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大功率IGBT动态参数测试系统

更新时间：2020-10-27

简要描述：

一、大功率IGBT动态参数测试系统主要功能介绍：
1.节省人员：由2人检测改为1人检测。
2.提高效率：*检测提速2倍以上，测试过程无需切换量程，无需人工对比测量值。 
3.可靠性：华科智源科技SMT*检测仪将BOM，坐标及图纸进行完美核对，实时显示检测情况，避免漏检，可方便根据误差范围 对元件值合格值自动判定，对多贴，错料，极性和封装进行方便检查；传统方式*依靠人员把关，容 易出错。

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1范围

华科智源大功率IGBT测试系统，可测试IGBT模块，压接式IGBT，动态特性，开关特性，栅电荷，反向恢复特性等，华科智源大功率IGBT测试系统。

2应遵循的主要现行标准

华科智源大功率IGBT测试系统，IGBT动态参数测试仪，该功率半导体模块测试系统的设计、制造、检查、试验等遵循如下国内标准，但不限于以下标准。
GB 13869-2008 用电安全导则
GB19517-2004  国家电器设备安全技术规范
GB/T 15153.1-1998 运动设备及系统
GB 4208-2008 外壳防护等级（IP代码）（IEC 60529：2001，IDT）
GB/T 191-2008 包装储运图示标志
GB/T 15139-1994 电工设备结构总技术条件
GB/T 2423 电工电子产品环境试验
GB/T 3797-2005 电气控制设备
GB/T 4588.3-2002 印制板的设计和使用
GB/T 9969-2008 工业产品使用说明书总则
GB/T 6988-2008 电气技术用文件的编制
GB/T 3859.3 半导体变流器变压器和电抗器
GB/T 311.1 绝缘配合第1部分：定义、原则和规则
IEC 60747-2/GB/T 4023-1997      半导体器件分立器件和集成电路第2部分:整流二极管
IEC 60747-9:2007/GB/T 29332-2012     半导体器件分立器件第9部分：绝缘栅双极晶体管（IGBTs）

3技术要求
华科智源大功率IGBT测试系统

3.1整体技术指标

3.1.1 华科智源大功率IGBT测试系统功能与测试对象

*1）功能
测试单元具备测试IGBT模块动态参数测试。具体测试参数及指标详见表格。
*2）测试对象
被测器件主要IGBT模块。

3.1.2  IGBT模块动态测试参数及指标

华科智源大功率IGBT测试系统测试单元对IGBT模块和FRD的动态参数及其他参数的定义满足标准IEC60747-9以及IEC60747-2。如有其他需求，可自行定义。
以下参数的测试可以在不同的电压等级、电流等级、温度、机械压力、回路寄生电感以及不同的驱动回路参数下进行。
1）华科智源大功率IGBT测试系统动态测试参数
IGBT的开通和关断波形及其相关参数的定义如图2、图3所示。

                                                  图2 IGBT开通过程及其参数定义

                                                        图3 IGBT关断过程及其参数定义
 
表格2 华科智源大功率IGBT测试系统可测量的IGBT动态参数

参数名称符号参数名称符号
开通延迟时间td(on)关断延迟时间td(off)
上升时间tr下降时间tf
开通时间ton关断时间toff
开通损耗Eon关断损耗Eoff
栅极电荷Qg拖尾时间tz
短路电流ISC//

可测量的FRD动态参数

参数名称符号参数名称符号
反向恢复电流IRM反向恢复电荷Qrr
反向恢复时间trr反向恢复损耗Erec

 
*2）动态测试参数指标
表格4华科智源大功率IGBT测试系统 IGBT动态测试参数指标

主要参数测试范围精度要求测试条件
Vce
集射极电压		50～1500V200～500V±3%±1V；
500～1000V±2%±2V；
2000～1500V±1%±5V；		200～1500V
Ic
集射极电流		50～1000A200～500A±3%±1A；
500～1000A±3%±2A；
1000A～4000A±2%±5A；		200～1000A
Vge
栅极电压		-30V～30V-30～0V±1%±0.1V；
0～+30V±1%±0.1V		-30V～30V
Qg
栅极电荷		400~20000nCIg: 0～50A±3%±0.1mA;400~20000nC
tp
脉冲宽度		10μs～200μs10μs～200μs；
动态测试时需满足在脉宽条件下可得到稳定可测的波形		10μs～200μs
可设定
Rg
栅极电阻		2，3.3，4.7，6.8，10，15，20，
33，47，68		10个阻值，阻值可任意排列组合（便于更换）0～30Ω
L
负载电感值		20μH～2000μH（七档）20μH、50μH、100μH、200μH、500μH、1000μH、2000μH可自动切换；
感值±5%±5uH；
相应感值档需满足对应测试电流能力		20μH～2000μH（七档）
测试回路杂散电感小于150nH小于150nH小于150nH
td(on)、td(off)
开通/关断延迟		10～1000ns10~200±2%±2ns；200~1000±2%±5ns 
tr、tf
上升/下降时间		10～1000ns10~200±2%±2ns；200~1000±2%±5ns； 
Eon、Eoff
开通/关断能量		1～5000mJ1～50mJ±2%±0.1mJ；
50～200mJ±2%±1mJ；
200～1000mJ±2%±2mJ；
1000～5000mJ±1%±5mJ；		 
 

 
表格5 二极管反向恢复测试

主要参数测试范围精度要求测试条件
IFM
正向电流		50～1000A50～200A±3%±1A；
200～1000A±3%±2A；		50～1000A
Vcc
二极管电压		50～1500V200～500V±3%±1V；
500～1500V±2%±2V；		200～1500V
IRM
反向恢复电流		50～1000A50～200A±3%±1A；
200～1000A±2%±2A；		50～1000A
Qrr
反向关断电荷		1～20000μC1～50μC±3%±0.1 μC；
50～200μC±3%±1 μC；
200～1000μC±3%±2 μC；
1000～5000μC±2%±5 μC；
5000～20000μC±2%±10μC；		1～20000μC
trr
反向恢复时间		20～2000ns20~100±3%±1ns；100~500±3%±2ns；
500~2000±2%±5ns；		20～2000ns
Erec
反向关断能量损失		1～5000mJ1～50mJ±3%±0.1mJ；50～200mJ±3%±1mJ；
200～1000mJ±2%±2mJ；
1000～5000mJ±1%±5mJ		1～5000mJ
-di/dt
电流变化率		100～2000A/μs100～2000A/μs100～2000A/μs

 
表格6 IGBT短路测试

主要参数测试范围精度要求测试条件
Vce
集射极电压		200～1500V200～1000V±2%±2V；
1000～1500V±1%±5V；		200～1500V
一次短路电流200～1000A200～500A±3%±1A；
500～1000A±2%±2A；		200～1000A
tp
脉冲宽度		5～50μs5～50μs 典型值10us5～50μs
Vge
栅极电压		10～30V10～+30V±1%±0.1V10～25V

 

3.1.3反偏安全工作区参数及指标

表格7  IGBT安全工作区测试

单脉冲安全工作区测试集电极电压VCE
50V-1500V		50～100V±3%±1V；100～500V±3%±2V；
500～1500V±2%±5V；
集电极电流Ic
20A-2000A		20～100A±3%±1A；100～500A±3%±2A；
500A～2000A±2%±5A；
负载电感（Lload）1mH、10mH、50mH、100mH自动切换
双脉冲安全工作区测试集电极电压VCE
50V-1500V		50～100V±3%±1V；100～500V±3%±2V；
500～1500V±2%±5V；
集电极电流Ic
20A-2000A		20～100A±3%±1A；100～500A±3%±2A；
500A～2000A±2%±5A；
负载电感（Lload）1mH、10mH、50mH、100mH自动切换

3.1.4保护安全功能

本测试单元应具备完善的保护功能，除可有效保护操作人员不受事故伤害外，还在发生故障时不会造成设备自身的较大损坏，通过采取更换小型部件的方式即可修复。保护功能包括但不限于如下功能：

  1. *高压测试前可选低压预测试验证系统安全及连接良好
  2. *完备的人身安全防护
  3. 测试结束电容自动放电
  4. 测试过程中短路保护（非短路测试）
  5. *被测器件防爆保护

 

3.2测试单元组成

本测试单元包括动态参数测试部分，主要组成材料及其要求如下所示。

3.2.1 动态参数测试部分主要材料清单

表格12动态参数测试部分组成

序号组成部分单位数量
1可调充电电源套1
2直流电容器个8
3动态测试负载电感套1
4安全工作区测试负载电感套1
5补充充电回路限流电感L个1
6短路保护放电回路套1
7正常放电回路套1
8高压大功率开关个5
9尖峰抑制电容个1
10主回路正向导通晶闸管个2
11动态测试续流二极管个2
12安全工作区测试续流二极管个3
13被测器件旁路开关个1
14工控机及操作系统套1
15数据采集与处理单元套1
16机柜及其面板套1
17压接夹具及其配套系统套1
18加热装置套1
19其他辅件套1

 

 

3.3主要技术要求

3.3.1 动态参数测试单元技术要求

3.3.1.1 环境条件

  1. 海拔高度：海拔不超过1000m；
  2. 温度：储存环境温度 -20℃～60℃；
  3. 工作环境温度： -5℃～40℃；
  4. 湿度：20%RH 至 90%RH (无凝露，湿球温度计温度: 40℃以下)；
  5. 震动：抗地震能力按7级设防，地面抗震动能力≤0.5g；
  6. 防护：无较大灰尘，腐蚀或爆炸性气体，导电粉尘等空气污染的损害；

3.3.1.2动态参数测试部分主要材料技术要求

1）可调充电电压源
用来给电容器充电，实现连续可调的直流母线电压，满足动态测试、短路电流的测试需求。

  1. 输入电压 380V±10%
  2. 频率 50HZ；
  3. 输出电压 500～1500V可调（可多个电源组成）
  4. 输出电流 10A；
  5. 电压控制精度 1%
  6. 电压调整率 <0.1%；
  7. 纹波电压 <1%；
  8. 工作温度 室温～40℃；
  9. 保护 有过压、过流、短路保护功能。

2）直流电容器
分为支撑电容、储能电容，分别用于补偿充电和实验时的大电流放电，满足动态测试、短路电流、反偏安全工作区的测试需求。至少包含8mF的容量。

  1. 单体电容容量  1mF
  2. 额定电压  1500V
  3. 脉冲电流  1kA  
  4. 工作温度室温～40℃
  5. 工作湿度<70%

3）动态测试负载电感

  1. 电感量 20μH 、50μH  100μH  200μH  500μH  1000μH、2000μH
  2. 电流 通过选择不同档位电感，满足0~1kA电流输出需求（10ms）
  3. 瞬态电压 大于1500V
  1. 负载电感 配备自动切换开关，可分别接通不同电感值，由计算机控制自动接通；自动切换开关参数性能需求与电感要求相匹配。

4）安全工作区测试负载电感

  1. 电感量 1mH 、10mH、50mH、100mH
  2. 电流 通过选择不同档位电感，满足0~20kA电流输出需求（10ms）
  3. 瞬态电压 大于10kV
  1. 负载电感 配备自动切换开关，可分别接通不同电感值，由计算机控制自动接通；自动切换开关参数性能需求与电感要求相匹配。

5）大功率IGBT动态参数测试系统补充充电回路限流电感
限制充电回路中的di/dt。

  1. 电感量   100μH
  2. 电流能力  6000A （5ms）
  3. 瞬时耐压  10kV
  4. 工作温度室温～40℃
  5. 工作湿度 <70%

6）大功率IGBT动态参数测试系统短路保护放电回路
紧急情况下快速放电，保证紧急情况时快速使设备处于安全电位。

  1. 回路耐压  DC10kV
  2. 放电电流  10kA（5ms）
  3. 工作温度 室温～40℃；
  4. 工作湿度 <70%

7）大功率IGBT动态参数测试系统正常放电回路
用于设备正常关机时放电，使设备处于安全电位。

  1. 回路耐压  10kV
  2. 放电电流  50A
  3. 工作温度 室温～40℃；
  4. 工作湿度 <70%

8）大功率IGBT动态参数测试系统高压大功率开关

  1. 电流能力 2000A
  2. 隔离耐压 10kV
  3. 响应时间 150ms
  4. 脉冲电流 20kA（不小于10ms）
  5. 工作方式 气动控制
  6. 工作气压 0.4MPa
  7. 工作温度 室温～40℃
  8. 工作湿度 <70%

9）大功率IGBT动态参数测试系统尖峰抑制电容
用于防止关断瞬态过程中的IGBT器件电压过冲。

  1. 电容容量 200μF
  2. 分布电感 小于10nH
  3. 脉冲电流 2kA  
  4. 工作温度 室温～40℃
  5. 工作湿度 <70%

 11）大功率IGBT动态参数测试系统动态测试续流二极管
用于防止测试过程中的过电压。

  1. 反向电压  8000V(2只串联)
  2. -di/dt大于2000A/μs
  3. 通态电流  1200A
  4. 压降小于1V
  5. 浪涌电流大于20kA
  6. 反向恢复时间小于2μs
  7. 工作温度 室温～40℃
  8. 工作湿度 <70%

12）大功率IGBT动态参数测试系统安全工作区测试续流二极管

  1. 反向电压 12kV(3只串联)
  2. -di/dt 大于2000A/μS
  3. 通态电流 1200A
  4. 压降 小于1V
  5. 浪涌电流 大于20kA
  6. 反向恢复时间 小于2μS
  7. 工作温度 室温～40℃
  8. 工作湿度 <70%

13）大功率IGBT动态参数测试系统被测器件旁路开关
被测安全接地开关，设备不运行时，被测接地。

  1. 电流能力 DC 50A
  2. 隔离耐压 15kV
  3. 响应时间 150ms
  4. 工作方式 气动控制
  5. 工作气压 0.4MPa
  6. 工作温度 室温～40℃
  7. 工作湿度 <70%

14）大功率IGBT动态参数测试系统工控机及操作系统
用于控制及数据处理，采用定制化系统，主要技术参数要求如下：

  1. 机箱：4Μ 15槽上架式机箱；
  2. 支持ATX母板；
  3. CPΜ：INTEL双核；
  4. 主板：研华SIMB；
  5. 硬盘：1TB；内存4G；
  6. 3个5.25”和1个3.5”外部驱动器；
  7. 集成VGA显示接口、4个PCI接口、6个串口、6个ΜSB接口等。
  8. 西门子PLC逻辑控制

15）大功率IGBT动态参数测试系统数据采集与处理单元
用于数据采集及数据处理，主要技术参数要求如下：

  1. 示波器：LeCroy或者泰克
  2. 高压探头：满足表格4-11动态参数、短路电流、安全工作区测试需求
  3. 电流探头：满足表格4-11动态参数、短路电流、安全工作区测试需求
  4. 状态监测：NI数据采集卡
  5. 上位机：基于Labview人机界面
  6. 数据提取：测试数据可存储为Excel文件及其他用户需要的任何数据格式，特别是动态测试波形可存储为数据格式；所检测数据可传递至上位机处理；从检测部分传输的数据经上位机处理后可自动列表显示相应测试数据； 数据处理和状态检测部分内容可扩展

16）大功率IGBT动态参数测试系统机柜及其面板
用于安装固定试验回路及单元；主要技术参数要求如下；

  1. 风冷系统；
  2. 可显示主要电气回路参数及传感器测量值；
  3. 可直观监视试验过程，并可兼容高温摄像头；
  4. 防护等级：IP40。
  5. 面板按钮可以进行紧急操作
  6. 机柜颜色：RAL7035

17）大功率IGBT动态参数测试系统压接夹具及其配套系统

  1. 工作压力范围：5～200kN；分辨率0.1kN
  2. 上下极板不平行度小于20μm
  3. 极板平整度小于10μm
  4. 压力可连续调节，施加压力平稳，不可出现加压时压力过冲
  5. 安全技术要求：满足GB 19517—2009国家电气设备安全技术规范；
  6. 大测试工作电压：10kV（整体设备满足GB 19517—2009标准外，局部绝缘电压应满足测试需求）

18）其他辅件
除上述主要部件以外，动态测试部分还包括：高压开关及其放电回路、电压反馈电路、电容接地限流电阻、限制电流变化率电感、功率回路限流电阻、主回路保护电流取样电流互感器、Qg测试电路等。

华科智源大功率IGBT测试系统，可测试IGBT模块，压接式IGBT，动态特性，开关特性，栅电荷，反向恢复特性等，华科智源大功率IGBT测试系统。

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