半导体分立器件测试原理和方法

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1、2020/9/26,1,电力半导体器件的测试安全及原理和方法,2020/9/26,2,测试安全注意事项,高压测试设备在运行过程中会产生高温高电压，因此操作不当或者防护不当，会影响工作人员的安全。为了测试安全运行、保障操作人员的人身安全，必须严格遵守安全规定。,2020/9/26,3,1. 测试工作人员要具有强烈的事业心和工作责任感，严格执行操作规程。 2. 测试工作人员上岗前必须进行专门培训，取得上岗证后方能进行独立操作。 3. 测试工作人员进入工作岗位必须穿戴好防护用品。 4测试人员应注意防止高温烫伤，并做好高温标识。,2020/9/26,4,5. 测试加高压前，工作人员必须对各种安全联锁装

2、置进行检查，以确保它们处于有效的工作状态。 6. 各种系统联锁和安全联锁装置是为了保障测试能安全可靠运行及工作人员的人身安全的，不得随意改动或短路。 7测试时严禁进入标有“高压止步”警示的区域。 8. 测试运行时，发现异常，应立刻停机，通知维修人员进行检查、维修。 9非测试工作人员因工作需要进入测试楼，必须遵守本安全规程，并服从工作人员的指挥，不得触动设备上的任何按键和开关，以免发生意外。,2020/9/26,5,概 述,电力半导体器件是由整流二极管（ZP），反向阻断三极晶闸管（KP），快速整流二极管（ZK），快速晶闸管（KK），非对称晶闸管（KF），逆导（KN），双向（KS），可关断（GTO

3、/IGCT）等组成。,2020/9/26,6,应 用,1. 整流 把交流电变成直流电 2. 逆变 把直流电变成交流电 3. 变频 把一种频率的交流电变成另一种频率的交流电或把一种固定频率的交流电变成可以连续变化的交流电。例如交流电机用的变频器。 4. 交流开关 接通或切断交流电路 5. 直流开关 接通或切断直流电路,2020/9/26,7,测试原理及方法,通态电压测试原理图,2020/9/26,8,电路原理,当K合上，交流220V就加在TB原边，调节TB，变压器B付边二极管D1，R1向电容C充电，待C充至一定电压时，触发K1，被试元件，电容C经K1，电感L，被试元件，分流器FL放电。输出一近似

4、正弦的电流波形，从FL可测得ITM，从被试元件可测得VTM。调节TB，使ITM恰好等于被测元件所需电流值，记录下VTM值，该值就是要测的值。 电流脉宽在1 10 ms范围选择，以使被测器件完全开通和防止超过器件额定di/dt值。,2020/9/26,9,通态伏安特性（ITM VTM）,差异仅是通态峰值电流至额定通态平均电流值的4、5倍以上； 通常我们给出的是Tjm下的，下面给出25和Tjm二条伏安特性。我们知道元件的压降由三部分组成：,PN结压降 呈现负温度系数，体压降，接触压降呈现正温度系数 当Tj升高，I较小时，PN结压降起主要作用，高温压降比常温小； I大时，体压降、接触压降起主导作用，

5、高温压降比常温大。 因此我们可以看到伏安特性随结温而变化，并且总有一个交点。,2020/9/26,10,断态和反向峰值电流IDRM 、IRRM,2020/9/26,11,实用电路 【断态和反向不重复峰值电压（VDSM，VRSM）与断态和反向重复峰值电流IDRM、IRRM原理电路等均相似，差异是： 脉冲重复频率：单次脉冲，或发热效应可以忽略的低重复频率 】,断态和反向峰值电流IDRM 、IRRM,2020/9/26,12,220V电源经全波可控整流器BR加压在自耦调压器TB原边（只要KP导通），付边输出电压加在高压变压器B的原边，于是B付边输出高压，此时波形仍是交流全波。我们利用整流管正向导通反

6、向阻断特性，正向串入D1，反向串入D2，使a点得到正弦半波电压，调节TB就可调节此电压峰值，按定义这波形符合VDRM测试要求，此电压峰值由D3与电容C组成的峰值保持电路在电容C上就变成等于电压峰值的直流电压，由表头VP显示。当被试元件二端加上VDRM时，电阻R1上的电压就反映了流过元件的漏电流，测出R1上的电压峰值也就测出IDRM，同时将X接示波器X端，Y接Y端，我们就可看到其断态伏安特性。断开接触器J1，闭合J2，a点电压就加在被试晶闸管负端， 此时测得的为VRRM值和相应的 IRRM，其伏安特性如左图。线路采用的是转折保护，当元件一旦转折，漏电流急剧增加，此时脉冲变压器MB原边会产生一电压

7、，付边也会感应出一电压，此电压使整流桥BR的KP的门阴极短路，KP元件恢复阻断，220V电源断开，付边高压消失，从而保护了被试元件。其动作时间为10 ms。,2020/9/26,13,IGT、VGT,2020/9/26,14,测试条件,2020/9/26,15,IGD、VGD,2020/9/26,16,IGD、VGD测试,2020/9/26,17,IH维持电流,2020/9/26,18,IH维持电流测试,2020/9/26,19,IL擎住电流,2020/9/26,20,IL擎住电流测试,2020/9/26,21,断态电压临界上升率 （电压上升法）,当S合上，恒流源就以一恒定直流向电容C充电，电

8、容两端电压就以直线上升，形成线性的dv/dt，改变充电电流和电容就改变dv/dt值，即dvc/dt = I/C。二极管D和可调直流电源UD组成电压限幅电路，当电容电压充至 UD时，电容电压就通过D向UD放电，即保持电容电压不变，增加dv/dt值至电压波形突然下降，未降前的dv/dt即为所测值。示波器观察。,2020/9/26,22,（门极控制）开通时间（tgt）,调节可调交流电源G，电源电压经D1，R1向C充电，充至测试条件规定值，在充电电源为负时，触发脉冲触发被试元件，C上电压通过R2，L，DUT放电，产生振荡或非振荡波形。被试元件开通元件二端管压降下降。观察RS（标准门极电流的无感电阻器）

9、二端波形就是观察门极触发电流波形，从而可测得td和trr。,2020/9/26,23,延迟时间td 由触发脉冲上升沿的10%起到阳极电压下降到峰值的90%所经历的时间。 上升时间tr 由阳极正向电压降到峰值 电压90%起降到10%止所经历的时间。,tgt是在规定的阳极电压、通态电流和门极条件下，由门极脉冲上升沿的10%算起到晶闸管正向阳极电压下降至最高电压的10%所经历的时间间隔。,2020/9/26,24,（电路换向）关断时间 tq,2020/9/26,25,a. 可调恒流通态电流，S2，D1，DUT构成正向电路，使被试元件流过规定通态电流 b. 可调反向电压的直流E2，DUT，D1，S3，

10、L1，R2构成反向关断回路。在被试元件流过一定时间规定的通态电流后，S3闭合反向电压加在被试元件上，使正向电流以一定的-di/dt下降直至反向电流降至零 c. 由可调再加电压上升率电源Er，S1，C1，D3，E1组成再加断态电压、电压上升率、再加电压施加时间均可调的电路，详情同dv/dt电路。改变S1闭合时间就改变dv/dt施加时间，缓慢缩短S1与S3时间，当被测元件刚好承受而不转为导通止。 E3，R1，S4组成的门极触发电路，S4应与S2同时闭合，一旦被试器件完全开通，S4就打开,2020/9/26,26,恢复电荷 Qr,触发装置输出一脉冲触发被试元件，可调通态直流电源ET经R1，L1，DU

11、T，无感取样电阻RS输出IT，当闭合S时，C1经RS，DUT，R2，L2放电，使IT以-dIT/dt下降，直至反向电流最大值IRM，此时反向电压ER加在DUT上，反向电流由IR逐渐衰减至零，按标准规定即可测出trr，Qr。整个电流波形由RS经示波器CRO可观察。,2020/9/26,27,通态（不重复）浪涌电流（ITSM）,2020/9/26,28,原理电路,当S闭时，高压变压器B1付边输出高压通过整流桥，R1向电容C充电，当C充至要求值时，断开S，然后触发KP1，KP2，DUT，则C通过KP1向低压大电流变压器B2原边放电，B2付边通过KP2，分流器FL，DUT放电，产生一挖正弦半波底宽约1

12、0 ms浪涌电流，B3输出交流全波电压，经Z1整流为半波电压加在DUT负端，时间恰好为浪涌电流结束后的半周，调节TB1就可按标准规定调节加于被试元件上的反向电压峰值。,2020/9/26,29,通态电流临界上升率 di/dt,2020/9/26,30,由于通常测试大电流器件时用正弦波，此时R2可忽略，事业部实际也是按LC振荡电路。 交流电经D1，R1向C充电，充至所需值，触发装置B输出一脉冲触发DUT，电容C经L放电，输出dI/dt波形。电容、电感可按下式计算： 被试元件做di/dt试验有反压比无反压能承受的临界di/dt要低，标准没明确规定，应结合器件实际运行工况确定试验时有无反压较为科学。

13、,2020/9/26,31,热循环负载试验（热疲劳测试）,本测试是确认某些型式晶闸管承受结温变化能力的耐久性（寿命）测试。,2020/9/26,32,R1，R2R6为阻值可调的不锈钢水冷电阻，被试元件DUT1DUT6用水冷散热器。 当触点J1J6闭合时，变压器B1，B2，B3原边接上三相380 V电源，付边a0，b0，c0顺时针相位差120轮流得电，当A0为正时DUT1导通，当a0为负时DUT2导通，调R1，R2使各回路电流基本一致。检测壳温上升到某一温度时，断开J1J6，变压器B1B3原边断电，付边电流为零。元件通水冷却，至壳温降到某一温度时，J1J6闭合，元件冷却水切断，元件开始通电升温。

14、升温冷却一次算一次循环，循环次数由循环计数器自动记录。,2020/9/26,33,2020/9/26,34,热阻测试 Rth,测量器件结到基准点之间的热阻。,a. 原理 被测器件通以加热电流，产生损耗功率P，热平衡时，由测得的结温Tj和基准点温度Tc，按公式计算结壳热阻。 如我们施加两次不同的加热功率P1，P2，通过调节冷却条件使两次结温相等，并测得对应的基准点温度TC1和TC2，则可按下面公式计算结壳热阻。 我们可以这样推导： 当通以P1时，Rjc1 = Tj1 Tc1 / P1 Tj1 = Rjc1 P1 + Tc1 当通以P2时，Rjc2 = Tj2 Tc2 / P2 Tj2 = Rjc

15、2 P2 + Tc2 如Tj1 = Tj2，Rjc1 = Rjc2 则Rjc P1 + Tc1 = Rjc P2 + Tc2,2020/9/26,35,S1闭合触发装置B触发DUT，被试元件流过直流IDC，此时S2在2倍表头指示元件管压降，加热电流在DUT上产生的功耗P = IDCVT，待热平衡，S1断开切断加热直流IDC，同时使S2转向1位，此时热敏电流If流过DUT，Vf表即指示元件热敏电压Vf1，与此同时用LEM公司配套提供的点温计，记录下壳温Tc1。,2020/9/26,36,然后我们用外加热办法加热DUT，此时压机加热单元温度计指示着元件的壳温和结温。在外加热时我们可近似认为壳温和结

16、温相等。待温度稳定时，闭合S1使直流IDC仅仅流通10 ms，S1就断开，此时If流过DUT，记录此时Vf2，我们总能找出一个Vf2 = Vf1时的壳温Tc2（由于外加热，P2 = 0） 利用公式可算得该元件的结壳热阻。这就是LEM Rth 20测试原理和方法。这里介绍的是直流，实际可是正弦半波或矩形波，这里不再介绍，因为样本给出的均是直流热阻。我们应知道的确是直流热阻最小，矩形波、正弦波稍大，当矩形波、正弦波导通角越小时其热阻就越大。,2020/9/26,37,高温阻断,S闭合，调TB使B付边输出交流全波加于被试器件上，表头V显示正向峰值电压，漏电流从R2取样显示漏电流的峰值。,2020/9

17、/26,38,高温阻断试验,本试验适用于产品逐批检验，周期检验。 耐久性试验目的是考核产品在规定的条件下完成规定功能的能力。 筛选试验的目的是剔除早期失效的产品。,2020/9/26,39,型式试验（周期检验）,2005年KP企业标准(1).XLS 试验分逐批（A组）检验 周期（B组）检验 周期（C组）检验 正常生产的定型产 品每年至少做一批 鉴定（D组）检验 产品定型必做的试验,2020/9/26,40,LEM测试台简介,LEM测试台是从瑞士LEM（LEMSYS）公司引进的一整套硅元件测试设备，下面按设备简单作个介绍。 6.1 LEM4030（LEMSYS8060）tq 该设备可用来检验KK

18、、KP元件的关断时间tq，它检测时的电流电压波形为：,2020/9/26,41,LEM测试台简介,4030的含义是电流ITM = 4000A，电压VDR = 3000 V。 8060的含义是电流ITM = 8000A，电压VDR = 6000 V。 如果我们只用IT及t，其余不工作，那么我们就可用来测VT。 此时IT：100 4000 （8000）A，t = 100 2000s可调，且不论这二参数如何调整，VT测量点始终在IT将要下降的这一点即图示a点。 如果我们只用IT及t，加上VRR，其余不工作，加上QRR的计测单元，那么我们就可用来测元件的反向恢复时间trr，IRM，-di/dt，QRR

19、电流下降率-di/dt调节为：1.5 300 A/s，VRR的调节范围为：5 200 V。,2020/9/26,42,LEM测试台简介,如果只让dv/dt部分工作，其余不工作，那么就可检测元件的dv/dt，此时dv/dt为：20 2000 V/s，VDR为100 3000（6000） V。 如果所有各部分都工作，那么就可测tq。 归纳一下4030（8060）tq可测VT，QR（包括QRA、反向峰值电流 IRM, 反向恢复时间 t rr ）dv/dt，tq四项，其中dv/dt及tq为动态参数。 QR、tr中为IRM与50%，25%，10%的连线。 QRA = 1/2IRMtr，QRR =t0id

20、t，t = 0 100s,2020/9/26,43,I t rr3 -di/dt t rr2 t rr1、 T 0.1 I RM 0.25 I RM 0.5 I RM I RM,2020/9/26,44,差异,LEMsys8060tq 与 LEM4030tq 相比在trr 测量上有差异。 LEM4030tq 的trr 是0.9 IRM与0.5 IRM或0.25 IRM 或0.1 IRM。 LEM8060tq trr 是IRM与0.5 IRM 或0.25 IRM 或0.1 IRM 的连线。后者是符合标准的，因为后者是用计算机和软件对波形进行测量，可以做到这一点。另外LEM8060tq 还增加了t

21、a 、tb 和软度S 等参数的测量。,2020/9/26,45,LEM测试台简介,LEM00050（ELMSYS00100）stc 这是一台静态参数测试台，可测10个项目：IGT、VGT、IH、IL、ID、IR、VD、VR、IGD、VGD。 0050的含义就是指VD、VR的电压最高达5000伏。 00100的含义就是指VD、VR的电压最高达10000伏。 IGT、VGT：阳极电压为6 V或12 V，阳极回路电阻：6或12或外接。 通常我们取VA = 12 A，RA = 6 IGT测量范围：0 1999 mA VGT：0 10 V IH：ITM脉冲：5 A、10 A、20 A、30 A IH：0

22、 2000 mA IL：VA = 12 V，RA = 6 IL = 0 3.00 A,2020/9/26,46,LEM测试台简介,ID、IR：电压波形为正弦半波，f = 5 Hz，实际为非重复电压 ID、IR = 0 20 mA、0 200 mA VD、VR：电压波形为上升率dv/dt = 1 V/s的波形，f = 5 Hz 实际为不重复电压。 IGD、VGD：VD为正弦半波，VD = VDRM IGD：0 1999 mA VGD：0 10 V,2020/9/26,47,LEM测试台简介,LEM4030 测试台的另外两个组成部分是Turn on 3030和 Rth 20，分别用来测量tgt和热阻。 Turn on 3030的含义是VD的电压最高达3000伏，di/dt最 大为3000A/us。 Rth 20表示最大直流IDC为2000A。 GTO3045测试台用来测试GTO元件开通和关断特性，最 大电流3000A，最高电压4500V。,2020/9/26,48,LEM测试台简介,I90U100用来测试芯片和元件的IGT、VGT、ID、IR、VD、VR 和压降VTM（VFM），最大输出电流9000A，最高输出电压 10000V。 I90U100测试台在门阴极短路后可用来测试GTO元件的静 态参数。,2020/9/26,49,每一次课程的结束，都是持续改进的开始。,谢 谢,