Igbt热疲劳测试系统的制作方法
【专利摘要】IGBT热疲劳测试系统，是基于嵌入式【技术领域】与微电子可靠性试验相结合而设计实现的一种测试系统。该系统将ARM Cortex-M3作为主CPU，控制外部DA转换电路，AD转换电路、多路温度采集电路、多路继电器切换电路。外接12位高精度三线制DAC7512，控制IGBT的栅极电压，通过多路继电器选择电路将采样值送入AD转换模块，根据IGBT的温度特性，栅电压越高，集电极和发射极间电流越大，温度就会越高，采用PID增量式算法调整IGBT栅极电压，从而得到恒定功率、恒定温度的状态以满足器件可靠性试验设计的要求。本发明是基于μC/OS-II嵌入式实时操作系统，集多传感器数据采集、PID算法控制、报警设置等功能于一体的IGBT热疲劳测试系统。
【专利说明】IGBT热疲劳测试系统
【技术领域】
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[0001]本发明是一种基于嵌入式和微电子可靠性技术相结合的测试系统，用于完成IGBT热疲劳测试。属于嵌入式测量【技术领域】，适用于器件可靠性分析领域、航空航天领域、大功率器件寿命预测等。
【背景技术】
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[0002]IGBT具有开关速度快、输入阻抗高、驱动电路简单以及载流能力强等优点，现已经广泛应用于交通、冶金、新能源发电及航空航天等关键领域。作为核心器件，IGBT功率模块在高温大功率下长期工作会产生疲劳失效，可能导致系统运行中断，因此该模块运行的可靠性问题日益严重。目前人们大多通过改变器件设计和工艺的方法来提高IGBT器件运行的可靠性，然而随着技术的发展与成熟，传统的方法越来越受到成本的限制，由于缺少IGBT功率模块失效的信息，无法从根本上避免灾难性故障的发生。本发明设计的IGBT热疲劳测试系统可让器件在高温大功率下循环工作直至器件产生疲劳失效，加快器件老化，获取器件失效的时的原始数据，为IC设计提供了器件可靠的依据。
[0003]因此，设计一种分析器件可靠性的IGBT热疲劳测试系统，具有重要的理论和实际意义。
【发明内容】
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[0004]针对目前半导体器件的可靠性问题，发明了一种IGBT热疲劳测试系统，该系统支持8个器件同时测试，器件在恒温、恒功率的情况下分别进行循环工作，保证试验的高效并安全的进行，从而达到预测可靠性的目的。
[0005]本发明采用如下技术方案:
[0006]IGBT热疲劳测试系统硬件结构包括:微处理器101、系统供电电源102、液晶显示电路103、AD转换电路104、DA转换电路105、多路温度采集电路106、多路继电器切换电路107、信号放大电路108、被测模块109 ;系统供电电源102与微处理器101相连为整个系统供电；被测模块109与多路继电器切换电路107连接，多路继电器切换电路107的输出端连接到AD转换电路104，AD转换电路104的输出端连接到微处理器101 ;微处理器101与控制栅压的DA转换电路105连接，DA转换电路105的输出端接至信号放大电路108，信号放大电路108的输出值送入被测模块109 ;微处理器101与多路温度采集电路106连接，多路温度采集电路106与被测模块109相连用于测试温度；用于显示测试信息的液晶显示电路103与微处理器101连接。所述的微处理器101采用STM32F103ZER6单片机。
[0007]DA转换电路105选用DAC7512芯片，12位精度，DBV (R-PDS0-G6)封装。
[0008]多路温度采集电路106采用了 DS18B20作为温度传感器，精度可调。
[0009]系统供电电源102，内部采用DC/DC电源模块，为系统提供5V/3.3V/±12V供电电压，为DA转换电路105，AD转换电路104、液晶显示电路103和被测模块109供电。
[0010]多路继电器切换电路107采用了 8个欧姆龙继电G6S2-12VDC作为切换开关，控制总线上的数据分时传输。
[0011]被测模块109选用美国IR公司的IRGP50B器件作为测试芯片。
[0012]液晶显示电路103选用TFTLCD液晶显示屏，分辨率320*240。
[0013]微处理器101选用STM32F103ZER6作为控制芯片，可在线进行编程，使用片内512KByte的FLASH作为程序存储器，并集成多个ADC12模块，实现信号模拟到数字的转换。
[0014]本发明将内部硬件资源丰富的微处理器STM32F103作为控制核心，并外扩电压保护电路、电流保护电路、测温电路、多路D/A转换电路105等重要硬件模块。在μ C/0S-1I嵌入式实时操作系统上实现多任务操作，实现8路IGBT器件同时测试，采用自动整定PID参数的方法调整被测器件的栅极电压，从而精确的调整IGBT器件的壳温，防止过流和过温。可根据实际应用需要对电路进行功能扩展、在线调试，预测IGBT器件的工作寿命，丰富了IGBT热疲劳测试系统的功能，应用范围更加广阔。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1:本发明的IGBT热疲劳测试系统结构示意图；
[0016]图2:本发明的DA转换电路105结构示意图；
[0017]图3:本发明的IGBT热疲劳测试系统软件结构示意图；
[0018]图中:101、微处理器，102、系统供电电源，103、液晶显示电路，104、AD转换电路，105、DA转换电路，106、多路温度采集电路，107、多路继电器切换电路，108、信号放大电路，109、被测模块。
【具体实施方式】
[0019]本发明提供了一种基于μ C/0S-1I操作系统的IGBT热疲劳测试系统，以ARM微处理器作为控制核心协调着监测与调控两个方面，要求系统达到高精度、高稳定性。本发明提供的硬件结构如图1所示，系统供电电源102提供±12V/5V/3.3V输入电压，±12V给DA转换电路105、AD转换电路104、被测模块109供电；3.3V电压给多路温度采集电路106 ；5V输入电压给DA转换电路105供电。
[0020]IGBT热疲劳测试系统是通过微处理器101控制的，它采用的ARM cortex M3内核的STM32F107ZET6芯片。DA转换电路105输出的模拟量经过信号放大电路108后给被测模块109提供栅极电压，栅极压越大，温度越高，电流也越大，使用其片内ADC采集电压信号并进行数据处理；AD转换电路104采集电流信号，被测模块109通过多路继电器切换电路107分别切换电压和电流。
[0021]本发明所设计的IGBT热疲劳测试系统采用12位的DAC，如图2所示:12位的DA芯片输出:0到5V电压值；系统采用PID增量式算法，它是工业控制中主要技术之一，调节规律为比例、积分、微分控制。采用这种算法来调整DAC7512的输出，经过信号放大电路0P07放大以后加载到IGBT的栅极。测试过程中IGBT发射极电流变化，该电流流过的采样电阻R3的电压也会发生变化，AD转换电路104将采集到的模拟量，与上一次的结果进行对比。若电流值超过设定值，微处理器101会通过PID算法调整DA转换电路105的输出值；AD转换电路104将采集到的值送入液晶显示电路103中，用户就可以实时监测到每个IGBT的变化情况。
[0022]微处理器101控制着多路温度采集电路106，温度传感器DS18B20通过测试夹具与被测模块109紧贴在一起，微处理器101采集到的值在液晶显示电路103上显示。
[0023]该系统所有的控制程序都存储在微处理器101内部的FLASH存储器中，系统的软件结构示意图如图3:包括8个测试主任务、温度采集任务、液晶显示任务、PID控制程序、人机接口程序以及状态控制任务组成。软件系统按照模块化设计思想，自顶向下划分多个任务及功能程序。系统在上电后，需要进行必要的软硬件初始化工作，如处理器时钟初始化、中断源配置、各硬件模块初始化等，软硬件初始化完毕后进入到系统主程序，用以完成后续软件模块的建立和维护。以单路IGBT热疲劳测试为例，首先需要建立独立测试主任务，用于完成测试过程中的所有执行动作。同时，为实现对IGBT栅压和集电极电流的实时监测，在每路测试的主任务中又增加了过流过压、过温保护程序，以保护IGBT器件；为确保测试阶段随时间自动切换，需要建立状态控制任务，随时间变化切换测试主任务的工作状态，触发相应的执行动作，完成测试流程；在测试过程中，需要按照固定的时间间隔调用温度采集任务采集IGBT器件管壳温度，采集到的温度信息作为PID控制程序的一项参数，完成测试流程中恒温测试，因此需要建立独立的温度采集任务；用户界面设计UI功能主要体现在液晶面板显示上，需要建立液晶显示任务，定时显示当前IGBT热疲劳测试过程的信息，同时，在需要报警信息的情况下，液晶显示任务弹出提示框，用以提示用户，系统出现异常现象。PID控制程序，采用2段PID增量式算法来整定栅压，第一段PID算法主要用于控制系统产生恒定电流，以达到恒定功率；第二段PID算法主要用于控制系统恒定温度。人机接口程序为液晶显示任务提供具体显示功能的实现，并提供字体图案编码、解码、按键信息获取等功能实现。
[0024]系统软件是基于yC/OS-1I来实现的，增加了系统的实时性和可操作性，利用yC/OS-1I任务管理函数建立的多任务，可同时在处理器上运行，达到多路IGBT热疲劳实验并行分时地执行，以提高测试效率。
【权利要求】
1.1GBT热疲劳测试系统，其特征在于:本发明提供的硬件结构包括:微处理器(101)、系统供电电源(102)、液晶显示电路(103)、AD转换电路(104)、DA转换电路(105)、多路温度采集电路(106)、多路继电器切换电路(107)、信号放大电路(108)、被测模块(109);系统供电电源(102)与微处理器(101)相连为整个系统供电；被测模块(109)与多路继电器切换电路(107)连接，多路继电器切换电路(107)的输出端连接到AD转换电路(104)，AD转换电路(104)的输出端连接到微处理器(101);微处理器(101)与控制栅压的DA转换电路(105)连接，DA转换电路(105)的输出端接至信号放大电路(108)，信号放大电路(108)的输出值送入被测模块(109);微处理器(101)与多路温度采集电路(106)连接，多路温度采集电路(106)与被测模块(109)相连用于测试温度；用于显示测试信息的液晶显示电路(103)与微处理器(101)连接。所述的微处理器(101)采用STM32F103ZER6单片机。
2.根据权利要求1所述的IGBT热疲劳测试系统，其特征在于:DA转换电路(105)选用DAC7512 芯片，12 位精度，DBV R-PDSO-G6 封装。
3.根据权利要求1所述的IGBT热疲劳测试系统，其特征在于:多路温度采集电路(106)采用了DS18B20作为温度传感器，精度可调。
4.根据权利要求1所述的IGBT热疲劳测试系统，其特征在于:系统供电电源(102)，内部采用DC/DC电源模块，为系统提供5V/3.3V/±12V供电电压，为DA转换电路(105)，AD转换电路(104)、液晶显示电路(103)和被测模块(109)供电。
5.根据权利要求1所述的IGBT热疲劳测试系统，其特征在于:多路继电器切换电路(107)采用了8个欧姆龙继电器G6S2-12VDC作为切换开关，控制总线上的数据分时传输。
6.根据权利要求1所述的IGBT热疲劳测试系统，其特征在于:被测模块(109)选用美国IR公司的IRGP50B作为测试芯片。
7.根据权利要求1所述的IGBT热疲劳测试系统，其特征在于:液晶显示电路(103)选用TFTLCD液晶显示屏，分辨率320*240。
8.根据权利要求1所述的IGBT热疲劳测试系统，其特征在于:微处理器(101)选用STM32F103ZER6作为控制芯片，可在线进行编程，使用片内512KByte的FLASH作为程序存储器，并集成多个ADC12模块，实现信号模拟到数字的转换。
【文档编号】G01R31/26GK104316857SQ201410602370
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月31日 优先权日:2014年10月31日
【发明者】陈君, 张小玲, 谢雪松, 田蕴杰, 李嘉楠, 哈悦 申请人:北京工业大学