功率半导体器件损耗特性的测试平台及测试方法与流程

本发明涉及电力电子和功率半导体器件技术领域，具体地，涉及一种功率半导体器件损耗特性的测试平台及测试方法。

背景技术：

功率半导体器件工作时需要承受较大的电压、电流应力，是电力电子变流器中最昂贵的元件和主要的热源。为了提高变流器的可靠性与经济性，需要对功率半导体器件的热行为以及工作效率进行准确的预测与评估，在这之前，必须获得功率半导体器件在工作状态下的损耗特性。

要获得功率半导体器件在工作条件下准确的损耗特性，需要对器件的开关和导通特性进行提取。但是，要获得具有参考价值的测试结果往往具有挑战性：首先，测试条件应最大程度的接近器件真实的应用环境与运行工况；其次，要减小测试电路中寄生参数所引入的测试误差，并考虑被测器件在多温度、多直流电压、多电流下的工作环境；另外，由于同一型号不同器件个体之间的性能存在一定差异，往往需要对多个器件进行测试，以获得具有统计学意义的性能分布结果。

现有的技术通常采用双脉冲测试电路对功率半导体器件开关特性进行提取，采用i/v曲线量测仪对功率半导体器件导通特性进行提取；这些传统方法存在负载电流不易调节，寄生参数较大，需要在不同设备上分开测量，一次可测器件数少，器件工作状态与实际工况不一致等问题，很难满足上述测试要求。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种能够同时提取功率半导体器件开关和导通损耗特性的测试平台及测试方法。

第一方面，本发明提供一种功率半导体器件损耗特性的测试平台，包括：直流供电模块、被测模块、驱动模块、测量模块以及总控制模块；其中：

所述直流供电模块，用于根据所述总控制模块提供的给定参考电压向所述被测模块提供电能；

所述被测模块包括至少一个被测单元，所述被测单元用于模拟功率半导体器件的工作状态；所述被测单元包括：功率半导体器件所组成的h桥电路或全桥电路，以及所述h桥电路或全桥电路对应的负载模块；

所述驱动模块，用于将所述总控制模块输出的开关状态信号进行功率放大，得到相应的驱动信号，并通过所述驱动信号控制所述被测单元中功率半导体器件的开关状态；

所述测量模块，用于检测所述被测单元中的功率半导体器件及对应的负载模块的电气状态、温度状态；

所述总控制模块，用于向所述直流供电模块提供给定参考电压，向所述驱动模块发送开关状态信号，以及对所述测量模块测得的结果进行分析处理，得到所述被测单元中功率半导体器件的损耗特性。

通过所述测试平台，可以自由调节并精确控制所述被测模块中流经功率半导体器件及负载模块的电流大小。

可选地，还包括：温度调节模块，所述温度调节模块用于根据所述总控制模块给定的温度参考信号和所述测量模块检测到的被测单元的温度状态来调节所述被测单元的温度。

可选地，所述直流供电模块包括：与电网相连的整流电路，或者至少一个直流源；其中：

所述整流电路包括：变压器、整流桥，以及大于或者等于所述被测单元数量的电压输出端口；所述变压器用于对电网的电压进行升降压处理，所述整流桥用于将交流电转化为直流电；所述电压输出端口与被测单元的输入端相连；所述整流桥包括单相整流桥或者三相整流桥；其中：

所述直流供电模块，具体用于根据所述总控制模块提供的给定参考电压自动或者手动调节各个电压输出端口输出的直流电压值。

可选地，所述被测单元中的功率半导体器件包括以下任一或者任多：

基于硅、碳化硅、氮化镓的半导体芯片，

基于模块、压接、分立式封装技术的功率半导体器件；

所述被测单元中的负载模块包括以下任一：

纯电感电路；

电感、电容、电阻、变压器所组成的混合型电阻抗网络。

可选地，所述测量模块包括：温度传感器、电压传感器、电流传感器。

可选地，所述温度调节模块包括：加热或者制冷子模块、温度控制器、散热器；其中，

所述温度控制器具体用于：根据所述总控制模块给定的温度参考信号和所述测量模块检测的所述被测单元的温度状态，通过加热或者制冷子模块，以及散热器对所述被测单元的温度进行调节；所述被测单元的温度状态包括：功率半导体器件节温、壳温、散热器温度以及环境温度在内的一个或多个温度目标。

第二方面，本发明提供一种功率半导体器件损耗特性的测试方法，应用第一方面中任一项所述的功率半导体器件损耗特性的测试平台，所述方法包括：功率半导体器件的开关特性测试方法和/或通态特性测试方法；

功率半导体器件的开关特性测试方法，包括：通过驱动模块对被测单元中的功率半导体器件施加两个开关测试脉冲，在第一个脉冲的下降沿测量所述被测功率半导体器件的关断特性，在第二个脉冲的上升沿测量所述被测功率半导体器件的开通特性；

功率半导体器件的通态特性测试方法，包括：通过驱动模块对所述被测单元中的功率半导体器件施加持续的开通信号，以使所述被测单元处于负载电流续流状态，在该负载电流续流状态下，检测所述功率半导体器件的导通压降特性。

可选地，还包括：获取所述被测单元中功率半导体器件在不同电流条件、电压条件以及温度条件下的开关和导通特性；具体的，

s1：设定所述直流供电模块的目标输出电压值，并通过所述测量模块检测被测单元的直流母线电压，等待所述直流供电模块稳定输出给定参考电压值；

s2：设定所述温度调节模块的目标温度值，并通过所述测量模块检测所述被测单元的温度状态，等待所述被测单元的温度达到给定温度值且达到热平衡；

s3：设定目标测试电流值，所述总控制模块根据检测到的所述被测单元中的负载模块的电流输出开关状态信号，控制所述被测单元中负载模块的真实电流与所设定的目标测试电流值一致；并测试所述被测单元中的一个或多个功率半导体器件的开关特性和通态特性；

s4：按一定的步长改变目标测试电流值；

s5：比较目标测试电流值与所述被测单元预设的测试范围，若目标测试电流值在预设的测试范围内，则返回执行步骤s3，若目标测试电流值不在测试范围内，判断是否需要测试多个测试温度下的开关及导通特性，若是，则执行步骤s6；若否，则执行步骤s7；

s6：改变目标温度值；

s7：比较目标温度值与所述被测单元的预设测试范围，若目标温度值在预设测试范围内，则返回执行步骤s2，若给目标温度值不在预设测试范围内，判断是否需要测试多个直流电压下的开关及导通特性，若是，则执行步骤s8；若否，则执行步骤s9；

s8：改变给定的参考电压值；

s9：比较给定的参考电压值与被测单元的测试范围，若给定的参考电压值在测试范围内，则返回执行步骤s1，若给定参电压值不在被测单元的测试范围，则执行步骤s10；

s10：测试结束。

可选地，所述电流条件包括：被测单元中的功率半导体器件在第一次关断前通过所述功率半导体器件的最大电流；所述电压条件包括：被测单元的直流母线的电压值。

可选地，还包括：

根据检测到的通过所述被测器件两端的电压与通过所述被测器件的电流的乘积对时间进行积分，得到功率半导体器件的损耗。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试平台，可以实现负载电流的双向控制，不仅实现了对被测功率半导体器件损耗特性的循环测试，还可以实现不同电流状态下功率半导体损耗特性的测量。

2、本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试平台，其中的测试电路结构与功率半导体器件常用的电路拓扑结构相近，从而能够更好地进行功率半导体器件的损耗测试，得到的数据更贴近被测器件在实际运行状况下的特性。

3、本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试方法，可实现多个被测器件在多个电压、温度条件下的开关损耗以及通态特性测试。

4、本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试方法，可有效减小所述负载中寄生电容对所述被测器件开关过程的影响，从而得到更准确的开关损耗测试结果。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试平台的结构示意图；

图2为本发明中被测单元的实施例一的结构示意图；

图3为本发明中被测单元的实施例二的结构示意图；

图4为本发明中负载模块的实施例一的结构示意图；

图5为本发明中负载模块的实施例二的结构示意图；

图6为本发明中负载模块的实施例三的结构示意图；

图7为本发明中直流供电模块的实施例一的结构示意图；

图8为本发明中直流供电模块的实施例二的结构示意图；

图9为本发明中直流供电模块的实施例三的结构示意图；

图10为本发明中直流供电模块的实施例四的结构示意图；

图11为本发明中直流供电模块的实施例五的结构示意图；

图12为本发明中温度调节模块的结构示意图；

图13为本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试平台的实施例一的结构示意图；

图14为本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试方法的流程图；

图15为图13中的实施例在给定测试条件下功率半导体损耗特性循环测试的流程示意图；

图16为图15中的实施例在给定测试条件下得到的一个测试周期内的波形示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

图1为本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试平台的结构示意图，根据图1所示，可以包括：直流供电模块1、包含至少一个被测单元的被测模块2、驱动模块3、测量模块5、总控制模块4，或者温度调节模块6。其中，所述直流供电模块1直流输出端口组数与所述被测单元数相同(如图1所示包含n个被测单元，n为大于等于1的整数)，直流供电模块1的输出端口与所述被测单元的直流母线对应相连。所述直流供电模块1能够根据总控制模块4的直流电压参考给定值，改变输出端直流电压。所述被测单元包括由两只桥臂所组成的h桥或全桥电路以及对应的负载模块；其中所述桥臂为功率半导体器件所构成的任意拓扑形式的半桥结构，所述负载模块数目与所述被测单元数目相同，每个负载模块的两端口分别与每个被测单元中两只桥臂的中点相连接。所述驱动模块3接收总控制模块4输出的开关状态信号，并将其功率放大后驱动所述被测单元中的功率半导体器件。所述测量模块5用于检测所述被测单元中的功率半导体器件及负载模块的电气及温度状态；所述总控制模块4，根据所述测量模块5检测到的电气、温度信息进行判断和运算，并提供所述驱动模块3的开关状态信号；或者提供所述直流供电模块1和温度调节模块6的参考给定值。

进一步地，上述测试平台还可根据所述测量模块5检测的温度信息，通过温度调节模块6，控制所述被测单元中功率半导体器件的温度。

图2为本发明中被测单元的实施例一的结构示意图，根据图2所示，所述被测单元包括两条并联桥臂组成的h桥电路，所述桥臂为功率半导体器件所构成的任意拓扑形式的半桥结构(图2中标识为arm1、arm2)；负载模块7的两端口与两桥臂的中点分别相连。图3为本发明中被测单元的实施例二的结构示意图，图3中每条桥臂包括两个同向串联的被测模块2(图3中标识为dut1h、dut1l和dut2h、dut2l)，被测模块2中的功率半导体器件包括：绝缘栅双极型晶体管(igbt)以及与igbt反向并联的二极管(diode)。

图4为本发明中负载模块的实施例一的结构示意图，为纯电感负载；图5为本发明中负载模块的实施例二的结构示意图，为电感、电阻串联负载；图6为本发明中负载模块的实施例三的结构示意图，为电感、电容混合型负载，通过设置负载参数可以减小电感寄生参数对测试结果的影响。

图7为本发明中直流供电模块的实施例一的结构示意图，每个被测单元由独立的可调直流电压源单独供电，且电压源的输出端口与被测单元的直流母线对应相连。图8为本发明中直流供电模块的实施例二的结构示意图，如图8所示，包括一个可调直流电压源向多个被测单元供电。图9为本发明中直流供电模块的实施例三的结构示意图，如图9所示，包括多个交流电源(或电网)、单相或三相整流器，或者可调变压器；交流电压经可调变压器升压或降压后，再经整流器输出特定的直流电压。图10为本发明中直流供电模块的实施例四的结构示意图，与图9所示的直流供电模块不同的是，图10为一个交流电网或电源经多个可调变压器升压或降压后，再经整流器输出特定的直流电压。图11为本发明中直流供电模块的实施例五的结构示意图，与图9所示的直流供电模块不同的是，图11包括一个交流电网(或电压源)、一个可选的可调变压器以及一个整流器，交流电源输出的电压经变换后输出特定的直流电压，同时向多个被测单元供电。其中，所述直流供电模块分为单相模块或三相模块，其中单相模块包括单相交流电、单相变压器以及单相整流桥，三相模块包括三相交流电、三相变压器以及三相整流桥；所述整流桥包括不可控整流桥或可控整流桥。

图12为本发明中温度调节模块的结构示意图，包括：由散热器8、加热或制冷系统9(需要说明的是，本实施例中可以是纯加热系统，也可以是加热系统和制冷系统的综合系统，也可以是单纯的制冷系统)、温度控制器11组成的温度调节模块6；其中，所述温度控制器11根据总控制模块4给定的温度参考值以及测量模块5检测的功率半导体器件温度状态，通过加热或制冷系统9以及散热器8对被测功率半导体器件的温度进行调节；其中，所述被测单元的温度状态包括功率半导体器件节温、壳温、散热器温度以及环境温度在内的一个或多个温度目标。

图13为本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试平台的实施例一的结构示意图；包括一个直流电压源dc、一个被测单元、一个驱动模块、一个总控制模块以及一个测量模块；其中被测单元包括一个h桥测试电路和一个纯电感负载模块l，h桥测试电路包括四个被测功率半导体器件dut1h(可以为igbt_1h或diode_1h)、dut1l(可以为igbt_1l或diode_1l)、dut2h(可以为igbt_2h或diode_2h)、dut2l(可以为igbt_2l或diode_2l)；测量模块5通过六个探头s1h、s1l、s2h、s2l、sl、st分别测量功率半导体器件dut1h、dut1l、dut2h、dut2l、电感负载l、散热片和环境的电气/温度状态，其中所述探头包括电压探头、电流探头、测温探头中的一种或几种。

在功率半导体器件损耗测试平台的基础上，本发明提出了相应的功率半导体损耗测试方法，图14为本发明提供的功率半导体器件损耗特性的测试方法的流程图，获取被测单元中功率半导体器件在不同电流、电压以及温度条件下损耗特性的循环测试方法如下：

s1：设定直流供电模块的目标输出电压值，同时通过测量单元检测被测单元直流母线电压，待直流供电模块稳定输出给定直流电压值时，执行步骤s2；

s2：设定温度调节模块的目标温度值，同时通过测量单元检测被测单元的温度状态，待被测单元的温度达到给定温度值且达到热平衡时，执行步骤s3；

s3：设定目标测试电流值，检测被测单元中的负载电流，通过总控制模块计算并发出特定的开关状态，使得被测单元中负载模块的真实电流与所设定的目标测试电流值一致；之后对被测单元中的一个或多个功率半导体器件开关特性以及通态特性进行循环测试，测试结束后，执行步骤s4；

s4：按一定的步长改变目标测试电流值，执行步骤s5；

s5：比较目标测试电流值与被测单元预设的测试范围，若目标测试电流值在预设的测试范围内，则返回执行步骤s3，若给定测试电流已超出测试范围，则执行步骤s6；

s6：可选的，如需多个测试温度条件下的开关及导通特性，则改变给定的测试温度值，执行步骤s7；

s7：比较给定的测试温度值与被测单元的预设测试范围，若给定测试温度在预设测试范围内，则返回执行步骤s2，若给定测试温度已超出预设测试范围，则执行步骤s8；

s8：可选的，如需多个测试直流电压条件下的开关及导通特性，则改变给定的测试直流电压值，执行步骤s9；

s9：比较给定的测试电压值与被测单元的测试范围，若给定测试电压在测试范围内，则返回执行步骤s1，若给定测试直流电压已超出测试范围，则执行步骤s10；

s10：测试结束；

图15为图13中的实施例在给定测试条件下，功率半导体损耗特性循环测试的流程示意图。图16为根据图15所给出的循环测试流程示意图所获得的一个循环测试周期的波形：包括dut1h的驱动电压、dut1h的集射极电压、通过dut1h的集电极电流以及负载电流；在给定测试条件下多个被测功率半导体损耗特性循环测试方法如下：

s3-1：(t2至t3时刻)igbt_2h、igbt_1l关断，igbt_2l导通，igbt_1h双脉冲驱动，测量igbt_1h开关损耗、igbt_2l通态损耗、diode_1l反向恢复损耗；

s3-2：(t3至t4时刻)igbt_2h、igbt_1l导通，igbt_1h、igbt_2l关断，电感电流恢复；

s3-3：(t4至t5时刻)igbt_1h、igbt_2l关断，igbt_2h导通，igbt_1l双脉冲驱动，测量igbt_1l开关损耗、igbt_2h通态损耗、diode_1h反向恢复损耗；

s3-4：(t5至t6时刻)igbt_1h、igbt_2l导通，igbt_2h、igbt_1l关断，电感电流恢复；

s3-5：(t6至t7时刻)igbt_2h、igbt_1l关断，igbt_1h导通，igbt_2l双脉冲驱动，测量igbt_2l开关损耗、igbt_1h通态损耗、diode_2h反向恢复损耗；

s3-6：(t7至t8时刻)igbt_2h、igbt_1l导通，igbt_1h、igbt_2l关断，电感电流恢复；

s3-7：(t8至t9时刻)igbt_1h、igbt_2l关断，igbt_2h导通，igbt_1l双脉冲驱动，测量igbt_2h开关损耗、igbt_1l通态损耗、diode_2l反向恢复损耗；

s3-8：(t1至t2时刻)igbt_1h、igbt_2l导通，igbt_2h、igbt_1l关断，电感电流恢复，返回继续执行步骤s1。

需要说明的是，本发明提供的所述功率半导体器件损耗特性的测试方法中的步骤，可以利用所述功率半导体器件损耗特性的测试平台中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的测试平台及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的测试平台及其各个装置以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的测试平台及其各项模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。