一种SiC功率器件应用特性测试平台的制作方法

本发明属于电气测试技术领域，具体涉及一种sic功率器件应用特性测试平台。

背景技术：

功率半导体器件是电力电子变流器中的基础有源元器件，是组成电力电子装置的最基本元素。开关电源、新能源并网、机车牵引、电磁弹射等电力电子应用场合的不断发展为功率半导体器件的应用提供了广阔的空间。至今，硅基功率器件已经发展到了相当成熟的地步。为了进一步实现人们对高频、高温、高功率密度等具有理想特性功率器件的追求，越来越多的功率器件研究工作转向了新型半导体材料的功率器件。其中，尤以碳化硅(sic)等宽禁带材料功率器件的研究最为活跃。宽禁带半导体材料具有高的禁带宽度、高的饱和电子漂移速度、高的击穿强度和低的介电常数等特点，这些物理特性决定了sic在高温、高频、高功率应用场合是极为理想的半导体材料。宽禁带器件的发展必将给电力电子器件的发展带来又一次革命。其中，sicmosfet是电力电子领域最受重视和最有可能导致新一轮电力电子领域革命的宽禁带半导体器件，是当下电力电子科研工作的研究热点。sic器件将逐步进入风电变流器领域，为风电系统的高高效率、高功率密度和高可靠运行提供了新的发展契机。

大功率变流器作为新能源发电并网之中的重要组成部分，其可靠性显得非常重要。据调查显示，在变流器失效中有34％是由于器件失效所导致。实际工业应用中，为了保证电力电子器件的可靠运行，在选择大容量电力电子器件的额定值时按照实际运行的两倍，出现了大马拉小车的现象。为提高电力电子器件的容量利用率，需要对其应用特性进行测试，进一步掌握其应用特性，从而对其运行裕度进行评估。

目前，功率器件应用特性测试方法又可分为离线测试、准在线测试以及在线测试。

离线测试包括功率循环测试、温度循环测试、开关特性测试、静态参数测试、短路能力测试和强度测试等。其中功率循环测试为主动循环测试，通过对功率器件通入额定电流，使之消耗有功功率从而出现结温的变化。温度循环测试主要通过从外部对功率器件加温，使功率器件的结温出现变化。这两种方法可以获取不同温差δtj应力，不同最高结温tjmax应力下，功率器件的循环次数以及其内部失效规律。静态测试主要是指在功率器件恒定关断或者导通的状态下，对功率器件进行测试及其参数提取。主要包括漏电极-源极导通压降、漏电极电流、阈值电压等。动态测试主要是指在功率器件开关过程中，对功率器件的开关特性进行测试。主要包括开关延迟时间、开关时间、开关损耗等。短路测试主要是指功率器件短路状态下，功率器件所承受的最大电流、短路电流持续时间及短路关断特性。强度测试主要是对功率器件的雪崩耐量进行测试和关断安全工作区进行测试评估。准在线测试主要是测试时使功率器件所承受的电压电流应力、热应力、机械应力等与实际运行工况中功率器件所受应力相当，具有一定的等效参考价值。在线测试主要是在实际运行工况中，提取功率器件的特性。从而增加实际工况中功率的可靠性。

技术实现要素：

针对当前大容量sic器件的动态特性综合测试方法及平台建设主要被半导体器件厂家垄断的客观现状，本发明设计可实现对当前大容量sic器件进行离线测试的系统方案，并在此基础上进行测试设备的设计和搭建工作。

本发明具体为一种sic功率器件应用特性测试平台，所述sic功率器件应用特性测试平台包括硬件测试平台、数据采集示波器、ni数字控制器、高压直流电源和labview上位机监控装置；上述五个部分按各自功能分为三个层次，分别为：控制指令层、数据交换层、硬件运行层；labview上位机监控装置为控制指令层，将测试工况设置及采样设置经通讯接口分别传送给ni数字控制器、数据采集示波器和高压直流电源；ni数字控制器和示波器作为数据交换层，ni数字控制器按照labview上位机指令进行测试器件驱动参数的设置和测试指令的在硬件测试平台上的实施，示波器则按照labview上位机指令采集相应数据；高压直流电源和硬件测试平台作为硬件运行层，高压直流电源负责根据测试工况提供相应的直流电压，用于给测试电路母线电容预充电，硬件测试平台接受控制器控制指令完成测试工作；测试结束后，示波器将采集的数据发送给labview上位机并在电脑中储存。

进一步的，sic功率器件应用特性测试平台的硬件电路具体包括高压直流电源(0)、第一高压继电器(1)、防反二极管(2)、充电电阻(3)、快速放电电阻(4)、第二高压继电器(5)、慢放电阻(6)、分压电阻(7)、高压电缆(8)、模拟电压表(9)、电压采样电路(10)、均压电阻(11)、缓冲电容(12)、母线电容(13)、母排(14)、电感(15)、接地电阻(16)、辅电板(17)、驱动板(18)、待测器件(19)、散热器(20)、油温加热装置(21)、同轴电阻(22)、电流源(23)、驱动信号分发板(24)、ni数字控制器(25)、路由器(26)、示波器(27)、光猫(28)和电脑；所述高压直流电源(0)的两端分别连接到两条高压电缆(8)，所述高压直流电源(0)的正极通过第一高压电缆(8)分别依次连接到第一高压继电器(1)、防反二极管(2)、充电电阻(3)、快速放电电阻(4)的第一端、慢放电阻(6)的第一端、分压电阻(7)的第一端、模拟电压表(9)的正极端、电压采样电路(10)的第一端，所述快速放电电阻(4)的第二端连接到第二高压继电器(5)的第一端；所述高压直流电源(0)的负极通过第二高压电缆(8)分别依次连接到第二高压继电器(5)的第二端、慢放电阻(6)的第二端、分压电阻(7)的第二端、模拟电压表(9)的负极端、电压采样电路(10)的第二端；所述模拟电压表(9)包括串联连接的两个电压表，所述高压直流电源(0)的负极还通过接地电阻(16)进行接地；两条高压电缆(8)分别连接到两条母排(14)，均压电阻(11)、缓冲电容(12)、母线电容(13)均连接在两条母排(14)之间，且均压电阻(11)、缓冲电容(12)、母线电容(13)均包括串联连接的两个；电感(15)的第一端连接到第一母排，第二端连接到两条母排的中点；所述待测器件(19)的两端分别连接到两条母排，且所述待测器件(19)包括串联连接的两个器件；母线电容(13)的第二端和待测器件(19)的第二端之间还连接有同轴电阻(22)；电感(15)的第二端还连接到一个驱动板(18)，该驱动板(18)还连接到一个辅电板(17)和一个待测器件(19)；同轴电阻(22)还连接到另一个驱动板(18)，该驱动板(18)还连接到另一个辅电板(17)和另一个待测器件(19)；两个辅电板(17)均连接到电流源(23)，所述另一个驱动板(18)还连接到驱动信号分发板(24)；所述驱动信号分发板(24)通过网线连接到ni数字控制器(25)，所述ni数字控制器(25)还连接到散热器(20)和油温加热装置(21)，所述散热器(20)和所述油温加热装置(21)均包括两个；所述ni数字控制器(25)还通过网线连接到路由器(26)，所述路由器(26)还通过网线连接到高压直流电源(0)、示波器(27)和光猫(28)，所述光猫(28)连接到电脑。

进一步的，所述高压继电器的型号为g81bb57，其工作电压10kv，工作电流5a，线圈工作电压26.5vdc，线圈电阻290ω；为保证设备的高度可靠，采用2只高压继电器并联的连接方式，其中一只作为热备份使用。

进一步的，所述防反二极管选型为2cl10kv/5a，额定电压为10kv，额定电流大小5a，且防反二极管采用两串两并方式。

进一步的，所述充电电阻采用2个1000w，2kω并联，型号为rxg13-1000w-2kω-j。

进一步的，所述快速放电电阻选用15kω，6kw的绕线电阻六只三串两并，选型为rxg13-1000w-10kω-j。

进一步的，所述慢放电阻最终选型为ri83a-150w-2mωj四只并联。

进一步的，所述母线电容采用四串四并的连接方式，最终容值为0.38mf，工作电压为12kv。

进一步的，为保证各电容间的电压分布，需在电容两端并联均压电阻，均压电阻采用玻璃釉电阻，其特点是阻值大，设计阻值为100mω，漏电流为0.1ma，功率为1w；型号为ri83a-30w-100mωf，采用两串两并连接方式。

进一步的，所述电感的最小值约束为最大值约束为

附图说明

图1为本发明的整体结构连接示意图。

图2为母线电容向负载电感充电引起电压跌示意图。

图3为电感续流阶段等效电路图。

图4为电感充电等效电路图。

图5为同轴电阻示意图。

图6为双脉冲测试时序图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明sic功率器件应用特性测试平台包括硬件测试平台、数据采集(示波器)、ni数字控制器、高压直流电源、labview上位机监控。测试平台结构五个部分按各自功能可分为三种层次，分别为：控制指令层、数据交换层、硬件运行层。labview上位机监控为控制指令层，将测试工况设置及采样设置经通讯接口分别传送给ni数字控制器、数据采集(示波器)和高压直流电源。ni数字控制器和示波器作为数据交换层，ni数字控制器按照labview上位机指令进行测试器件驱动参数的设置和测试指令的在硬件测试平台上的实施，示波器则按照labview上位机指令采集相应数据。高压直流电源和硬件测试平台作为硬件运行层，高压直流电源负责根据测试工况提供相应的直流电压，用于给测试电路母线电容预充电，硬件测试平台接受控制器控制指令完成测试工作。测试结束后，示波器将采集的数据发送给labview上位机并在电脑中储存。

如图1所示，本发明主电路拓扑主要包括功率电路部分和测试电路部分。功率电路部分的功能是提供母线电压，为测试电路提供相应功率。功率电路主要部分可分为：高压直流电源、充放电开关、充放电电阻、电容组。(1)供电源为高压直流电源，最高输出电压10kv，最大输出功率8kw。(2)充放电开关使用高压继电器。给电容充电阶段，放电继电器断开，充电继电器闭合，通过充电电阻，供电源给电容充电。(3)放电电阻包含快速放电电阻和慢速放电电阻，快放电阻和放电继电器串联，用于测试完成时快速释放电容能量；慢放电阻直接并联于母排两端，用于释放母排的残余电压以及防止快放通路出现故障母排电能无法释放。(4)电容组是由2串2并的电容组组成。作用支撑直流母线电压，提供双脉冲实验瞬时大电流。测试电路部分的主要功能是通过控制待测sic功率器件的工作状态，模拟实际逆变器运行工况，在此期间提取待测sic功率器件的动态参数(门极电压vgs、漏电极电流ids、漏电极-源极电压vds等)并进行sic功率器件的结温提取等，从而研究分析sic功率器件在实际工况中的动态特性和结温变化情况，提高sic功率器件在实际应用中的可靠性。

1、充电电路

高压直流电源通过充电继电器、防反二极管、充电电阻对直流母线电容进行充电。为实现平台未来测量电压等级的升级，选用高压直流电源最高输出电压为10kv，最大输出电流为0.8a。根据高压直流电源的电压等级和电流等级，可以对充电电路的其他器件进行选型。

1)充电继电器

充电继电器功能是控制高压直流电源对母线电容充电，使得电容达到预充电电压值。要求其阻断电压为10kv，最大工作电流为0.8a。因此选择gigavac公司的高压继电器，型号为g81bb57。器工作电压10kv，工作电流5a，线圈工作电压26.5vdc，线圈电阻290ω，满足设计要求。为进一步保证设备的高度可靠，采用2只高压继电器并联的连接方式，其中一只作为热备份使用。

2)防反二极管

防反二极管防止直流母线瞬时过电压向高压源倒灌能量，起到对电源的保护作用。配合高压继电选型，选择高压二极管额定电压为10kv，额定电流大小5a。同时，为了保证一定的可靠性冗余设计，防反二极管采用两串两并。最终确定选型为2cl10kv/5a。

3)充电电阻

充电电阻起到限制浪涌电流作用。选取1kω/2kw水泥绕线电阻，为了保证可靠连接，采用2个1000w，2kω并联，型号为rxg13-1000w-2kω-j。

在充电过程中，若直接加载到10kv，初始时刻高压源以最大电流0.8a输出，最大瞬时脉冲功率为

p＝i²r＝0.64kw(1)

为额定功率2kw的1/3左右，符合设计要求。

实际充电时间为恒流充电时间和一阶充电时间总和，恒流充电阶段结束为电容电压达到9200v，故时间为：

rc一阶充电结束时间以1％母线电压差为标准，充电时间为：

t2＝-τ·ln(1％)＝-1kω·0.38mf·ln(1％)＝1.75s(3)

总时间为：t＝t1+t2＝4.37+1.75＝6.12s

2、放电电路

放电电路用于实验结束后释放母线电容中的残余电压。放电电路分为快放电路和慢放电路，快放电路由放电继电器，快放电阻组成，慢放电路由慢放电阻直接并联于母线电容两端构成。放电继电器采用和充电继电器一样的型号和连接方式。

1)快放电阻

根据设计，母线电压放电至1％的时间为30s，电阻值为：

ppeak＝6.7kw,ipeak＝0.67a,pave_τ＝2.8kw(τ＝5.7s)(5)

选用15kω，6kw的绕线电阻六只三串两并，选型为rxg13-1000w-10kω-j。

2)慢放电阻

慢速放电电阻用于对母线电容进行慢速放电，以防止在停电，故障等情况下母线电压无法泄放。根据设计，确定母线电压从10kv放电到1％母线电压时间为15分钟，则

电阻最大耗散功率为212w，一个时间常数内电阻的平均耗散功率为92w。采用自然空冷，实际电阻需要考虑足够的功率裕度。电阻选用500kω，功率为600w的玻璃釉电阻，其特点是阻值大，工作电压高。慢放电阻最终选型为ri83a-150w-2mωj四只并联。

由慢放电阻和充电电阻构成的分压电路，慢放电阻分压99％以上，满足设计要求。

3、母线电容

在双脉冲测试阶段中，直流母线充当储能装置向整个负载电路提供能量，由于双脉冲测试消耗的能量少，在这个阶段视母线电压值近似不变。测试完成后，母线电容上的能量通过放电电阻释放。

在第一个脉冲下母线电容对负载电感充电，母线电容上的部分能量将转移到负载电感上，引起母线电压的下跌，式7中v1是对负载电感充电前母线电容的电压，v2是对负载电感充电完成后母线电容的电压，cbus是整个母线电容的容值。

其中，为了保证预充电电压v1和最大电流测试下的测试电压峰值vmax均不会超过待测器件的最高耐压等级vrating，预充电v1的最大值还需满足

直流母线电容值需要满足以下需求：

单管电压1700v，sicmosfet，测试电流1000a。取urating＝1500v，umax＝1300v，l＝0.2mh，计算得出cmin>0.357mf；设计选取电容值为0.38mf。型号选择techcap公司的tc33-387k3000b340spa，其容值为0.38mf，工作电压为3000v，为满足平台未来电压等级拓展需求，采用四串四并的连接方式，最终容值为0.38mf，工作电压为12kv。

为保证各电容间的电压分布，需在电容两端并联均压电阻，均压电阻采用玻璃釉电阻，其特点是阻值大，设计阻值为100mω，漏电流为0.1ma，功率为1w。型号为ri83a-30w-100mωf，采用两串两并连接方式。同时，平台采用模拟电压表实时显示直流母线电压。表头选44c210kv/100ua两只，分别测量5kv。

4、负载电感

如图2所示，双脉冲测试的过程中，第一个开通脉冲，母线电容对负载电感进行充电至测试电流点，此过程中母线电容的部分能量向负载电感转移，造成母线电容电压的下跌。为保证测试电压为指定值，通常需要对母线电容进行充电补偿。

由式8可知，负载电感值影响母线电容的电压下跌量δv(δv＝v1-v2)、负载电流上升率和电感上存储的能量。为了保证待测器件在关断和开通时刻的电流值基本一致，负载电感的选取应尽量偏大，然而负载电感过大时，第一个脉冲δt1的充电时间就会变长。若负载电感的选取过小且续流阶段δt2的时间设置偏长的话，可能会导致待测器件再次开通时，开通电流大大低于额定测试电流。

由以上分析可知，负载电感的选择受到母线电容电压跌落限制以及电感电流跌落限制、电感电流上升速率要求的约束。

设计目标：假设器件最高测试值不超过4800v，预充电电压最高不超过5000v。若考虑到过流测试需求，假设其最大测试电流为400a。

1)最小值约束

在δt2阶段，电感通过二极管进行续流，要求其电流下跌不超过5％测试电流。其续流等效回路如图3所示，忽略线路电阻，电流变化量由二极管正向导通电压决定。

p＝i²r＝0.64kw(10)

所以：

2)最大值约束

在δt1阶段，母线电容部分能量向负载电感转移，造成母线电容电压下跌，约定下跌不超过5％，充电回路如图4所示，忽略线路电阻，根据能量守恒：

由此可得：

电感值太小，会导致充电时间δt1过小，难以精确控制。

综上，将电感选择为500uh。

由此可知，5000v，400a测试条件下，充电时间δt1为40us.母线电压下跌为：21v。无论在任何测试条件下，电感在续流阶段δt2＝40us最大电流下跌(tj＝150℃)为：1.536a。

5、测试设备选择

在进行sic功率器件双脉冲测试平台的实验时，为使记录数据真实可靠，需根据被测信号特点、测量范围和最高等效频率，选择具有合适系统频率和测量范围的测试记录仪器与电压、电流测量设备。

以上升、下降时间45ns为例，其等效频率为

1)示波器的选择与设置

示波器在sic功率器件应用特性测试平台中的作用是记录短时间尺度数据，包括门极驱动电压vgs、漏电极电流ids、漏电极-源极电压vds、二极管电压vd、负载电流il。且示波器需要与电脑上位机labview进行通讯。

选用lecroy公司的hdo6000a四通道数字存储示波器记录电流、电压波形，该示波器带宽为500mhz，能满足记录数据的带宽要求，采样率为2.5gs/s。将示波器与电脑上位机labview通过tcp/ip通讯，通过电脑中labview软件设置示波器触发时刻、采样率、时间尺度，从而示波器可以在正确的时刻捕捉到相应的测试波形。

对于双脉冲测试，二极管的续流时间为40μs，而该示波器横向有10格，因此将时间轴设为8μs/div，这样就能够在示波器上清晰地观察sic功率器件在关断和开通时的完整波形。双脉冲波形的抓取采用单次触发方式，短脉冲干扰屏蔽的触发类型，可以避免由小脉宽的脉冲引起的误触发。由于总测量时间为80μs，根据最大采样率2.5gs/s，则需要采集200k个点，设置为1m个点即可。实验结束后，labview通过tcp/ip接口从示波器中读取数据并存入电脑。通过示波器，可以从测量的波形中得到动态特性参数，比如：关断时间，开通时间，电压上升时间等，判断测试波形是否有误，若波形无误，则可进行下一次测量。

2)电压测试设备选择

平台正常运行过程中，需要测试的电压有多种，其电压范围也不相同，所以需要根据电压范围选择合适的电压测量设备。表1为测量设备与其对应参数以及被测对象名称。

表1电压测量设备

3)电流测试设备选择

由于设计sic功率器件应用特性测试平台额定电流为1000a，因此电流测试设备需要有很宽的测量范围，且在很宽范围内具有良好的线性能力；sic功率器件电流变化率di/dt很高，因此对电流测试设备的动态性能要求非常高，要求其具备很高的带宽。因此，选择同轴电阻测量电流信号。

同轴电阻结构如图5所示，22为金属导体接触，36为导体电阻，32是插入内外导体之间的绝缘薄膜。电流从a端导体接触流入，b端导体接触流出，两者在圆柱体内部电流方向相反，在ab以外和ab以内的区域产生的磁场相互抵消；由于绝缘薄膜足够薄，ab距离足够小，ab之间的空间产生的磁通可以忽略，因此同轴电阻具有很高的带宽。c和d为同轴电阻的输出，其中c和a、d和b分别相连，cd的信号将由bnc接口连入示波器等显示存储设备。

同轴电阻的选型标准包括带宽、电阻值(衰减率)和承受的最大焦耳数(emax)。功率开关器件的电流测试对象是开关电流(脉冲电流信号)，最大焦耳数emax限定了流经同轴电阻所允许的最大电流脉冲，也即流过同轴电阻的脉冲能量不得大于emax，否则会因过热而损坏或性能变差。测试中选择型号为2m-2的同轴电阻，其参数如表2所示。现计算双脉冲测试中流过同轴电阻的脉冲能量是否超过最大焦耳数。

表2同轴电阻参数

如图6所示，在双脉冲测试信号下，负载电感电流波形为il，同轴电阻测量流过sic功率器件的电流记为ids，测量sic功率器件的电流信号脉冲对应的能量损耗为e1c，e2c。其中δt3时间设置为20μs，所以第二个脉冲时间内在同轴电阻上产生的能量e2c计算如下：

代入δt3＝20μs，i1＝i2＝1000a，rcr＝0.02ω，则e2c＝0.4j。

计算e1c时，当漏电极电压最低，负载电感最大，漏电极电流最大时，充电时间t1最长，e1c的值最大。令漏电极电压最小值50v，最大漏电极电流1000a，最大负载电感500μh，假定电压下跌可以忽略，则充电时间t1max为

充电时漏电极电流线性上升，有

则e1c计算如下

因此，同轴电阻中最大脉冲能量不超过66.7j+0.4j＝67.1j，小于同轴电阻的最大焦耳数250j，因此可选用该同轴电阻。采用法兰盘结构安装在母排上。由于同轴电阻阻值非常小(毫欧级)，采集的电压信号也非常小，需要使其良好接地，防止共模噪声电压干扰电阻上的电压信号。

上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。