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一种 半导体器件的功率循环测试系统

阅读：349发布：2020-07-30

专利汇可以提供一种半导体器件的功率循环测试系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开一种半导体器件的功率循环测试系统。功率循环测试系统包括：控制器、驱动器、至少一条测试支路、直流电源和水冷器，每条所述测试支路包括一个测试支路开关、与测试支路开关串联的若干待测半导体器件，且各个待测半导体器件串联连接。本发明提供的功率循环测试系统可通过有效地利用一条被测支路的降温时间来对其他被测支路的器件进行加热，待测半导体器件的数量较多，能够极大地提高功率循环测试系统的测试效率。同时，由于本发明提供的功率循环测试系统设置有多条并联的测试支路，因此，用户可以根据实际需求进行多种测试功能的切换，可对不同厂家或型号的器件在同一测试条件下进行对比测试。，下面是一种半导体器件的功率循环测试系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种半导体器件的功率循环测试系统，其特征在于，所述功率循环测试系统包括：控制器、驱动器、至少一条测试支路、直流电源和水冷器，其中，
每条所述测试支路与所述直流电源连接形成闭合回路，所述直流电源用于给所述测试支路提供恒定电流；
每条所述测试支路包括：一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测半导体器件，且各所述待测半导体器件串联连接；
所述控制器与驱动器连接，所述控制器用于生成各所述测试支路开关的脉冲信号；
所述驱动器与各所述测试支路开关连接，所述驱动器根据各所述脉冲信号生成对应的测试开关驱动脉冲，所述测试开关驱动脉冲用于驱动对应的所述测试支路开关；
所述水冷器对应所述测试支路设置，所述水冷器用于冷却各所述待测半导体器件。
2.根据权利要求1所述的功率循环测试系统，其特征在于，每一时刻有且仅有一个测试支路开关导通，且在一个功率循环测试周期内，各个所述测试支路开关均导通一次。
3.根据权利要求1所述的功率循环测试系统，其特征在于，各所述测试支路开关的导通时间均为T/n，且各所述测试支路开关的测试开关驱动脉冲的相位依次超前或者滞后T/n，其中，T表示功率循环测试周期，n表示测试支路的条数。
4.根据权利要求1所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述功率循环测试系统还包括分流支路，所述分流支路与所述测试支路并联。
5.根据权利要求4所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述分流支路包括分流开关。
6.根据权利要求5所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述功率循环测试系统还包括电源电流传感器，其中，
所述电源电流传感器与所述直流电源串联，所述电源电流传感器用于检测所述直流电源的输出电流；
所述控制器与所述电源电流传感器连接，所述控制器用于根据直流电源的输出电流及当前导通的测试支路开关对应的测试支路的期望电流调节所述分流支路的电流。
7.根据权利要求6所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述功率循环测试系统还包括与所述控制器连接的分流支路电流传感器，所述分流支路电流传感器设置在所述分流支路中，所述分流支路电流传感器用于检测所述分流支路的电流。
8.根据权利要求1所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述功率循环测试系统还包括分别与控制器连接的负载电流传感器和负载电压传感器，其中，
所述负载电流传感器用于检测流过所述待测半导体器件的电流；
所述负载电压传感器用于检测所述待测半导体器件两端的电压；
所述控制器用于
获取所述测试支路对应的测试支路开关处于导通状态时，流过所述待测半导体器件的负载电流和所述待测半导体器件两端的负载电压；
获取所述待测半导体器件的初始结温、结温-饱和压降关系曲线及所述测试支路上的测试支路开关处于断开状态时，所述待测半导体器件两端的饱和压降；
根据所述负载电压和所述负载电流确定所述待测半导体器件的功率损耗；
根据所述结温-饱和压降关系曲线及所述饱和压降确定所述待测半导体器件的实时结温；
根据所述初始结温、所述实时结温及所述功率损耗确定所述待测半导体器件的瞬态热阻抗曲线；
根据所述瞬态热阻抗曲线确定所述待测半导体器件的积分结构函数和微分结构函数；
根据所述积分结构函数和微分结构函数确定所述待测半导体器件的热阻和热容以确定所述测半导体器件的老化程度。
9.根据权利要求1所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述功率循环测试系统还包括分别设置在所述水冷器的进出口和出水口处的温度传感器。
10.根据权利要求1所述的功率循环测试系统，其特征在于，所述功率循环测试系统还包括设置在所述测试支路中的压力传感器，当所述待测半导体器件为压接型半导体器件时，所述压力传感器用于实时测量所述待测半导体器件的压力值。

说明书全文

一种半导体器件的功率循环测试系统

技术领域

[0001] 本发明涉及半导体器件可靠性测试领域，特别是涉及一种半导体器件的功率循环测试系统。

背景技术

[0002] 功率半导体器件在电力系统中的应用越来越广泛，目前全世界至少60％以上的电能均由它来控制，未来在全球能源互联网的趋势下，随着大规模新能源发电并网和电动汽车等移动不可预测负荷接入电网，这一比例将大大上升。因此，对于功率半导体器件的研究工作也成为近些年的热点，尤其是高电压大功率半导体器件。同时，由于交直流电网共存以及新能源的不断涌入，对电网造成一定的冲击，这就对直流电网，尤其是柔性直流输电系统的可靠性提出了更高的要求。以IGBT器件为代表的高压大功率电力电子器件作为整个换流站的核心，其可靠性成为整个系统可靠性的关键。

[0003] 目前应用于柔性直流输电系统的高压大功率半导体器件主要是IGBT器件，同时针对不同应用工况有两种不同的封装形式，一种是常规的焊接式封装，简称为焊接IGBT模块，主要应用于模块化多电平换流器(Modular Multi-level Converter，MMC)结构的换流阀中；另一种是功率密度更大，更易于串联应用的压接型IGBT器件，主要应用于柔性直流系统中的直流断路器中。

[0004] 功率循环测试是功率半导体最重要的可靠性测试之一，也是器件出厂前最核心的可靠性考核，基本测试原理如图1所示，通过给待测半导体器件施加一定的电流使器件升温，然后再切断电流通过水冷系统让待测半导体器件冷却，往复如此进行加热和降温的过程以考核器件封装的可靠性，也称为主动温度循环。功率循环测试实际就是通过近似模拟半导体器件实际运行工况来预测器件长期运行的寿命和可靠性，暴露可能存在的问题以优化器件设计使其达到预定的设计寿命，所以测试设备的精度、效率和可靠性则成为功率循环测试实验最关键的要素。

[0005] 目前针对小功率半导体器件的功率循环测试系统由于待测半导体器件电流等级低，所需要的测试电流小，可以并联测试，单台设备可以同时测试的器件数目最多可达30个(一个待测半导体器件最大50A电流)，所以测试效率相对较高。而针对电力系统和电力机车等高压大电流的应用场合，单个器件的电流达3000A及以上，再通过待测半导体器件的并联测试来提高效率不仅会急剧提高整个测试平台的成本，同时电流源也无法达到相应的测试要求。

[0006] 因此，如何提供一种测试效率较高的大功率半导体器件的功率循环测试系统，成为本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种半导体器件的功率循环测试系统，可通过有效地利用一条被测支路的降温时间来对其他被测支路的器件进行加热，待测半导体器件的数量较多，能够极大地提高功率循环测试系统的测试效率。同时，由于本发明提供的功率循环测试系统设置有多条并联的测试支路，因此，用户可以根据实际需求进行多种测试功能的切换，可对不同厂家或型号的器件在同一测试条件下进行对比测试。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

[0009] 一种半导体器件的功率循环测试系统，所述功率循环测试系统包括：控制器、驱动器、至少一条测试支路、直流电源和水冷器，其中，

[0010] 每条所述测试支路与所述直流电源连接形成闭合回路，所述直流电源用于给所述测试支路提供恒定电流；

[0011] 每条所述测试支路包括：一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测半导体器件，且各所述待测半导体器件串联连接；

[0012] 所述控制器与驱动器连接，所述控制器用于生成各所述测试支路开关的脉冲信号；

[0013] 所述驱动器与各所述测试支路开关连接，所述驱动器根据各所述脉冲信号生成对应的测试开关驱动脉冲，所述测试开关驱动脉冲用于驱动对应的所述测试支路开关；

[0014] 所述水冷器对应所述测试支路设置，所述水冷器用于冷却各所述待测半导体器件。

[0015] 可选的，每一时刻有且仅有一个测试支路开关导通，且在一个功率循环测试周期内，各个所述测试支路开关均导通一次。

[0016] 可选的，各所述测试支路开关的导通时间均为T/n，且各所述测试支路开关的测试开关驱动脉冲的相位依次超前或者滞后T/n，其中，T表示功率循环测试周期，n表示测试支路的条数。

[0017] 可选的，所述功率循环测试系统还包括分流支路，所述分流支路与所述测试支路并联。

[0018] 可选的，所述分流支路包括分流开关。

[0019] 可选的，所述功率循环测试系统还包括电源电流传感器，其中，[0020] 所述电源电流传感器与所述直流电源串联，所述电源电流传感器用于检测所述直流电源的输出电流；

[0021] 所述控制器与所述电源电流传感器连接，所述控制器用于根据直流电源的输出电流及当前导通的测试支路开关对应的测试支路的期望电流调节所述分流支路的电流。

[0022] 可选的，所述功率循环测试系统还包括与所述控制器连接的分流支路电流传感器，所述分流支路电流传感器设置在所述分流支路中，所述分流支路电流传感器用于检测所述分流支路的电流。

[0023] 可选的，所述功率循环测试系统还包括分别与控制器连接的负载电流传感器和负载电压传感器，其中，

[0024] 所述负载电流传感器用于检测流过所述待测半导体器件的电流；

[0025] 所述负载电压传感器用于检测所述待测半导体器件两端的电压；

[0026] 所述控制器用于

[0027] 获取所述测试支路对应的测试支路开关处于导通状态时，流过所述待测半导体器件的负载电流和所述待测半导体器件两端的负载电压；

[0028] 获取所述待测半导体器件的初始结温、结温-饱和压降关系曲线及所述测试支路上的测试支路开关处于断开状态时，所述待测半导体器件两端的饱和压降；

[0029] 根据所述负载电压和所述负载电流确定所述待测半导体器件的功率损耗；

[0030] 根据所述结温-饱和压降关系曲线及所述饱和压降确定所述待测半导体器件的实时结温；

[0031] 根据所述初始结温、所述实时结温及所述功率损耗确定所述待测半导体器件的瞬态热阻抗曲线；

[0032] 根据所述瞬态热阻抗曲线确定所述待测半导体器件的积分结构函数和微分结构函数；

[0033] 根据所述积分结构函数和微分结构函数确定所述待测半导体器件的热阻和热容以确定所述测半导体器件的老化程度。

[0034] 可选的，所述功率循环测试系统还包括分别设置在所述水冷器的进出口和出水口处的温度传感器。

[0035] 可选的，所述功率循环测试系统还包括设置在所述测试支路中的压力传感器，当所述待测半导体器件为压接型半导体器件时，所述压力传感器用于实时测量所述待测半导体器件的压力值。

[0036] 根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

[0037] 本发明提供的半导体器件的功率循环测试系统包括：控制器、驱动器、至少一条测试支路、直流电源和水冷器，其中，每条所述测试支路包括一个测试支路开关、与测试支路开关串联的若干待测半导体器件，且各个待测半导体器件串联连接。可通过有效地利用一条被测支路的降温时间来对其他被测支路的器件进行加热，待测半导体器件的数量较多，能够极大地提高功率循环测试系统的测试效率。同时，由于本发明提供的功率循环测试系统设置有多条并联的测试支路，因此，用户可以根据实际需求进行多种测试功能的切换，可对不同厂家或型号的器件在同一测试条件下进行对比测试。附图说明

[0038] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

[0039] 图1为功率循环测试的原理图；

[0040] 图2为本发明实施例1提供的半导体器件的功率循环测试系统的结构框图；

[0041] 图3为本发明实施例2提供的功率循环测试系统的结构框图；

[0042] 图4为本发明实施例2提供的功率循环测试系统的电路原理图，

[0043] 图5为本发明实施例2提供的测试时序及结温变化的对照图；

[0044] 图6为本发明实施例2提供的待测半导体器件的饱和压降与结温的关系曲线图；

[0045] 图7为本发明实施例2提供的测试支路的电路图；

[0046] 图8为本发明实施例2提供的分流支路的电路图；

[0047] 图9为本发明实施例2提供的待测器件的结构函数随功率循环次数的变化图。

具体实施方式

[0048] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0049] 本发明的目的是提供一种半导体器件的功率循环测试系统，可通过有效地利用一条被测支路的降温时间来对其他被测支路的器件进行加热，待测半导体器件的数量较多，能够极大地提高功率循环测试系统的测试效率。同时，由于本发明提供的功率循环测试系统设置有多条并联的测试支路，因此，用户可以根据实际需求进行多种测试功能的切换，可对不同厂家或型号的器件在同一测试条件下进行对比测试。

[0050] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0051] 图2为本发明实施例1提供的半导体器件的功率循环测试系统的结构框图。如图2所示，一种半导体器件的功率循环测试系统，其特征在于，所述功率循环测试系统包括：控制器101、驱动器102、至少一条测试支路103、直流电源104和水冷器105，其中，[0052] 每条所述测试支路103与所述直流电源104连接形成闭合回路，所述直流电源104用于给所述测试支路103提供恒定电流；

[0053] 每条所述测试支路103包括：一个测试支路开关、与所述测试支路开关串联的若干待测半导体器件，且各所述待测半导体器件串联连接；

[0054] 所述控制器101与驱动器102连接，所述控制器101用于生成各所述测试支路开关的脉冲信号；

[0055] 所述驱动器102与各所述测试支路开关连接，所述驱动器102根据各所述脉冲信号生成对应的测试开关驱动脉冲，所述测试开关驱动脉冲用于驱动对应的所述测试支路开关；

[0056] 所述水冷器105对应所述测试支路设置，所述水冷器用于冷却各所述待测半导体器件。

[0057] 为了进一步提高功率循环测试系统的测试效率，每一时刻有且仅有一个测试支路开关导通，且在一个功率循环测试周期内，各个所述测试支路开关均导通一次。具体地，当设置有n条测试支路103时，各所述测试支路开关的导通时间均为T/n，且各所述测试支路开关的测试开关驱动脉冲的相位依次超前或者滞后T/n，其中，T表示功率循环测试周期。因此，可通过有效地利用一条被测支路的降温时间来对其他被测支路的器件进行加热，待测半导体器件的数量较多，能够极大地提高功率循环测试系统的测试效率。同时，上述测试开关驱动脉冲的时序关系可以保证直流电源在整个功率循环测试过程中直流电流输出的稳定性以及延续性，避免了直流电源的反复开关过程，大大提高了直流电源的寿命和长期运行可靠性。

[0058] 由于待测半导体器件各方面的差异会导致相同的负载电流产生不同的功率损耗或者结温变化，为了提高功率循环测试系统的通用性，为了保证各条测试支路的条件一致，本发明提供的功率循环测试系统还包括分流支路，所述分流支路与所述测试支路并联，通过分流支路来分担多余的电流。具体地，所述分流支路包括两个并联的分流开关。

[0059] 本实施例中，所述功率循环测试系统还包括电源电流传感器和分流支路电流传感器，其中，所述电源电流传感器与所述直流电源串联，所述电源电流传感器用于检测所述直流电源104的输出电流。所述分流支路电流传感器设置在所述分流支路中，所述分流支路电流传感器用于检测所述分流支路的电流。所述控制器101分别与所述电源电流传感器和所述分流支路电流传感器连接，所述控制器101用于根据直流电源104的输出电流及当前导通的测试支路开关对应的测试支路103的期望电流调节所述分流支路的电流。

[0060] 为了克服常规的功率循环测试过程中离线评估的缺陷，本发明提供的功率循环测试系统还包括分别与控制器连接的负载电流传感器和负载电压传感器，其中，[0061] 所述负载电流传感器用于检测流过所述待测半导体器件的电流；

[0062] 所述负载电压传感器用于检测所述待测半导体器件两端的电压；

[0063] 所述控制器用于

[0064] 获取所述测试支路对应的测试支路开关处于导通状态时，流过所述待测半导体器件的负载电流和所述待测半导体器件两端的负载电压；

[0065] 获取所述待测半导体器件的初始结温、结温-饱和压降关系曲线及所述测试支路上的测试支路开关处于断开状态时，所述待测半导体器件两端的饱和压降；

[0066] 根据所述负载电压和所述负载电流确定所述待测半导体器件的功率损耗；

[0067] 根据所述结温-饱和压降关系曲线及所述饱和压降确定所述待测半导体器件的实时结温；

[0068] 根据所述初始结温、所述实时结温及所述功率损耗确定所述待测半导体器件的瞬态热阻抗曲线；

[0069] 根据所述瞬态热阻抗曲线确定所述待测半导体器件的积分结构函数和微分结构函数；

[0070] 根据所述积分结构函数和微分结构函数确定所述待测半导体器件的热阻和热容以确定所述测半导体器件的老化程度。

[0071] 进一步地，所述功率循环测试系统还包括分别设置在所述水冷器的进出口和出水口处的温度传感器。当待测半导体器件为压接型器件时，需要增设一套加压装置给待测半导体器件加压，同时，在所述测试支路中设置有压力传感器，所述压力传感器用于实时测量所述待测半导体器件的压力值。

[0072] 可见，本实施例提供的功率循环测试系统相当于待测半导体器件的微观显微镜，在功率循环测试过程中能够根据用户需求实时反映器件封装结构内部各层封装材料的变化情况。而且由于每一时刻有且仅有一个测试支路开关导通，且在一个功率循环测试周期内，各个所述测试支路开关均导通一次。因此，能够保证同一时刻直流电源电流只流经一条测试支路，其余测试支路处于关断及降温状态，直流电源输出的电流会在不同测试支路中有序切换，从而保证在整个功率循环试验过程中，直流电流的输出保持稳定，有效避免了直流电源的反复开关过程，大大提高了直流电源的寿命和长期运行的可靠性。

[0073] 实施例2：

[0074] 本实施例以90kW/3000A功率循环测试系统和3000A的待测IGBT器件为例进行说明。

[0075] 图3为本发明实施例2提供的功率循环测试系统的结构框图。如图3所示，功率循环测试系统主要包括控制器、电源系统、负载系统、校准系统、测量系统、老化程度评估系统和水冷系统等。其中，电源系统包括直流电源、测量电源和栅极电源，负载系统包括若干条并联的测试支路与一条分流支路，控制器主要执行控制功能和保护功能，包括测试开关驱动脉冲的时序控制、数据处理及系统保护等，各部分相辅相成，共同协作组成高效可靠的高压大功率IGBT器件功率循环测试系统。图4为本发明实施例2提供的功率循环测试系统的原理图，本实施例提供的功率循环测试系统各部分的工作原理如下：

[0076] 1、控制器是整个功率循环系统的“大脑”，连接着功率循环测试系统的各个部分，控制器的主要功能包括时序控制、数据处理与系统保护等。

[0077] 1.1)时序控制：

[0078] 图5为本发明实施例2提供的测试时序及结温变化的对照图。图5的(a)表示各测试支路的导通时序，其中，I1表示第一测试支路流过的负载电流，I2表示第二测试支路流过的负载电流，I3表示第三测试支路流过的负载电流。图5的(b)部分表示各条测试支路上的待测半导体器件的结温变化，其中，T1表示第一测试支路上的待测半导体器件的结温变化，T2表示第二测试支路上的待测半导体器件的结温变化，T3表示第三测试支路上的待测半导体器件的结温变化。在90kW/3000A功率循环测试系统中，直流电源一直稳定输出3000A的直流电流，控制器对负载系统中的三条测试支路中的测试支路开关按照图图5的(a)部分所示的时序进行控制。结合图5的(b)部分可知，能够保证同一时刻直流电源的3000A电流只流经1条测试支路，另外两条测试支路处于关断及降温状态，直流电源输出的电流会在不同测试支路中有序切换，从而保证在整个功率循环试验过程中，直流电流的输出保持稳定，有效避免了直流电源的反复开关过程，大大提高了直流电源的寿命和长期运行的可靠性。

[0079] 当该支路流经电流时间达到预定值Ton需要降温时，则通过控制测试支路对应的测试支路开关将负载电流切换到另一条测试支路，此时该支路的被测器件则处于降温状态，通过外部水冷器将热量带走，3条测试支路交替开通和关断，充分利用被测器件的降温时间对其他支路的待测器件进行加热，能够大大提升测试效率。

[0080] 实际应用中，用户也可以根据实际需要调节测试支路的数量以及分流支路来达到不同的测试要求，如减少被测支路数目或者增加分流支路作为被测支路均可满足不同测试需求。但是，为了保证直流电源输出电流的连续性，至少要保证存在两条支路，如2条测试支路或1条测试支路和分流支路。

[0081] 1.2)控制器中的数据处理单元通过采集测量系统中的数据，按照需求对数据进行处理并通过友好的用户界面呈现在用户面前，例如，利用测量系统采集到的负载电流(Iload)和负载电流下的集电极-发射极压降(Vce(I))可以计算相应的功率损耗PLoss，利用采集到的测量电流下的压降(Vce(m))，结合结温与小电流下饱和压降的关系曲线，就可以换算得到结温Tj。

[0082] 1.3)系统保护关乎整个功率循环系统的安全运行，系统保护分为软件保护和硬件保护，软件保护里设置了很多保护条件，一旦控制系统检测到异常情况存在，便立即通过程序控制关断直流电源并停止试验，硬件保护是在软件保护失效的情况下工作，例如控制器的硬件平台如电脑出现故障导致软件无法工作，硬件保护模块可以通过电气方式关断直流电源并停止试验。

[0083] 2、电源系统为整个功率循环测试系统输入电能，主要包括给负载提供加热电流使待测半导体器件达到指定温升的直流电源、用于间接测量被测器件实时结温的测量电流源和开启待测半导体器件的栅极电流源。

[0084] 2.1)直流电源是功率循环测试的核心，其容量决定功率循环的测试能力和效率，输出电流的能力决定了单个被测器件的电流极限，输出电压决定了串联待测半导体器件的个数。输出电压越高，可串联的待测半导体器件的个数越多，整个电压主要由高温时待测半导体器件的负载电压、器件老化带来的压降以及开关和线路的损耗等构成。

[0085] 功率循环试验开始，向控制器输入试验所需的电流值，直流电源便开始稳定输出直流电流，用于给负载系统中的被测IGBT器件加热，按照图5所示的控制时序控制测试支路一次导通，可以使直流电源输出的稳定的直流电流在不同测试支路之间切换。

[0086] 测量电源主要是用来间接测量被测器件的实时结温，功率循环测试前需要对所有的被测器件在该指定的测量小电流条件下进行器件等效结温与饱和压降的校准，得到器件饱和压降与器件等效结温的关系曲线。

[0087] 2.2)测量电流源是为了建立待测器件的结温-饱和压降关系曲线而设置的，通过结温-饱和压降关系曲线可以间接确定待测半导体器件的实时结温。在功率循环试验之前，可以先通过控制器中的校准单元对所有的待测器件在指定的测量小电流条件下进行器件等效结温与饱和压降的校准，得到器件饱和压降与器件等效结温的关系曲线。图6为本发明实施例2提供的待测半导体器件在测量电流下饱和压降与结温的关系曲线。然后根据图6所示的结温-饱和压降关系曲线，在功率循环测试的过程中将测量待测半导体器件在测量电流作用下的饱和压降换算成对应的结温。测量电流的大小选取需要根据待测半导体器件的类型和电流等级来确定，需要满足两个条件，既不能过大而使器件产生自发热，又不能过小而不能使器件形成稳定的电压降，一般选为待测半导体器件额定电流的1/1000，例如IGBT模块额定电流是500A，那么测量电流可选择为500mA。

[0088] 2.3)栅极电源是0～20V可调电压源，加载在待测半导体器件的栅极以开启待测IGBT器件，使得负载电流和测量电流能够进入待测半导体器件进行相应物理量的测试，可以根据试验条件需求，利用栅极电源对不同被测IGBT的栅极电压进行调整。

[0089] 3、负载系统包括测试支路和分流支路，本实施例设置有三条测试支路和一条分流支路。如图7所示，本实施例的每条测试支路中包括1条用于压接型IGBT器件的测试支路和1条用于焊接式IGBT器件的测试支路，实际测试时用户可以根据需要选择压接型IGBT器件或者焊接式IGBT模块的测试支路。

[0090] 3.1)本实施例中，每条测试支路包括4个待测IGBT器件(DUT)和一个测试支路开关，测试支路开关采用两个大电流的IGBT模块并联，控制器对其进行时序控制来实现对直流电流的开通和关断。待测IGBT器件的数目由直流电源的输出电压决定。实际测试时用户可以根据需要选择压接型IGBT器件测试支路或者焊接式IGBT模块的测试支路。在功率循环测试过程中测试支路开关需要长时间地反复开通和关断，对其可靠性要求非常高，因此，本实施例中的测试支路开关采用两个大电流的IGBT模块并联来实现对直流电流开通和关断的控制。。

[0091] 3.2)分流支路可以灵活调节功率循环测试系统的功能，使得功率循环测试系统功能多样化、定制化，基于PI调节以分流支路电流为调节量可以很好地控制流经被测支路的电流。

[0092] 在测试不同厂商的模块时，模块之间的差异性较大，达到相同结温变化所需的负载电流不同，例如为了使得所有模块结温温升达到60℃，第一测试支路上的待测IGBT模块需要2000A的电流，第二测试支路上的待测IGBT模块只需要1900A，第三测试支路上的待测IGBT模块需要2050A的电流。如果没有分流支路，就需要通过控制器对直流电源进行直接控制，使直流电源在不同测试支路切换时实时调整其输出的直流电流，这会导致直流电源的老化速度加快，可靠性大大降低。引入分流支路后，基于PI控制可以使分流支路流过期望的电流，从而保证直流电源输出稳定的直流电。其具体实现过程为如下：

[0093] 本实施例中，第三测试支路上的待测IGBT模块需要的电流最高，为2050A的电流，因此，控制器控制直流电源输出稳定的2050A的直流电流。通过实时测量流经测试支路的电流和流经分流支路的电流，当直流电源输出的电流被切换到第一测试支路上时，通过控制器中的PI调节器对分流支路的IGBT的栅极电压进行控制，使得分流支路分担50A的电流，同时，分流支路电流传感器将分流支路的电流实时反馈给控制器。同理，当电流被切换到第二测试支路时，对分流支路的IGBT的栅极电压进行控制，使得分流支路分担150A的电流。而电流被切换到第三测试支路时，分流支路关闭不参与分流。

[0094] 同时，分流支路还可作为被测支路介入，需要2倍以上的电流能力，所以如图8所示，本实施例的分流支路包括两个并联的分流开关，即采用2个大电流IGBT模块以保障支路的长期运行可靠性。

[0095] 4、测量系统主要负责功率循环测试过程中待测半导体器件相关参数的采集和数据反馈，反馈到控制器中，为待测半导体器件的老化状态评估和控制保护等提供依据，测量参数主要包括电气参数，热参数和压力参数。测量系统主要包括：负载电流传感器、负载电压传感器、栅极电压传感器、温度传感器、压力传感器。

[0096] 4.1)测量系统在功率循环测试过程需要采集的电气参数主要有：栅极电压(Vge)，负载电流(Iload)，负载电流下的集电极-发射极压降(Vce(I))，负载电压和负载电流可以反馈给控制器用来计算功率损耗P，根据结温-饱和压降关系曲线可以将测量电流下的饱和压降(Vce(m))换算得到相应的结温。

[0097] 4.2)测量系统在功率循环测试过程需要采集的温度信号主要是通过温度传感器采集的水冷器进出水的温度(Tinlet,Toutlet)、待测半导体器件壳体的表面温度(Tc)和待测半导体器件的结温(Tj)。进一步地，本实施例中的温度传感器为热电偶，结温(Tj)是通过测量电流下的饱和压降进行间接换算得到，属于间接测量获得，水冷器进出水的温度(Tinlet,Toutlet)反馈给控制器用于控制水冷器的运行。

[0098] 4.3)本实施例提供的功率循环测试系统还设置有压力传感器，用于实时测量并记录待测压接型IGBT器件在功率循环过程中的压力变化，同时需要记录待测半导体器件的初始压力值。

[0099] 5、本实施例提供的功率循环测试系统中的控制器还能根据结构函数实时评估待测IGBT器件在功率循环测试过程中的老化状态，从而克服常规功率循环测试过程中离线评估的缺陷，在功率循环测试过程中能够根据用户需求实时反映器件封装结构内部各层封装材料的变化情况。

[0100] 进行老化评估时首先需要获得待测半导体器件在降温过程中的瞬态热阻抗曲线：其中，Zth表示瞬态热阻抗。由于获得瞬态热阻抗曲线的实验条件和功
率循环试验的实验条件不同，因此需要暂时暂停功率循环试验，可以设置进行多少次功率循环试验之后自动进行一次瞬态热阻抗测试，例如可以设置为进行1000次功率循环试验之后自动进行一次瞬态热阻抗测试，用于对被测IGBT模块的实时老化状态评估。

[0101] 瞬态热阻抗测试方法有升温法和降温法，本实施例采用降温法，可以克服升温法升温过程中温度波动的问题。瞬态热阻抗的测试过程为：水冷器一直运行，直流电源输出稳定直流电流对待测IGBT器件加热，一段时间之后，待测半导体器件处于稳定状态，即待测半导体器件的结温和壳温稳定，这时测量系统会将采集的待测半导体器件在负载电流下的负载电压反馈给控制器的数据处理单元用于计算功率损耗P，之后断开直流电源，待测IGBT模块在水冷器的散热作用下开始降温，在降温的过程中实时测量待测IGBT模块在测量电流下的饱和压降，根据结温-饱和压降关系曲线换算得到实时结温Tj(t)，这样就可以通过瞬态热阻抗的公式：计算得到瞬态热阻抗曲线。由于瞬态热阻抗曲线反映的是半导体器件内部热量瞬态传递过程，所以需要相对较高的采样率才能确保测量结果的正确性。

[0102] 然后，根据获得的瞬态热阻抗曲线确定能够反映待测半导体器件内部热学信息的积分结构函数和微分结构函数，得到的两个结构函数可以实时地反映待测半导体器件内部各层材料的热阻和热容。

[0103] 图9为本发明实施例2提供的被测半导体器件的结构函数随着功率循环次数的变化对比图。如图9所示，在实际测试过程中可以根据需求设定需要测量瞬态热阻抗曲线的功率循环次数，将其转换为结构函数，并将所有得到的结构函数放在一起对比，就能清楚地看到经过多次功率循环测试后器件内部每层封装材料的变化情况，也能清楚定位器件的老化位置。

[0104] 6、水冷器是一个相对独立的系统，主要用来给待测半导体器件降温，带走器件被直流电流加热时产生的热量，使得待测半导体器件在指定时间内降到指定的温度。由于大功率IGBT器件的损耗比较大，产生的热量巨大，同时功率循环考核时需要的温升变化大，所以对水冷器的要求非常高，需要采用水-水循环方式才能满足相应的降温时间要求，同时需要对水冷器的水冷板进行相应的匹配设计。

[0105] 鉴于目前针对高压大功率IGBT器件功率循环测试系统存在的测试效率和可靠性低等问题，本实施例提出的一种大功率IGBT器件的功率循环测试系统可以同时测试多达12只大功率IGBT器件，通过有效地利用一条测试支路的降温时间来对其他测试支路上的待测器件进行加热，大大提高了待测器件的数量，且对直流电源的保护性强，能够有效提高测试效率和直流电源的利用率和可靠性，还能够利用结构函数实时在线监测和评估待测半导体器件内部各层封装材料的老化情况，及时定位被测器件老化的位置。同时，还可以针对目前最主要的两种不同封装形式的IGBT器件(焊接式IGBT模块和压接型IGBT器件)同时进行对比测试，为柔性直流输电系统可靠性测试服务。

[0106] 而且，本实施例提供的功率循环测试系统的功能多，定制化程度高，配合分流支路和多条测试支路可以根据用户需求进行多种测试功能的切换，可进行不同厂家器件在同一测试条件下的对比测试。由于整个功率循环测试系统的可靠性高，对直流电源的保护性强，非常适用于高压大功率IGBT模块的功率循环测试。

[0107] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0108] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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