一种高压功率器件动态特性测试电路及测试方法与流程

本发明涉及电力电子开关特性测试，特别涉及一种高压功率器件动态特性测试电路及测试方法。

背景技术：

1、自上世纪90年代开始，电力电子器件的研究人员就将目光转移到碳化硅(sic)等具有更优电气性能的宽禁带半导体材料上。sic是目前发展最成熟的第三代宽禁带半导体材料，击穿电场强度比硅材料高一个数量级，从而在相同的外延厚度和掺杂浓度下，可以实现更高的击穿电压；载流子的饱和迁移率更高，从而可以在更高的频率下工作；导热性能良好，可以得到更大的功率密度，因而非常适合制作高温、高频、大功率电子器件，并将在电力电子领域得到广泛应用。

2、碳化硅功率器件具有高电压、高温、高频率等特点，在高压直流输电、电力电子变压器、高效率电源、新能源发电、电动汽车、轨道交通等领域具有广泛应用前景。但高压碳化硅mosfet/igbt由于电压高、开关速度快，产生较大的共模噪声和高瞬变电场，给测试设备门极驱动、绝缘设计、信号采集带来较大挑战；由于pn结电场高、短路电流密度大，短路功率远大于硅基igbt，短路承受时间大幅减小，给故障保护带来了极大挑战。

3、mosfet器件的整个产业链包含器件研发、生产、封装和测试等几个产业实现环节。参数测试不仅是mosfet器件投入商业化应用的重要环节，也是研究器件性能的重要手段。根据测试条件不同，sic mosfet被测参数可分为静态参数和动态参数。其中动态参数是指器件开关过程中的相关参数，这些参数会随着开关条件如母线电压、工作电流和驱动电阻等因素的改变而变化。由于sic mosfet器件常被应用于高速开通及关断工作状态下，器件绝大部分失效机理都发生在动态变化过程中，因此动态参数测试对sic mosfet器件很重要，动态参数测试平台既要满足被测器件电压、电流要求，同时又要保证被测器件发生故障时能进行有效的动作以保护测试设备。

4、目前，通用的开关特性测试方法是基于iec60747-8场效应晶体管标准中的典型测试电路进行的双脉冲测试。如图1(a)所示。该测试电路采用二极管钳位的感性负载电路，是mosfet器件常见的应用电路，因此能反映器件在实际应用工况下的开关特性。其驱动控制信号时序简单，方便测量mosfet器件的开关特性。如图1(b)所示，该测试电路的驱动控制时序为双脉冲信号。在第一个脉冲触发后，栅源极电压vgs上升至驱动正向偏置电压vgh，漏源级电压vds下降至通态电压。第一个脉冲期间，直流母线电容器中储存的能量会通过已开通的器件给负载电感充电，以建立待测器件所需的测试电流，负载电感电流il和器件漏极电流id均线性上升，il可表示为：

5、

6、式中，vdc是直流母线电压，l是负载电感值，t是给电感充电的时间，第一个脉冲结束时，t＝t1。

7、第一个脉冲结束后，il通过二极管续流，并开始缓慢衰减。随后，第二个脉冲触发，待测器件再次开通，续流二极管进入反向恢复阶段，il再次流向待测器件，直流电源再次给负载电感充电。直到第二个脉冲结束时，待测器件再次关断。为合理地对比器件开通和关断特性，需尽量确保器件开通后最终稳态电流与关断前初始稳态电流一致。因此，通常在第一个脉冲结束时捕捉器件的关断瞬态特性，而在第二个脉冲开始时捕捉器件的开通瞬态特性。一般情况下，第一个脉冲时间设置较长，以满足测试电流等级要求。第二个脉冲时间t3设置较短，以避免期间电流过高超出器件安全阈值，但必须比器件开通时间长，通常取数倍的开通时间。两个脉冲间隔时间t2也较短，避免续流时间过长，负载电感电流变化过大，导致器件开通后最终稳态电流和关断前初始稳态电流差异过大。但t2最短不能低于器件的关断时间，通常取数倍的器件关断时间。

8、由于碳化硅材料属性的优势，碳化硅器件比硅器件更适合用于高温、高频、高功率的电力电子领域。现有器件测试设备主要是针对硅器件进行设计与开发的，动态测试电压最高才4500v，无法满足高压碳化硅器件的动态测试需求。

技术实现思路

1、为克服现有技术的不足，本发明提供了一种功率器件动态特性测试方法及装置，具体的，是一种高压功率器件动态特性测试方法及装置，本发明针对碳化硅器件高开关速度高耐压等特点，提出采用测试电容级联方式，将多组电容进行串联组成高压测试电源，满足200v—12kv器件动态测试需求，并且每个电容组使用独立的保护单元，在被测器件发生失效能快速切断电容，防止因被测器件失效而导致更严重事故。

2、本发明采用了如下的技术方案：

3、本发明的第一方面提供了一种高压功率器件动态特性测试电路，包括测试电源、负载电感、多个测试切换开关、测试上位机、陪测二极管、高压探头、电流传感器；

4、所述测试电源由多组高压电源串联组成，通过测试使能开关控制所述测试电源的投入和切除；

5、所述负载电感用于在被测器件开通时限制回路电流上升率，保证在一定时间内电流升至设定电流值；

6、所述多个测试切换开关用于被测器件与陪测器件的相互转换；

7、所述测试上位机用于根据输入的测试参数控制各个开关和驱动以实现高压igbt/mosfet器件动态开关测试；

8、陪测二极管包括第一陪测二极管和第二陪测二极管；

9、高压探头用于测试开关过程中被测器件两端的电压；

10、所述电流传感器用于测试电路中的电流。

11、进一步的，高压电源包括受控电压源、充电开关、充电电阻、高压电容、故障保护开关、放电电阻，高压电容为动态测试提供支撑电压和能量，充电完成后充电开关断开，第一故障保护开关和放电电阻串联后再与高压电容并联组成放电支路，在完成测试后或发生故障时第一故障保护开关导通释放高压电容上电能；第二故障保护开关接在高压电容高压端和均压电容高压端之间，正常测试中处于导通状态，当测试电流超过保护设定值时断开，放置高压电容短路放电损坏被测器件或其他元件；均压电容和均压电阻并联后接入该组高压电源的输出端，用于平衡功率器件动态测试过程中各组电源的电压。

12、进一步的，还包括多个测试使能开关，用于控制测试电压。

13、进一步的，当第二测试切换开关闭合第四测试切换开关断开时，第一被测器件为被测器件，第二被测器件为陪测器件；当第四测试切换开关闭合第二测试切换开关断开时，第二被测器件为被测器件，第一被测器件为陪测器件。

14、进一步的，第一测试切换开关和第三测试切换开关为短路测试切换开关，第一测试切换开关闭合时测试第一被测器件短路，第三测试切换开关闭合时测试第二被测器件短路。

15、进一步的，第一陪测二极管开关和第一陪测二极管串联后与第一被测器件并联，第一陪测二极管开关闭合时第一陪测二极管用作第二被测器件的陪测二极管；第二陪测二极管开关和第二陪测二极管串联后与第二被测器件并联，第二陪测二极管开关闭合时第二陪测二极管用作第一被测器件的陪测二极管。

16、进一步的，第一被测器件和第二被测器件各有一个高压探头。

17、本发明还涉及一种高压功率器件动态特性测试方法，包括如下步骤：

18、步骤s100，测试第一被测器件是否短路，测试控制上位机根据设置电压控制四个受控电压源，达到设定值；

19、步骤s200，闭合测试开关，闭合第一测试切换开关，其他测试切换开关保持断开状态；

20、步骤s300，根据受控电压源的接入情况闭合相应的测试使能开关，其他测试使能开关保持断开状态；

21、步骤s400,测试控制上位机控制驱动发出一定时长的开关脉冲，被测器件工作时高压探头和电流传感器分别记录器件两端的电压和电流。

22、进一步的，还包括：步骤s500，如测试中出现故障则通过闭合故障保护释放能量,同时延时切断故障保护开关断开电源和被测器件连接。

23、与现有技术相比，本发明的技术方案能够实现如下有益的技术效果：

24、1、本发明的测试电路使用多个切换开关配合，实现测试端口和陪测端口相互转化；测试装置含大电流快速保护，保证测试安全。

25、2、本发明的测试电路，可以实现200v—12kv器件开通、关断、短路、反偏安全工作区以及二极管反向恢复过程的高压大容量、宽范围、安全测试。

26、3、本发明的测试电路所采用的测试电源，是4组高压电源串联，每个电源内的元件耐压均可采用3kv(也可拓展至更高电压)，降低了元件的耐压等级，故障保护开关也可采用耐压3kv器件，降低了装置成本同时提高设备的安全性。