗證明，這種方法將整個(gè)母線(xiàn)系統的寄生電感和一個(gè)夾緊裝置一起降低了1-2μH數量級。圖8顯示了電流脈沖為65 kA時(shí)電源總線(xiàn)上的電壓降的波形圖。除了確?？刂破鞯姆€定性外，雙線(xiàn)拓撲還確保了電源電流對測量場(chǎng)的干擾最小。 。

 

圖8：電源總線(xiàn)上的電壓降為65 kA。藍線(xiàn)–電流，黃色–母線(xiàn)電壓，粉紅色–同步脈沖

圖9：破壞半導體結構時(shí)被測器件的電壓降。

當電流流過(guò)雙線(xiàn)電源總線(xiàn)時(shí)，總線(xiàn)之間的磁場(chǎng)線(xiàn)會(huì )加在一起，從而導致總線(xiàn)相互排斥。為避免這種情況，在整個(gè)長(cháng)度上每20厘米安裝一條特殊的金屬扎帶，如圖10所示。將母線(xiàn)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(xiàn)的設計。

圖11：將電源總線(xiàn)固定到測試儀外殼。 

浪涌電流測試儀由3個(gè)電源柜組成。每個(gè)機柜包含13個(gè)連接到垂直電源總線(xiàn)的電源單元。此連接如圖12所示。

 

圖12：?jiǎn)卧涂偩€(xiàn)之間的電源連接。

圖13：浪涌電流測試儀的夾緊系統。 

該測試儀配備了用于磁盤(pán)半導體的自動(dòng)夾緊系統。夾緊系統的夾緊力高達100 kN，可在高達200°C的溫度下測試設備。該夾緊系統是一個(gè)通過(guò)CAN接口控制的獨立單元。它具有一個(gè)機電驅動(dòng)器和滾珠絲杠傳動(dòng)裝置，可以使放置被測設備的壓力機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節夾緊力。夾緊過(guò)程不需要操作員的參與，該過(guò)程是全自動(dòng)的。夾緊系統如圖13所示。

表1列出了浪涌電流測試儀的技術(shù)參數。 

參數	最大值	單元
半正弦形狀的電流浪涌幅度	120	K a
梯形電流浪涌幅度	16	K a
電流設定精度	2	％
直流電 壓降的測量精度	1.5	％
電流測量精度	1.5	％
電源	380	V
重量	800	公斤
外型尺寸	2262x1384x1202	毫米

 測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(xiàn)的雙線(xiàn)設計使電流脈沖具有理想的半正弦形狀，不僅當被測設備的電壓降從2-3 V變?yōu)?span>50-55 V，但也在其破壞的時(shí)刻。該測試儀是多功能的，可以測試半導體器件的浪涌電流耐受性，以半正弦和梯形電流形狀在開(kāi)路狀態(tài)下測量直流電壓降，并監視通態(tài)區域的擴散。