浪涌电流测试仪内部工作的回顾

2020-09-16

功率半导体器件反映其过载能力的最重要参数是浪涌电流，即半正弦形状的最大允许电流幅度，持续10 MS。增加半导体的功率容量和设计整流器元件直径为100 mm或更大的设备都需要浪涌电流测试系统，该系统可以形成高达100 kA的电流脉冲。

为了解决这个问题，必须考虑许多要求。首先，在所谓的直流细丝化[1]的预击穿状态下，测试样品上的电压降急剧增加，对于高压半导体，该电压降可达到60V。其次，测试仪必须确保高精度的电流幅度设置，因为形成幅度为100 kA的电流脉冲需要在2-3 kA范围内与设定值绝对偏差。第三，必须考虑到电流脉冲期间产生的巨大动态力，以确保结构刚度。

电压源1将存储电容器2充电到大约100V。浪涌电流脉冲形成的开始由同步电路13确定，同步电路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电机14产生用于被测半导体器件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将持续时间为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。为了保护晶体管免受超过允许的脉冲功率的击穿，到栅极的信号电平受电压限制器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的电流成比例的反馈信号是从其源极中的电阻器4产生的，并反馈到反相输入放大器8。

因为连接了晶体管3的栅极，并且在晶体管3的源极中包括平衡电阻器4，所以通过每个晶体管3的电流脉冲近似相同并且重复参考信号的形状。对这些电流脉冲求和导致产生半正弦波冲击电流脉冲，其从存储电容器2的正端子流向对准电阻器4，被测试的半导体器件5和分流器（电流传感器）6。

浪涌电流脉冲的幅度和形状由测量单元7控制。在浪涌电流脉冲结束之后，开关10和11由来自同步电路13的命令闭合。闭合第一开关10形成放大器的本地反馈电路。如图8所示，在闭合第二开关电路11的同时，防止了其在浪涌电流的脉冲之间的时间中的饱和，从而可靠地闭合了晶体管3。测试仪具有模块化设计。每个测试仪单元产生的电流幅度高达3.1 kA。形成3.1 kA电流需要上述240个简单电流源。所有240个电流源都位于6个电源板上，每个电源板上有40个。电源板的布局如图5所示。

图5：电源板的布局。

如上所述，该板包含40个简单的电流源，即40个MOSFET，源电阻器和电解电容器，以及当设备与220V电网断开连接时的电容器放电元件。每个电源单元包含6个此类板。电源模块的结构布局如图6所示。

图6：电源单元的结构布局。图6：电源单元的结构布局。 

从控制模块收到命令后，电流源在其输出端会产生100V的电压。该电压被馈送到电流源的电源板上的存储电容器和控制模块以进行测量。控制模块单元产生用于电流源的控制信号，并从电流源之一接收电流反馈信号。电流源的功率输出并联连接，以对流经测试的半导体样品的电流求和。控制模块中包含的电流调节器是数字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，使用数字PI控制算法具有许多重要优势。

首先，模拟控制器需要一定的时间才能将控制电压的输出电压提高到在每个脉冲之前开始打开晶体管所需的阈值，这意味着必须提前发送同步信号。其次，不可能对调节器的比例积分组件进行操作调整。第三，在电流反馈信号丢失的情况下，电源板上晶体管发生故障的风险很高。此外，使用数字控制扩展了测试仪的功能，能够生成各种形状的电流脉冲，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CAN接口和同步输入以启动测试。 

图7：120 kA浪涌电流测试仪的结构布局

120 kA浪涌电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3100A固定幅度的电流脉冲。第三十九个单元形成电流脉冲，其幅度在100 A至3100 A范围内可调。

测试仪的模块化设计使其易于增加最大电流幅度。这种可扩展性仅受结构刚度以及由于寄生电阻和电感导致的电源总线上的电压降的限制。使用带19英寸电容触摸屏的HMI单元控制测试仪。该屏幕包括数据输入和输出字段以及电流和电压图。操作员输入的所有值均通过所有单元通用的CAN网络传输到主控制和测量单元。

控制单元配置所有39个电源单元/电流源，生成用于测试晶闸管的断开信号和用于电源单元的同步脉冲，从而形成电流脉冲。组合的电流脉冲流过电流测量单元和经过测试的半导体器件。电流测量单元是一组带有三频放大器的分流器。在测试过程中，控制单元测量设备上的电流和电压降。控制单元的12位AD转换器允许以1.5％以内的精度测量电流和电压，而用于在功率模块之间分配电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。

为了确保电流调节器的稳定运行，测试仪的电源电路必须具有最小的电感。为了降低整个测试仪中从电源板到主电源总线的所有电源总线的寄生电感，采用了双线设计。实验证明，这种方法将整个母线系统的寄生电感和一个夹紧装置一起降低了1-2μH数量级。图8显示了电流脉冲为65 kA时电源总线上的电压降的波形图。除了确保控制器的稳定性外，双线拓扑还确保了电源电流对测量场的干扰最小。

 

图8：电源总线上的电压降为65 kA。蓝线–电流，黄色–母线电压，粉红色–同步脉冲

图9：破坏半导体结构时被测器件的电压降。

当电流流过双线电源母线时，母线之间的磁力线加在一起，导致母线相互排斥。为避免这种情况，在整个长度上每20厘米安装一个特殊的金属扎带（图10）。将母线以固定的间隔固定在电源柜的壳体上，以确保其刚度，如图11所示。

图10：电源总线的设计。

图11：将电源总线固定到测试仪外壳。 

浪涌电流测试仪包括3个电源柜。每个机柜包含13个连接到垂直电源总线的电源单元。此连接如图12所示。

 

图12：单元和总线之间的电源连接。

图13：浪涌电流测试仪的夹紧系统。

该测试仪配备了用于磁盘半导体的自动夹紧系统。夹紧系统的夹紧力高达100 kN，可在高达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。它具有机电驱动器和滚珠丝杠传动装置，用于使放置被测设备的压力机的工作部分垂直移动。位于夹紧装置上的力传感器可以调节夹紧力。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显示了电涌电流测试仪的技术参数。 

参数	最大值	单元
半正弦形状的电流浪涌幅度	120	K a
梯形电流浪涌幅度	16	K a
电流设定精度	2	％
直流电 压降的测量精度	1.5	％
电流测量精度	1.5	％
电源供应	380	V
重量	800	公斤
外型尺寸	2262x1384x1202	毫米

此处描述的浪涌电流测试仪已在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，它展现了可靠性，参数统一性和易用性。测试仪的浪涌电流与其尺寸的比率最高。电流产生的创新方法和母线的双线设计使得可以实现理想的电流脉冲半正弦形状，不仅当被测设备的电压降从2-3 V变为50-55 V，但也在其破坏的时刻。该测试仪是多功能的，可以测试半导体器件的浪涌电流电阻，以半正弦和梯形电流形状在开路状态下测量直流电压降，并监视通态区域的扩散。测试仪所基于的技术解决方案受实用新型专利[4]保护。