大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法。由控制单元、充电单元、主电路单元、保护单元组成，保护技术主要包括利用限流电阻R0、慢放电阻R1和快放电阻R0对充电单元的限流和泄能保护；利用隔离电路和光纤对控制单元的电磁干扰屏蔽保护；利用直流开断保护器件SCR及其触发电路、屏蔽罩和保护二极管D1对主电路单元的调控、绝缘隔离和过压保护。本发明专利技术能实现大容量功率半导体模块绑定线在极限工况下的电爆炸过程再现，解决测试系统的电磁干扰问题及测试过程中单元部件失效安全性问题，实现了电磁干扰屏蔽和出现故障情况时测试人员的安全保护，能够安全可靠地进行铝绑定线电爆炸测试。

【技术实现步骤摘要】
大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法
本专利技术涉及电力电子功率模块可靠性工程
的一种电爆炸测试系统和方法，尤其是涉及一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法。
技术介绍
大容量功率半导体器件是第三次技术革命的代表性产品，是电力电子变换器中电磁能转换与传输的核心部件，被广泛应用于机车牵引、智能电网、航空航天、国防军事等领域。目前工业应用对电力电子变换器的功率等级需求达到了MW级甚至GW级，而现有商用大容量功率半导体模块功率等级难以满足，需要采用多个功率模块串联或并联的方式。同时为了满足变换器功率密度需求，串联或者并联的功率模块布局紧凑，一个功率模块的失效爆炸产生的破损物和火花会危及到相邻的功率模块，严重影响功率变换器的可靠性和生存力。从大量现场事故和研究报告来看，大容量功率半导体模块爆炸普遍被认为是由于半导体芯片对能量失去控制能力之后，因为热聚集引发内部金属材料电爆炸效应而产生的。在功率变换器实际运行过程中由于器件失控或者变换器中的某一器件损坏将会导致出现桥臂直通的现象，此时功率模块中流过的电流为其额定电流的6～8倍，对于大容量功率半导体模块而言，桥臂直通时的短路电流会达到10kA甚至更高，此时大电流产生的焦耳热聚集引发内部金属绑定线电爆炸效应。电爆炸效应是指金属丝在极短的时间内通以很高密度的脉冲电流时，温度急剧升高，由固体变成液体，再到气体，等离子体，并伴随着发光、发热、冲击波、电磁辐射等物理现象。在铝绑定线电爆炸过程中，半导体芯片损毁严重，随即出现功率模块外壳结构失稳和功率母排解列爆裂现象。功率模块的塑料外壳以及硅胶将产生空隙将使得外部空气进入功率模块内部，加上铝绑定线电爆炸产生的高压高温蒸汽柱，功率模块内部压强急剧增大，会引起二次爆炸事故。因此亟需一个极限工况下的电爆炸测试系统模拟实际运行工况中大容量功率半导体模块铝绑定线的电爆炸情况，以探究功率模块绑定线安全边界以及对实际工况下功率模块进行安全性评估。目前来看，脉冲功率技术和保护技术为电爆炸测试系统中最重要的两部分。脉冲功率技术其特点是通过充电的方式先将巨大的能量预存于储能元件中，然后经由快速开关以极高的瞬时功率将该能量于极短时间内释放到上绑定线上完成电爆炸测试。电感储能的储能密度高但效率不高(详见专利号：CN201610245600.3)；电容储能效率较高、重复性好且可靠性高，而电爆炸测试系统需要长期不间断运行且对可靠性要求高，因此可以采用电容储能的方式。目前电容器充电技术比较成熟的有三种：带限流电阻的高压直流电源充电，方案实施简单但效率较低；工频谐振式恒流充电，充电恒流特性好，但电压稳定性不高以致难以适应大功率场合；高频开关变换器充电，适用于大功率场合，但存在较大的材料绝缘和分布参数的问题。考虑到大容量功率半导体模块的应用场景以及整套测试系统操作可靠性问题，上述第一种带限流电阻的高压直流电源充电方法是最常用的。而电爆炸测试系统工作时难免会遇到各种干扰和安全防护的问题，尤其是在高压大电流的工作环境下，功率开关器件和继电器动作、脉冲电容器释放能量和铝绑定线伴有发光、发热、冲击波现象的电爆炸瞬间都容易给信号采集和部件通讯带来电磁干扰问题。此外测试过程中可能会出现的充电异常、开关器件故障、直流开断保护失效的情况，会带来测试系统操作安全问题。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的是提供一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法，在高压大电流的工作环境下，解决测试系统的电磁干扰及测试过程中单元部件失效安全性问题，从而能够安全可靠地进行铝绑定线电爆炸测试。本专利技术的大容量是指功率等级，功率等级为MW级以上甚至GW级。本专利技术所采用的技术方案是：一、一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，包括充电单元、保护单元、主电路单元和控制单元；充电单元，和保护单元、铝绑定线并联连接，充电单元经主电路单元向铝绑定线传输电爆炸所需要的能量；保护单元，将充电单元与主回路单元隔离并对脉冲电容器C0作泄能保护，给充电单元和主回路单元的过电压保护；主电路单元，实施铝绑定线电爆炸测试，并在测试过程中进行测量；控制单元，分别和充电单元、主电路单元、保护单元连接，用于控制充电单元、主电路单元、保护单元的工作。本专利技术的铝绑定线为功率半导体模块中的铝绑定线。所述的充电单元包括高压直流电源Vin、充电继电器K1、模拟电压表、限流电阻R0和脉冲电容器C0；其中，高压直流电源Vin的正输出端与充电继电器K1的一端相连，高压直流电源Vin的负输出端与地相连，充电继电器K1的另一端与限流电阻R0的一端相连，限流电阻R0的另一端作为充电单元的正极，限流电阻R0的另一端与脉冲电容器C0的正极相连，脉冲电容器C0的负极接地，模拟电压表并联在脉冲电容器C0两端；所述的保护单元包括快放电阻R2、快放继电器K2、保护二极管D1、慢放电阻R1和直流开断保护器件SCR；快放电阻R2和快放继电器K2串联后与保护二极管D1、慢放电阻R1一起并联在脉冲电容器C0两端，直流开断保护器件SCR的阳极和充电单元的正极连接，直流开断保护器件SCR的阴极作为保护单元的输出正极，直流开断保护器件SCR的门极连接到控制单元的驱动板；所述的主电路单元包括测试机壳和测量电路；测试机壳包括测试衬板、夹具、托盘、屏蔽罩，铝绑定线通过夹具置于托盘上，托盘放置在测试衬板上，测试衬板外放置罩有屏蔽罩；测量电路包括高压传输线路、罗氏线圈Rogowski、电阻分压器、示波器、高速扫描相机和冲击波传感器；示波器为数字示波器。其中，罗氏线圈Rogowski绕在高压传输线路上，高压传输线路串联连接铝绑定线，铝绑定线所在的高压传输线路上串联有杂散电感Le，电阻分压器连接在铝绑定线的两端，罗氏线圈Rogowski和电阻分压器的输出端通过探头接入示波器，屏蔽罩外布置设有高速扫描相机，冲击波传感器放置于屏蔽罩内测试衬板旁；所述的高速扫描相机通过屏蔽罩开设的光学诊断窗口对铝绑定线进行拍照，用于记录铝绑定线爆炸过程的等离子体柱整体图像；所述罗氏线圈Rogowski用于测量铝绑定线上流经的电流，电阻分压器用于测量铝绑定线两端电压；所述示波器用于记录罗氏线圈Rogowski的电流和电阻分压器的电压波形；所述冲击波传感器用于测量铝绑定线爆炸过程冲击应力的大小。所述控制单元包括电脑、光电转换器、中央控制器和驱动板；电脑依次经电光转换器、光电转换器后和中央控制器相连，光电转换器分别和示波器、充电单元的高压直流电源Vin连接，中央控制器经隔离电路与冲击波传感器相连，中央控制器和驱动板连接，驱动板分别和充电单元的充电继电器K1、保护单元的快放继电器K2、直流开断保护器件SCR的门极连接。具体地，电脑通过网线和电光转换器连接，电光转换器经光纤和光电转换器连接，光电转换器经网线与中央控制器连接，光电转换器经网线和示波器、高压直流电源Vin相连，中央控制器通过光纤和驱动板相连本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于，包括充电单元、保护单元、主电路单元和控制单元；/n充电单元，和保护单元、铝绑定线并联连接，充电单元经主电路单元向铝绑定线传输电爆炸所需要的能量；/n保护单元，将充电单元与主回路单元隔离并对脉冲电容器C0作泄能保护，给充电单元和主回路单元的过电压保护；/n主电路单元，实施铝绑定线电爆炸测试，并在测试过程中进行测量；/n控制单元，分别和充电单元、主电路单元、保护单元连接，用于控制充电单元、主电路单元、保护单元的工作。/n

【技术特征摘要】
1.一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于，包括充电单元、保护单元、主电路单元和控制单元；
充电单元，和保护单元、铝绑定线并联连接，充电单元经主电路单元向铝绑定线传输电爆炸所需要的能量；
保护单元，将充电单元与主回路单元隔离并对脉冲电容器C0作泄能保护，给充电单元和主回路单元的过电压保护；
主电路单元，实施铝绑定线电爆炸测试，并在测试过程中进行测量；
控制单元，分别和充电单元、主电路单元、保护单元连接，用于控制充电单元、主电路单元、保护单元的工作。


2.如权利要求1所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：
所述的充电单元包括高压直流电源Vin、充电继电器K1、模拟电压表、限流电阻R0和脉冲电容器C0；其中，高压直流电源Vin的正输出端与充电继电器K1的一端相连，高压直流电源Vin的负输出端与地相连，充电继电器K1的另一端与限流电阻R0的一端相连，限流电阻R0的另一端作为充电单元的正极，限流电阻R0的另一端与脉冲电容器C0的正极相连，脉冲电容器C0的负极接地，模拟电压表并联在脉冲电容器C0两端；
所述的保护单元包括快放电阻R2、快放继电器K2、保护二极管D1、慢放电阻R1和直流开断保护器件SCR；快放电阻R2和快放继电器K2串联后与保护二极管D1、慢放电阻R1一起并联在脉冲电容器C0两端，直流开断保护器件SCR的阳极和充电单元的正极连接，直流开断保护器件SCR的阴极作为保护单元的输出正极，直流开断保护器件SCR的门极连接到控制单元；
所述的主电路单元包括测试机壳和测量电路；
测试机壳包括测试衬板、夹具、托盘、屏蔽罩，铝绑定线通过夹具置于托盘上，托盘放置在测试衬板上，测试衬板外放置罩有屏蔽罩；
测量电路包括高压传输线路、罗氏线圈Rogowski、电阻分压器、示波器、高速扫描相机和冲击波传感器；其中，罗氏线圈Rogowski绕在高压传输线路上，高压传输线路串联连接铝绑定线，电阻分压器连接在铝绑定线的两端，罗氏线圈Rogowski和电阻分压器的输出端通过探头接入示波器，屏蔽罩外布置设有高速扫描相机，冲击波传感器放置于屏蔽罩内测试衬板旁。


3.如权利要求2所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：
所述控制单元包括电脑、光电转换器、中央控制器和驱动板；电脑依次经电光转换器、光电转换器后和中央控制器相连，光电转换器分别和示波器、充电单元的高压直流电源Vin连接，中央控制器经隔离电路与冲击波传感器相连，中央控制器和驱动板连接，驱动板分别和充电单元的充电继电器K1、保护单元的快放继电器K2、直流开断保护器件SCR的门极连接。


4.如权利要求2所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：
所述直流开断保护器件SCR增加为多个，多个直流开断保护器件SCR间采用串并联的拓扑方法连接。


5.如权利要求2所述的一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统，其特征在于：
所述的驱动板经触发电路和直流开断保护器件SCR的门极连接，所述的触发电路采用强触发保护电路，包括九个电阻R3～R11、两个电容C1～C2、光耦器件P、七个二极管D10～D16、一个NPN器件、一个MOSFET器件以及一个升压比为1:3的变压器T；其中，电阻R3的一端与驱动板的GPIO信号引脚相连，电阻R3的另一端经二极管D10与光耦器件P的正相输...

【专利技术属性】
技术研发人员：李武华，卢倚平，罗皓泽，冒俊杰，杨欢，赵荣祥，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33