半導(dǎo)體器件測試原理和方法課件

1、電力半導(dǎo)體器件的測試安全及原理和方法 7/26/20221測試安全注意事項(xiàng)高壓測試設(shè)備在運(yùn)行過程中會產(chǎn)生高溫高電壓，因此操作不當(dāng)或者防護(hù)不當(dāng)，會影響工作人員的安全。為了測試安全運(yùn)行、保障操作人員的人身安全，必須嚴(yán)格遵守安全規(guī)定。7/26/202221. 測試工作人員要具有強(qiáng)烈的事業(yè)心和工作責(zé)任感，嚴(yán)格執(zhí)行操作規(guī)程。2. 測試工作人員上崗前必須進(jìn)行專門培訓(xùn)，取得上崗證后方能進(jìn)行獨(dú)立操作。3. 測試工作人員進(jìn)入工作崗位必須穿戴好防護(hù)用品。 4測試人員應(yīng)注意防止高溫燙傷，并做好高溫標(biāo)識。7/26/202235. 測試加高壓前，工作人員必須對各種安全聯(lián)鎖裝置進(jìn)行檢查，以確保它們處于有效的工作狀態(tài)。6.

2、 各種系統(tǒng)聯(lián)鎖和安全聯(lián)鎖裝置是為了保障測試能安全可靠運(yùn)行及工作人員的人身安全的，不得隨意改動或短路。7測試時(shí)嚴(yán)禁進(jìn)入標(biāo)有“高壓止步”警示的區(qū)域。8. 測試運(yùn)行時(shí)，發(fā)現(xiàn)異常，應(yīng)立刻停機(jī)，通知維修人員進(jìn)行檢查、維修。9非測試工作人員因工作需要進(jìn)入測試樓，必須遵守本安全規(guī)程，并服從工作人員的指揮，不得觸動設(shè)備上的任何按鍵和開關(guān)，以免發(fā)生意外。7/26/20224概 述 電力半導(dǎo)體器件是由整流二極管（ZP），反向阻斷三極晶閘管（KP），快速整流二極管（ZK），快速晶閘管（KK），非對稱晶閘管（KF），逆導(dǎo)（KN），雙向（KS），可關(guān)斷（GTO/IGCT）等組成。 7/26/20225應(yīng) 用1. 整流

3、把交流電變成直流電2. 逆變 把直流電變成交流電3. 變頻 把一種頻率的交流電變成另一種頻率的交流電或把一種固定頻率的交流電變成可以連續(xù)變化的交流電。例如交流電機(jī)用的變頻器。4. 交流開關(guān) 接通或切斷交流電路5. 直流開關(guān) 接通或切斷直流電路7/26/20226測試原理及方法通態(tài)電壓測試原理圖7/26/20227電路原理當(dāng)K合上，交流220V就加在TB原邊，調(diào)節(jié)TB，變壓器B付邊二極管D1，R1向電容C充電，待C充至一定電壓時(shí)，觸發(fā)K1，被試元件，電容C經(jīng)K1，電感L，被試元件，分流器FL放電。輸出一近似正弦的電流波形，從FL可測得ITM，從被試元件可測得VTM。調(diào)節(jié)TB，使ITM恰好等于被測

4、元件所需電流值，記錄下VTM值，該值就是要測的值。電流脈寬在1 10 ms范圍選擇，以使被測器件完全開通和防止超過器件額定di/dt值。 7/26/20228通態(tài)伏安特性（ITM VTM） 差異僅是通態(tài)峰值電流至額定通態(tài)平均電流值的4、5倍以上；通常我們給出的是Tjm下的，下面給出25和Tjm二條伏安特性。我們知道元件的壓降由三部分組成：PN結(jié)壓降 呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)，體壓降，接觸壓降呈現(xiàn)正溫度系數(shù)當(dāng)Tj升高，I較小時(shí)，PN結(jié)壓降起主要作用，高溫壓降比常溫??；I大時(shí)，體壓降、接觸壓降起主導(dǎo)作用，高溫壓降比常溫大。 因此我們可以看到伏安特性隨結(jié)溫而變化，并且總有一個(gè)交點(diǎn)。 7/26/20229斷態(tài)和

5、反向峰值電流IDRM 、IRRM7/26/202210實(shí)用電路 【斷態(tài)和反向不重復(fù)峰值電壓（VDSM，VRSM）與斷態(tài)和反向重復(fù)峰值電流IDRM、IRRM原理電路等均相似，差異是： 脈沖重復(fù)頻率：單次脈沖，或發(fā)熱效應(yīng)可以忽略的低重復(fù)頻率 】 斷態(tài)和反向峰值電流IDRM 、IRRM7/26/202211220V電源經(jīng)全波可控整流器BR加壓在自耦調(diào)壓器TB原邊（只要KP導(dǎo)通），付邊輸出電壓加在高壓變壓器B的原邊，于是B付邊輸出高壓，此時(shí)波形仍是交流全波。我們利用整流管正向?qū)ǚ聪蜃钄嗵匦?，正向串入D1，反向串入D2，使a點(diǎn)得到正弦半波電壓，調(diào)節(jié)TB就可調(diào)節(jié)此電壓峰值，按定義這波形符合VDRM測試要

6、求，此電壓峰值由D3與電容C組成的峰值保持電路在電容C上就變成等于電壓峰值的直流電壓，由表頭VP顯示。當(dāng)被試元件二端加上VDRM時(shí)，電阻R1上的電壓就反映了流過元件的漏電流，測出R1上的電壓峰值也就測出IDRM，同時(shí)將X接示波器X端，Y接Y端，我們就可看到其斷態(tài)伏安特性。斷開接觸器J1，閉合J2，a點(diǎn)電壓就加在被試晶閘管負(fù)端， 此時(shí)測得的為VRRM值和相應(yīng)的 IRRM，其伏安特性如左圖。線路采用的是轉(zhuǎn)折保護(hù)，當(dāng)元件一旦轉(zhuǎn)折，漏電流急劇增加，此時(shí)脈沖變壓器MB原邊會產(chǎn)生一電壓，付邊也會感應(yīng)出一電壓，此電壓使整流橋BR的KP的門陰極短路，KP元件恢復(fù)阻斷，220V電源斷開，付邊高壓消失，從而保護(hù)了

7、被試元件。其動作時(shí)間為10 ms。7/26/202212IGT、VGT7/26/202213測試條件7/26/202214IGD、VGD7/26/202215IGD、VGD測試7/26/202216IH維持電流7/26/202217IH維持電流測試7/26/202218IL擎住電流7/26/202219IL擎住電流測試7/26/202220斷態(tài)電壓臨界上升率 （電壓上升法）當(dāng)S合上，恒流源就以一恒定直流向電容C充電，電容兩端電壓就以直線上升，形成線性的dv/dt，改變充電電流和電容就改變dv/dt值，即dvc/dt = I/C。二極管D和可調(diào)直流電源UD組成電壓限幅電路，當(dāng)電容電壓充至 UD時(shí)

8、，電容電壓就通過D向UD放電，即保持電容電壓不變，增加dv/dt值至電壓波形突然下降，未降前的dv/dt即為所測值。示波器觀察。 7/26/202221（門極控制）開通時(shí)間（tgt） 調(diào)節(jié)可調(diào)交流電源G，電源電壓經(jīng)D1，R1向C充電，充至測試條件規(guī)定值，在充電電源為負(fù)時(shí)，觸發(fā)脈沖觸發(fā)被試元件，C上電壓通過R2，L，DUT放電，產(chǎn)生振蕩或非振蕩波形。被試元件開通元件二端管壓降下降。觀察RS（標(biāo)準(zhǔn)門極電流的無感電阻器）二端波形就是觀察門極觸發(fā)電流波形，從而可測得td和trr。 7/26/202222 延遲時(shí)間td 由觸發(fā)脈沖上升沿的10%起到陽極電壓下降到峰值的90%所經(jīng)歷的時(shí)間。 上升時(shí)間tr

9、由陽極正向電壓降到峰值 電壓90%起降到10%止所經(jīng)歷的時(shí)間。tgt是在規(guī)定的陽極電壓、通態(tài)電流和門極條件下，由門極脈沖上升沿的10%算起到晶閘管正向陽極電壓下降至最高電壓的10%所經(jīng)歷的時(shí)間間隔。 7/26/202223（電路換向）關(guān)斷時(shí)間 tq 7/26/202224a. 可調(diào)恒流通態(tài)電流，S2，D1，DUT構(gòu)成正向電路，使被試元件流過規(guī)定通態(tài)電流b. 可調(diào)反向電壓的直流E2，DUT，D1，S3，L1，R2構(gòu)成反向關(guān)斷回路。在被試元件流過一定時(shí)間規(guī)定的通態(tài)電流后，S3閉合反向電壓加在被試元件上，使正向電流以一定的-di/dt下降直至反向電流降至零c. 由可調(diào)再加電壓上升率電源Er，S1，C

10、1，D3，E1組成再加斷態(tài)電壓、電壓上升率、再加電壓施加時(shí)間均可調(diào)的電路，詳情同dv/dt電路。改變S1閉合時(shí)間就改變dv/dt施加時(shí)間，緩慢縮短S1與S3時(shí)間，當(dāng)被測元件剛好承受而不轉(zhuǎn)為導(dǎo)通止。E3，R1，S4組成的門極觸發(fā)電路，S4應(yīng)與S2同時(shí)閉合，一旦被試器件完全開通，S4就打開 7/26/202225恢復(fù)電荷 Qr 觸發(fā)裝置輸出一脈沖觸發(fā)被試元件，可調(diào)通態(tài)直流電源ET經(jīng)R1，L1，DUT，無感取樣電阻RS輸出IT，當(dāng)閉合S時(shí)，C1經(jīng)RS，DUT，R2，L2放電，使IT以-dIT/dt下降，直至反向電流最大值IRM，此時(shí)反向電壓ER加在DUT上，反向電流由IR逐漸衰減至零，按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定即可

11、測出trr，Qr。整個(gè)電流波形由RS經(jīng)示波器CRO可觀察。 7/26/202226通態(tài)（不重復(fù)）浪涌電流（ITSM） 7/26/202227原理電路當(dāng)S閉時(shí)，高壓變壓器B1付邊輸出高壓通過整流橋，R1向電容C充電，當(dāng)C充至要求值時(shí)，斷開S，然后觸發(fā)KP1，KP2，DUT，則C通過KP1向低壓大電流變壓器B2原邊放電，B2付邊通過KP2，分流器FL，DUT放電，產(chǎn)生一挖正弦半波底寬約10 ms浪涌電流，B3輸出交流全波電壓，經(jīng)Z1整流為半波電壓加在DUT負(fù)端，時(shí)間恰好為浪涌電流結(jié)束后的半周，調(diào)節(jié)TB1就可按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定調(diào)節(jié)加于被試元件上的反向電壓峰值。 7/26/202228通態(tài)電流臨界上升率 di

12、/dt 7/26/202229由于通常測試大電流器件時(shí)用正弦波，此時(shí)R2可忽略，事業(yè)部實(shí)際也是按LC振蕩電路。交流電經(jīng)D1，R1向C充電，充至所需值，觸發(fā)裝置B輸出一脈沖觸發(fā)DUT，電容C經(jīng)L放電，輸出dI/dt波形。電容、電感可按下式計(jì)算：被試元件做di/dt試驗(yàn)有反壓比無反壓能承受的臨界di/dt要低，標(biāo)準(zhǔn)沒明確規(guī)定，應(yīng)結(jié)合器件實(shí)際運(yùn)行工況確定試驗(yàn)時(shí)有無反壓較為科學(xué)。 7/26/202230熱循環(huán)負(fù)載試驗(yàn)（熱疲勞測試） 本測試是確認(rèn)某些型式晶閘管承受結(jié)溫變化能力的耐久性（壽命）測試。 7/26/202231R1，R2R6為阻值可調(diào)的不銹鋼水冷電阻，被試元件DUT1DUT6用水冷散熱器。當(dāng)觸

13、點(diǎn)J1J6閉合時(shí)，變壓器B1，B2，B3原邊接上三相380 V電源，付邊a0，b0，c0順時(shí)針相位差120輪流得電，當(dāng)A0為正時(shí)DUT1導(dǎo)通，當(dāng)a0為負(fù)時(shí)DUT2導(dǎo)通，調(diào)R1，R2使各回路電流基本一致。檢測殼溫上升到某一溫度時(shí)，斷開J1J6，變壓器B1B3原邊斷電，付邊電流為零。元件通水冷卻，至殼溫降到某一溫度時(shí)，J1J6閉合，元件冷卻水切斷，元件開始通電升溫。升溫冷卻一次算一次循環(huán)，循環(huán)次數(shù)由循環(huán)計(jì)數(shù)器自動記錄。7/26/2022327/26/202233熱阻測試 Rth 測量器件結(jié)到基準(zhǔn)點(diǎn)之間的熱阻。 a. 原理被測器件通以加熱電流，產(chǎn)生損耗功率P，熱平衡時(shí)，由測得的結(jié)溫Tj和基準(zhǔn)點(diǎn)溫度T

14、c，按公式計(jì)算結(jié)殼熱阻。如我們施加兩次不同的加熱功率P1，P2，通過調(diào)節(jié)冷卻條件使兩次結(jié)溫相等，并測得對應(yīng)的基準(zhǔn)點(diǎn)溫度TC1和TC2，則可按下面公式計(jì)算結(jié)殼熱阻。 我們可以這樣推導(dǎo)：當(dāng)通以P1時(shí)，Rjc1 = Tj1 Tc1 / P1 Tj1 = Rjc1 P1 + Tc1當(dāng)通以P2時(shí)，Rjc2 = Tj2 Tc2 / P2 Tj2 = Rjc2 P2 + Tc2如Tj1 = Tj2，Rjc1 = Rjc2 則Rjc P1 + Tc1 = Rjc P2 + Tc27/26/202234S1閉合觸發(fā)裝置B觸發(fā)DUT，被試元件流過直流IDC，此時(shí)S2在2倍表頭指示元件管壓降，加熱電流在DUT上產(chǎn)生

15、的功耗P = IDCVT，待熱平衡，S1斷開切斷加熱直流IDC，同時(shí)使S2轉(zhuǎn)向1位，此時(shí)熱敏電流If流過DUT，Vf表即指示元件熱敏電壓Vf1，與此同時(shí)用LEM公司配套提供的點(diǎn)溫計(jì)，記錄下殼溫Tc1。 7/26/202235然后我們用外加熱辦法加熱DUT，此時(shí)壓機(jī)加熱單元溫度計(jì)指示著元件的殼溫和結(jié)溫。在外加熱時(shí)我們可近似認(rèn)為殼溫和結(jié)溫相等。待溫度穩(wěn)定時(shí)，閉合S1使直流IDC僅僅流通10 ms，S1就斷開，此時(shí)If流過DUT，記錄此時(shí)Vf2，我們總能找出一個(gè)Vf2 = Vf1時(shí)的殼溫Tc2（由于外加熱，P2 = 0）利用公式可算得該元件的結(jié)殼熱阻。這就是LEM Rth 20測試原理和方法。這里介

16、紹的是直流，實(shí)際可是正弦半波或矩形波，這里不再介紹，因?yàn)闃颖窘o出的均是直流熱阻。我們應(yīng)知道的確是直流熱阻最小，矩形波、正弦波稍大，當(dāng)矩形波、正弦波導(dǎo)通角越小時(shí)其熱阻就越大。7/26/202236高溫阻斷 S閉合，調(diào)TB使B付邊輸出交流全波加于被試器件上，表頭V顯示正向峰值電壓，漏電流從R2取樣顯示漏電流的峰值。 7/26/202237高溫阻斷試驗(yàn)本試驗(yàn)適用于產(chǎn)品逐批檢驗(yàn)，周期檢驗(yàn)。 耐久性試驗(yàn)?zāi)康氖强己水a(chǎn)品在規(guī)定的條件下完成規(guī)定功能的能力。 篩選試驗(yàn)的目的是剔除早期失效的產(chǎn)品。 7/26/202238型式試驗(yàn)（周期檢驗(yàn)）2005年KP企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(1).XLS 試驗(yàn)分逐批（A組）檢驗(yàn) 周期（B組）

17、檢驗(yàn) 周期（C組）檢驗(yàn) 正常生產(chǎn)的定型產(chǎn) 品每年至少做一批 鑒定（D組）檢驗(yàn) 產(chǎn)品定型必做的試驗(yàn)7/26/202239LEM測試臺簡介 LEM測試臺是從瑞士LEM（LEMSYS）公司引進(jìn)的一整套硅元件測試設(shè)備，下面按設(shè)備簡單作個(gè)介紹。6.1 LEM4030（LEMSYS8060）tq該設(shè)備可用來檢驗(yàn)KK、KP元件的關(guān)斷時(shí)間tq，它檢測時(shí)的電流電壓波形為： 7/26/202240LEM測試臺簡介4030的含義是電流ITM = 4000A，電壓VDR = 3000 V。8060的含義是電流ITM = 8000A，電壓VDR = 6000 V。如果我們只用IT及t，其余不工作，那么我們就可用來測VT

18、。此時(shí)IT：100 4000 （8000）A，t = 100 2000s可調(diào)，且不論這二參數(shù)如何調(diào)整，VT測量點(diǎn)始終在IT將要下降的這一點(diǎn)即圖示a點(diǎn)。如果我們只用IT及t，加上VRR，其余不工作，加上QRR的計(jì)測單元，那么我們就可用來測元件的反向恢復(fù)時(shí)間trr，IRM，-di/dt，QRR電流下降率-di/dt調(diào)節(jié)為：1.5 300 A/s，VRR的調(diào)節(jié)范圍為：5 200 V。7/26/202241LEM測試臺簡介如果只讓dv/dt部分工作，其余不工作，那么就可檢測元件的dv/dt，此時(shí)dv/dt為：20 2000 V/s，VDR為100 3000（6000） V。如果所有各部分都工作，那么就

19、可測tq。歸納一下4030（8060）tq可測VT，QR（包括QRA、反向峰值電流 IRM, 反向恢復(fù)時(shí)間 t rr ）dv/dt，tq四項(xiàng)，其中dv/dt及tq為動態(tài)參數(shù)。 QR、tr中為IRM與50%，25%，10%的連線。 QRA = 1/2IRMtr，QRR =t0idt，t = 0 100s 7/26/202242 I t rr3-di/dt t rr2 t rr1、 T 0.1 I RM0.25 I RM0.5 I RMI RM7/26/202243差異LEMsys8060tq 與 LEM4030tq 相比在trr 測量上有差異。LEM4030tq 的trr 是0.9 IRM與0.

20、5 IRM或0.25 IRM 或0.1 IRM。LEM8060tq trr 是IRM與0.5 IRM 或0.25 IRM 或0.1 IRM 的連線。后者是符合標(biāo)準(zhǔn)的，因?yàn)楹笳呤怯糜?jì)算機(jī)和軟件對波形進(jìn)行測量，可以做到這一點(diǎn)。另外LEM8060tq 還增加了ta 、tb 和軟度S 等參數(shù)的測量。7/26/202244LEM測試臺簡介LEM00050（ELMSYS00100）stc這是一臺靜態(tài)參數(shù)測試臺，可測10個(gè)項(xiàng)目：IGT、VGT、IH、IL、ID、IR、VD、VR、IGD、VGD。0050的含義就是指VD、VR的電壓最高達(dá)5000伏。00100的含義就是指VD、VR的電壓最高達(dá)10000伏。IGT、VGT：陽極電壓為6 V或12 V，陽極回路電