一种高压大功率器件的高温高湿高压反偏测试系统及其测试方法与流程

1.本发明涉及功率半导体器件可靠性测试领域，具体是一种高压大功率器件的高温高湿高压反偏测试系统及其测试方法。


背景技术：

2.随着柔性直流输电技术以及新能源电力技术的快速发展，其核心电力电子功率器件的可靠性越来越受到人们的重视。尤其是海上风力发电、电动汽车中的功率器件将会处于更加严苛的高温、高湿以及高压的运行环境，对其可靠性测试尤为必要。目前高温高湿高压器件可靠性测试是在高温高湿的环境下，器件源极和漏极通入高压并且通过将mosfet器件的栅极以及源极短接使器件阻断，测量漏电流的变化以此反映器件的老化过程。如国际上通常采用iec标准，是将器件放置于85℃/85%rh的环境下，施加器件最大值80伏的电压值，并且使器件运行1000小时的工况下模拟25年的运行寿命，以此对器件在高温高湿环境的长期可靠性进行考核。通常器件阻断漏电流是反映器件可靠性的重要指标之一，在高温高湿高压的环境下，通常认为器件阻断漏电流大于datasheet限值或大于10倍初期测得的漏电流则视为器件失效。
3.但针对高压大功率器件的高温高湿高压测试，国际范围内虽在积极研发，但是进展迟缓。国外英飞凌以及国内杭州中安电子有限公司等一小部分厂家公司对于器件的高温高湿高压测试分别提出了各自的试验装置，这些高温高湿高压装置，制造价格高达几十万元；温度局限于某些特定温度0~100℃，测试器件类型过于单一化。


技术实现要素：

4.针对目前其可靠性测试平台价格昂贵，测试条件的相对局限性，测试器件数量单一等这些缺陷或缺陷之一，本发明提供一种高压大功率器件的高温高湿高压反偏测试系统，不仅可以同时考核80路以上的to功率器件在高温高湿高压环境下的可靠性，还可以根据焊接模块、压接模块等其他封装根据器件型号尺寸，灵活测试不同类型封装的功率器件，而且实验平台价格低廉，试验工况灵活性，可到达一定可观的经济效应。为此，本发明采取的技术方案是：这一种高压大功率器件的高温高湿高压反偏测试系统，包括波尔电源、电路板、控制板，恒温加热平台，所述恒温加热平台上方固设待测高压功率器件固定板，所述待测器件固定板上方安装包覆它的湿气罩，所述湿气罩能开合、内装湿度检测传感器，水箱内盛装纯净水或盐水并装设加湿器，所述加湿器产生的雾气或盐雾气通过管道能输送至所述湿气罩内；所述电路板由n条测试支路并联而成，每条测试支路包括高压继电器、保护电阻、采样电阻、钳位二极管，所述高压继电器的工作端连接所述波尔电源的正向端、另一端通过所述保护电阻连接待测高压功率器件的漏极，所述待测高压功率器件的源极通过所述采样电阻连接所述波尔电源的负向端，所述钳位二极管的正端连接所述待测高压功率器件的栅极、负
端连接所述波尔电源的负向端；所述控制板包括adc采集模块、继电器模组、与所述继电器模组相连的单片机，所述adc采集模块的adc采集端分别连接所述待测高压功率器件的源极并与pc机串口通讯，所述继电器模组的继电器控制端分别连接所述高压继电器的信号控制端，所述单片机通过控制信号线与所述pc机相连；所述pc机安装labview数据采集程序。
5.进一步地，所述保护电阻的电阻为100kω，所述采样电阻的电阻为10kω；所述钳位二极管的型号为esd5z5.0t1g；所述继电器模组的型号为jb
‑
8rg
‑
h1z
‑
12v；所述adc采集模块的型号为ads1256；所述单片机的型号为stm32f103c8t6。
6.本发明还提供这种高压大功率器件的高温高湿高压反偏测试系统的测试方法，有三种模式可供选择：当选择高温模式时，波尔电源为高压继电器提供0
‑
6kv的高压，恒温加热平台接通220v交流电，使待测高压功率器件处于0
‑
200℃的工况中，按照htrb jesd22
‑
a108f标准进行测试；当选择高温高湿模式时，波尔电源为高压继电器提供0
‑
6kv的高压，恒温加热平台和加湿器接通220v交流电，水箱内盛装的纯净水输送至加湿器，当恒温加热平台达到设定的温度时停止加热，当湿度检测传感器检测到湿气罩内的湿度达到设定的湿度时，加湿器停止雾化，使待测高压功率器件处于0
‑
120℃、湿度为0
‑
98%rh的工况中，按照hv
‑
h3trb ecpe guiline psrra 01标准进行测试；当选择高温盐雾模式时，波尔电源为高压继电器提供0
‑
6kv的高压，恒温加热平台和加湿器接通220v交流电，水箱内盛装ph为6.5
‑
7.2的nacl溶液输送至加湿器，当恒温加热平台达到设定的温度时停止加热，当湿度检测传感器检测到湿气罩内的湿度达到设定的湿度时，加湿器停止雾化，使待测高压功率器件处于0
‑
120℃、湿度为0
‑
98%rh的盐雾工况中，按照sact atmos phere mil
‑
std
‑
883 j method 1009.8 标准进行测试。
7.与现有技术相比，本发明实验平台价格低廉，试验工况灵活性，可实现可观的经济效益。
8.其突出的实质性特点主要体现在以下几个方面：1.工况灵活性。可通过调控温控器、湿度传感器，电源调节器分别闭环控制，调节器件在不同温度，不同湿度以及不同电压工况下的可靠性变化，进而更全面反映器件工作的真实情况。
9.2.测试多样性。可对不同封装的大功率器件进行高温高湿高压的可靠性实验考核，增加了器件样品的测试效率，降低了器件的研发成本、缩短了器件的研发周期。
10.3.试验可靠性。试验平台内置过流监测系统，过压保护电路，通过两级继电器快速切除故障支路，以此时时保护器件以及试验的安全性。
11.4.数据准确性。在现有国际通用标准的方法基础上，器件可靠性在充分考虑绝缘问题下，可间接用测量采集到的μa级漏电流变化来显示以及试验检测数据时加入均值滤波算法，每隔30min均值滤波；并且内置数据包存放各个时刻数据，方便后续数据分析，从而保证试验数据的正确性。
12.5.模式多变性。本次所设计的内置三种模式高温模式，高温高湿模式以及高温盐雾模式。可根据不同试验工况选择合适条件，高温模式下，温度最高可至200℃，可对器件进行高温反偏测试；高温高湿模式下，温度最高可至120℃、湿度最高可至98%相对湿度，可对
器件进行高温高湿反偏测试；盐雾模式下：可生成盐雾模拟海上工况，温度最高可至120℃。
附图说明
13.图1是本发明的结构示意图。
14.图2是本发明测试方法流程示意图。
15.图3是本发明具体实施方式中电路板的结构示意图。
16.图4是本发明具体实施方式中控制板的结构示意图。
具体实施方式
17.本发明公开的一种高压大功率器件的高温高湿高压反偏测试系统，不仅可以同时考核80路以上的to功率器件在高温高湿高压环境下的可靠性，但本领域技术人员应当理解本系统不局限于to模块，还可以根据焊接模块、压接模块等其他封装根据器件型号尺寸，灵活测试不同类型封装的功率器件。
18.为了能够更清楚地描述本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的技术方案进行进一步清楚、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。
19.下面以24路支路、待测高压功率器件dut以n型mosfet为例进行举例说明。
20.一种高压大功率器件的高温高湿高压反偏测试系统，包括波尔电源v1、电路板100、控制板200，恒温加热平台300，所述恒温加热平台300上方固设待测高压功率器件固定板400，所述待测器件固定板400上方安装包覆它的湿气罩500，所述湿气罩500能开合、内装湿度检测传感器600，水箱700内盛装纯净水或盐水并装设加湿器，所述加湿器产生的雾气或盐雾气通过管道能输送至所述湿气罩500内；所述电路板100由24条测试支路并联而成，每条测试支路包括高压继电器k1、k2
…
k24、保护电阻r1
‑
1、r2
‑1…
r24
‑
1、采样电阻r1
‑
2、r2
‑2…
r24
‑
2、钳位二极管d1、d2
…
d24，所述高压继电器k1、k2
…
k24的工作端连接所述波尔电源v1的正向端、另一端通过所述保护电阻r1
‑
1、r2
‑1…
r24
‑
1连接待测高压功率器件dut1、dut2
…
dut24的漏极d，所述待测高压功率器件dut1、dut2
…
dut24的源极s通过所述采样电阻r1
‑
2、r2
‑2…
r24
‑
2连接所述波尔电源v1的负向端，所述钳位二极管d1、d2
…
d24的正端连接所述待测高压功率器件dut1、dut2
…
dut24的栅极g、负端连接所述波尔电源v1的负向端；所述控制板200包括adc采集模块201、继电器模组202、与所述继电器模组202相连的单片机203，所述adc采集模块201的adc采集端分别连接所述待测高压功率器件dut1、dut2
…
dut24的源极s并与pc机800串口通讯，所述继电器模组202的继电器控制端分别连接所述高压继电器k1、k2
…
k24的信号控制端sign1、sign1
…ꢀ
sign24，所述单片机203通过控制信号线与所述pc机800相连；所述pc机800安装labview数据采集程序。
21.所述保护电阻作用是防止器件或高压继电器损坏而导致的过压保护，电阻为100kω；所述采样电阻模拟电压采集端与所述pc机相连，形成过流保护控制回路，当测量的漏电流乘上采样电阻阻值而所得到的采样电压大于设定值是，所述控制板就会关断其对应的高压继电器，并且所述高压继电器控制端其接地端为数字地，与所述高压电源的模拟地相互隔离，避免数字信号的过冲而所引起数字地电平波动导致模拟地波动的影响，避免对模拟
信号的采样的数据造成影响，所述采样电阻r1
‑
2、r2
‑2…
r24
‑
2的电阻为10kω；由于采样回路电压采集范围为
‑
5v
‑
5v，从而所述钳位二极管的作用是防止采样电阻两端电压超过5v，以此保护采样电路，所述钳位二极管d1、d2
…
d24的型号为esd5z5.0t1g；所述继电器模组202的型号为jb
‑
8rg
‑
h1z
‑
12v；所述adc采集模块201的型号为ads1256；所述单片机203的型号为stm32f103c8t6。
22.所述湿气罩目的是创造高湿工况，湿度可由湿度控制面板所调节。试验根据模式指令进行对应操作。所述pc机放置于一旁，其内部存有labview数据采集程序，并采集所述采样电阻模拟电压，并通过均值滤波算法每隔30分钟做一次数值均值，通过上位机实时检测漏电流变化状况，若漏电流超过一定值，发送控制信号给所述单片机。
23.在通过上述这一种高压大功率器件的高温高湿高压反偏测试系统进行测试时，有三种模式可供选择：当选择高温模式时，波尔电源v1为高压继电器k1、k2
…
k24提供0
‑
6kv的高压，恒温加热平台300接通220v交流电，使待测高压功率器件dut1、dut2
…
dut24处于0
‑
200℃的工况中，按照htrb jesd22
‑
a108f标准进行测试；当选择高温高湿模式时，波尔电源v1为高压继电器k1、k2
…
k24提供0
‑
6kv的高压，恒温加热平台300和加湿器接通220v交流电，水箱700内盛装的纯净水输送至加湿器，当恒温加热平台300达到设定的温度时停止加热，当湿度检测传感器600检测到湿气罩500内的湿度达到设定的湿度时，加湿器停止雾化，使待测高压功率器件dut1、dut2
…
dut24处于0
‑
120℃、湿度为0
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98%rh的工况中，按照hv
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h3trb ecpe guiline psrra 01标准进行测试；当选择高温盐雾模式时，波尔电源v1为高压继电器k1、k2
…
k24提供0
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6kv的高压，恒温加热平台300和加湿器接通220v交流电，水箱700内盛装ph为6.5
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7.2的nacl溶液输送至加湿器，当恒温加热平台300达到设定的温度时停止加热，当湿度检测传感器600检测到湿气罩500内的湿度达到设定的湿度时，加湿器停止雾化，使待测高压功率器件dut1、dut2
…
dut24处于0
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120℃、湿度为0
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98%rh的盐雾工况中，按照sact atmos phere mil
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std
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883 j method 1009.8 标准进行测试。
24.本发明提供的一种针对高压大功率半导体器件的高温高湿高压反偏测试系统及测试方法，不局限于mosfet，同样也适用于其他类型以及其他封装的功率半导体器件的高温高湿高压反偏测试，测试系统内所含测试支路包括但不限于24条支路，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员应当理解，参照上述实施例可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换均在申请待批的权利要求保护范围之内。