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單片機開發浪涌電流測試儀內部工作的回顧

2020-11-23

單片機開發反映其過載能力的功率半導體器件的最重要參數是電涌電流，即半正弦形狀的最大允許電流幅度，持續10 ms。增加半導體的功率容量和設計整流器元件直徑為100 mm或更大的設備都需要浪涌電流測試系統，該系統可以形成高達100 kA的電流脈沖。

為了解決這個問題，必須考慮許多要求。首先，在所謂的直流細絲化[1]的預擊穿狀態下，測試樣品兩端的電壓降急劇增加，對于高壓半導體，該電壓降可達到60V。其次，測試儀必須確保電流幅度設置的高精度，因為形成幅度為100 kA的電流脈沖需要在2-3 kA范圍內與設置值絕對偏差。第三，必須考慮到電流脈沖期間產生的巨大動態力，以確保結構剛度。

浪涌電流測試儀如何工作

電壓源1將存儲電容器2充電到大約100V。浪涌電流脈沖形成的開始由同步電路13確定，同步電路13發送命令打開第一和第二開關10和11，將控制命令發送給發電機14產生用于被測半導體器件5的控制信號和參考信號整形器9的觸發脈沖。參考信號整形器9將持續時間為10 ms的適當半正弦波的單個脈沖輸出到同相輸入放大器8的輸出信號。放大器8將信號輸出到N個MOSFET 3的柵極。為了保護晶體管免受超過允許的脈沖功率的擊穿，到柵極的信號電平受電壓限制器12的限制。其持續時間受到第一開關10的限制。與流過第一MOSFET的電流成比例的反饋信號是從其源極中的電阻器4產生的，并反饋到反相輸入放大器8。

由于連接了晶體管3的柵極，并且在晶體管3的源極中包括平衡電阻器4，所以通過每個晶體管3的電流脈沖近似相同并且重復參考信號的形狀。對這些電流脈沖求和導致產生半正弦波沖擊電流脈沖，其從存儲電容器2的正端子流向對準電阻器4，被測試的半導體器件5和分流器（電流傳感器）6。

浪涌電流脈沖的幅度和形狀由測量單元7控制。在浪涌電流脈沖結束后，開關10和11由來自同步電路13的命令閉合。閉合第一開關10形成放大器的本地反饋電路。如圖8所示，在閉合第二開關電路11時，防止其在浪涌電流的脈沖之間的時間中飽和，從而可靠地閉合晶體管3。測試儀具有模塊化設計。每個測試儀單元產生的電流幅度高達3.1 kA。形成3.1 kA電流需要上述240個簡單電流源。所有240個電流源都位于6個電源板上，每個電源板上有40個。電源板的布局如圖5所示。

 

圖5：電源板的布局。

如上所述，該板包含40個簡單的電流源，即40個MOSFET，源電阻器和電解電容器，以及當設備與220V電網斷開連接時的電容器放電元件。每個電源單元包含6個此類板。電源模塊的結構布局如圖6所示。

 

圖6：電源單元的結構布局。圖6：電源單元的結構布局。

從控制模塊收到命令后，電流源在其輸出端會產生100V的電壓。該電壓被饋送到電流源電源板上的存儲電容器和控制模塊以進行測量?？刂颇K單元為電流源生成控制信號，并從其中之一接收電流反饋信號。電流源的功率輸出并聯連接，以對流經測試的半導體樣品的電流求和?？刂颇K中包含的電流調節器是數字PI控制器。測試儀中測試了兩種類型的控制器-一種基于運算放大器的模擬控制器和一種數字控制器。與基于運算放大器的模擬控制器相比，使用數字PI控制算法具有許多重要優勢。

首先，模擬控制器需要一定的時間才能將控制電壓的輸出電壓提高到在每個脈沖之前開始打開晶體管所需的閾值，這意味著必須提前發送同步信號。其次，不可能對調節器的比例積分組件進行操作調整。第三，在電流反饋信號丟失的情況下，電源板上晶體管故障的風險很高。此外，使用數字控制擴展了測試儀的功能，能夠生成各種形狀的電流脈沖，例如梯形，以估算被測晶閘管的導通狀態擴散時間。對于外部通信，測試儀配備有CAN接口和同步輸入以啟動測試。

 

圖7：120 kA浪涌電流測試儀的結構布局

120 kA浪涌電流測試儀的結構圖如圖7所示。該測試儀包含39個相同的單元，其中38個單元形成具有3100A固定幅度的電流脈沖。第三十九個單元形成電流脈沖，其幅度在100 A至3100 A范圍內可調。

測試儀的模塊化設計使其易于增加最大電流幅度。這種可擴展性僅受結構剛度以及由于寄生電阻和電感導致的電源總線上的電壓降的限制。使用帶19英寸電容觸摸屏的HMI單元控制測試儀。該屏幕包括數據輸入和輸出字段以及電流和電壓圖。操作員輸入的所有值均通過所有單元通用的CAN網絡傳輸到主控制和測量單元。

控制單元配置所有39個功率單元/電流源，生成用于測試晶閘管的斷開信號和功率單元的同步脈沖，從而形成電流脈沖。組合的電流脈沖流過電流測量單元和經過測試的半導體器件。電流測量單元是一組帶有三頻放大器的分流器。在測試過程中，控制單元測量設備上的電流和電壓降?？刂茊卧?span>12位AD轉換器允許以1.5％以內的精度測量電流和電壓，而用于在功率模塊之間分配電流設定點的定制算法允許在整個范圍內實現至少2％的設定精度。

為了確保電流調節器的穩定運行，測試儀的電源電路必須具有最小的電感。為了減少整個測試儀中從電源板到主電源總線的所有電源總線的寄生電感，采用了雙線設計。實驗證明，這種方法將整個母線系統的寄生電感和一個夾緊裝置一起降低了1-2μH數量級。圖8顯示了電流脈沖為65 kA時電源總線上的電壓降的波形圖。除了確?？刂破鞯姆€定性外，雙線拓撲還確保了電源電流對測量場的干擾最小。 。

 

圖8：電源總線上的電壓降為65 kA。藍線–電流，黃色–母線電壓，粉紅色–同步脈沖

圖9：破壞半導體結構時被測器件的電壓降。

當電流流過雙線電源總線時，總線之間的磁場線會加在一起，從而導致總線相互排斥。為避免這種情況，在整個長度上每20厘米安裝一條特殊的金屬扎帶，如圖10所示。將母線以固定的間隔固定在電源柜的殼體上，以確保其剛度，如圖11所示。

 

圖10：電源總線的設計。

圖11：將電源總線固定到測試儀外殼。 

浪涌電流測試儀由3個電源柜組成。每個機柜包含13個連接到垂直電源總線的電源單元。此連接如圖12所示。

 

圖12：單元和總線之間的電源連接。

圖13：浪涌電流測試儀的夾緊系統。 

該測試儀配備了用于磁盤半導體的自動夾緊系統。夾緊系統的夾緊力高達100 kN，可在高達200°C的溫度下測試設備。該夾緊系統是一個通過CAN接口控制的獨立單元。它具有一個機電驅動器和滾珠絲杠傳動裝置，可以使放置被測設備的壓力機的工作部分垂直移動。位于夾緊裝置上的力傳感器可以調節夾緊力。夾緊過程不需要操作員的參與，該過程是全自動的。夾緊系統如圖13所示。

表1列出了浪涌電流測試儀的技術參數。 

參數	最大值	單元
半正弦形狀的電流浪涌幅度	120	K a
梯形電流浪涌幅度	16	K a
電流設定精度	2	％
直流電 壓降的測量精度	1.5	％
電流測量精度	1.5	％
電源	380	V
重量	800	公斤
外型尺寸	2262x1384x1202	毫米

 測試儀的浪涌電流與其尺寸的比率最高。電流產生的創新方法和母線的雙線設計使電流脈沖具有理想的半正弦形狀，不僅當被測設備的電壓降從2-3 V變為50-55 V，但也在其破壞的時刻。該測試儀是多功能的，可以測試半導體器件的浪涌電流耐受性，以半正弦和梯形電流形狀在開路狀態下測量直流電壓降，并監視通態區域的擴散。