一种压接封装功率器件短路耐受能力测试及评估方法

1.本发明属于电力电子器件技术领域，涉及一种压接封装功率器件短路耐受能力测试及评估方法。


背景技术：

2.短路故障是电力电子装备中的常见故障之一。短路期间，功率器件需在极短时间内承载约5～6倍额定电流，致使器件结温快速上升。假若保护电路在功率器件短路耐受能力内无法动作，功率器件会永久性损坏，进而影响整个系统的可靠性。因此，准确评估功率器件短路耐受能力是制定保护电路参数的基础，对系统可靠性十分重要。
3.目前，焊接封装与压接封装是功率器件的两种主流封装形式，较焊接封装功率器件，压接封装功率器件具有短路失效、双面散热、低热阻的优势，这也使得压接封装功率器件更适合应用于高压、高功率密度场合。但与焊接封装功率器件不同，压接封装功率器件内部存在复杂的电-热-力耦合关系，压力直接影响器件电流与温度。
4.然而，由于焊接封装功率器件投用时间更长、使用范围更广，现广泛应用的大多测评方法，包括短路耐受能力评估方法，都是基于焊接封装功率器件制定。该方法仅考虑了焊接封装功率器件内部电-热关系，并未考虑压力的影响，导致其在应用于压接封装功率器件时，评估结果不准确。因此，发明一种压接封装功率器件短路耐受能力测试及评估方法，对准确评估压接封装功率器件短路耐受能力，精准设置保护电路参数，提高系统可靠性具有重要意义。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种压接封装功率器件短路耐受能力测试及评估方法，以解决传统测评方法对压接封装功率器件短路耐受能力评估不准确的问题，从而提升待测器件的评估准确性。
6.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.一种压接封装功率器件短路耐受能力测试及评估方法，具体包括以下步骤：
8.s1：搭建适用于压接封装功率器件的短路耐受能力测试平台；
9.s2：获取待测压接封装功率器件实际应用工况下电压等级、压力加载、环境温度与最大结温波动范围；
10.s3：定制短路耐受能力测试方案，具体包括：分别进行不同电压、压力、温度等级下压接封装器件短路耐受能力测试，实时监测器件短路电流is、集射极电压v
ce
和栅射极电压v
ge
的变化，直至功率器件短路失效，对应获取电压与短路临界能量e
cr
及临界温度t
cr
的关系，压力与短路电流的关系，温度与短路电流的关系；
11.s4：根据不同电压、压力、温度的测试结果，得出待测压接封装器件短路耐受能力与电压、压力、温度的关系。
12.进一步，步骤s1中，搭建的短路耐受能力测试平台包括：短路能量供给模块、控制
模块、测量模块和环境控制模块；
13.所述短路能量供给模块包括：并联的高压直流电源和电容组，为短路耐久测试提供冲击能量；
14.所述控制模块包括：串联的信号发生器和驱动电路，以控制待测模块开通；
15.所述测量模块包括：电压探头和电流探头，以监测并采集短路耐久测试过程中短路电流is、集射极电压v
ce
和栅射极电压v
ge
等特征参量；
16.所述环境控制模块包括：高压直流电源、压力夹具和恒温实验箱，以分别控制电压、压力和温度的变化。
17.进一步，步骤s2中，根据待测压接封装功率器件的实际应用工况确定测试电压ui、压力fi、温度ti，其中：
18.测试电压ui应以实际工作电压u0为基准，
±
10％为步长，至少应在5个电压等级下进行测试，即u
0-20％、u
0-10％、u0、u0 10％、u0 20％。也可根据具体应用情况，增加电压测试范围，减小步长。
19.测试压力fi应以实际工况中压接封装功率器件推荐压力加载值f0为基准，最大压力加载值f
0-max
为上限；在测试压力fi∈(0,f0]区间时，至少应在5个压力等级下进行测试，其中，(0,f0/2]区间内至少应在3个压力等级下进行测试；在测试压力fi∈(f0,f
0-max
]区间时，至少应在2个压力等级下进行测试。也可根据具体应用情况，增加测试压力等级的数量。
20.测试温度ti应以实际应用中最低环境温度t
en_min
为下限，最高结温t
j_max
为上限；需包括应用工况中结温波动的最低值t
j_min
，并至少应在4个温度等级下进行测试。也可根据具体应用情况，增加测试温度等级的数量，适量调整测试温度范围。
21.进一步，步骤s3中，实时监测短路耐受能力测试过程中短路电流is和集射极电压v
ce
，当短路电流is瞬间上升至初始值2倍以上，集射极电压v
ce
迅速降至约0v时，即可判定功率器件短路失效。
22.进一步，步骤s3中，进行不同电压等级下压接封装器件短路耐受能力测试，具体包括：在选定的电压等级下分别进行功率器件短路耐受能力测试，实时监测器件短路电流is、集射极电压v
ce
、栅射极电压v
ge
，直至功率器件短路失效；
23.1)基于短路电流is和集射极电压v
ce
计算功率器件短路临界能量e
cr
：
[0024][0025]
其中，t
scwc
为功率器件短路耐受时间，即从测试开始至功率器件短路失效的维持时间；
[0026]
2)基于不同电压等级下的测试结果，拟合测试电压ui与短路临界能量e
cr
的关系：
[0027]ecr
＝fe(ui)
[0028]
其中，fe(ui)为测试电压ui与短路临界能量e
cr
之间的拟合关系函数；
[0029]
3)得出测试电压ui与临界温度t
cr
的关系：
[0030][0031]
其中，k
chip
为与压接封装功率器件所用芯片材料及结构相关的参数，t
en
为环境温度。
[0032]
进一步，步骤s3中，进行不同压力等级下压接封装器件短路耐受能力测试，具体包括：在选定的压力等级下分别进行功率器件短路耐受能力测试，实时监测器件短路电流is、集射极电压v
ce
、栅射极电压v
ge
的变化，直至功率器件短路失效；
[0033]
基于不同压力等级下的测试结果，拟合测试压力fi与器件短路电流is的关系：
[0034]is
＝ff(fi)
[0035]
其中，ff(fi)为测试压力fi与器件短路电流is的拟合关系函数。
[0036]
进一步，步骤s3中，进行不同温度等级下压接封装器件短路耐受能力测试，具体包括：在选定的温度等级下分别进行功率器件短路耐受能力测试，实时监测器件短路电流is、集射极电压v
ce
、栅射极电压v
ge
的变化，直至功率器件短路失效；
[0037]
基于不同温度等级下的测试结果，拟合温度ti与器件短路电流is的关系：
[0038]is
＝t
ik
·ff
(fi)
[0039]
其中，k为与压接封装功率器件所用芯片特性相关的参数，ff(fi)为测试压力fi与器件短路电流is的拟合关系函数。
[0040]
进一步，步骤s4中，得出待测压接封装器件短路耐受能力与电压、压力、温度的关系为：
[0041][0042]
其中，k
chip
为与压接封装功率器件所用芯片材料及结构相关的参数，t
cr
为临界温度，ui为测试电压，ti为测试温度，k为与压接封装功率器件所用芯片特性相关的参数，ff(fi)为测试压力fi与器件短路电流is的拟合关系函数。
[0043]
本发明的有益效果在于：
[0044]
(1)本发明提供的短路耐受能力测试方法充分考虑了压接封装功率器件应用工况，全面考虑了电压、压力、温度对功率器件短路耐受能力的影响。并根据应用工况，科学优化了短路耐受能力测试方案，降低了短路耐受能力测试难度，提升了测试经济性。
[0045]
(2)本发明提供的短路耐受能力评估方法充分考虑了“电-热-力”对功率器件短路耐受能力的影响，提升了压接封装功率器件短路耐受能力评估准确性，有利于精准设置保护电路参数，提升系统可靠性。
[0046]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
[0047]
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
[0048]
图1为本发明压接封装功率器件短路耐受能力测试及评估方法流程图；
[0049]
图2为本发明压接封装功率器件短路耐受能力测试平台原理图。
具体实施方式
[0050]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0051]
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0052]
本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
[0053]
请参阅图1～图2，如图1所示，本发明提供的压接封装功率器件短路耐受能力测试及评估方法，包括以下操作步骤：
[0054]
1)建立适用于压接封装功率器件的短路耐受能力测试平台，如图2所示，其包含短路能量供给模块、控制模块、测量模块、环境控制模块。
[0055]
短路能量供给模块包括：高压直流电源、电容组，为短路耐久测试提供冲击能量；
[0056]
控制模块包括：信号发生器、驱动电路，以控制待测模块开通；
[0057]
测量模块包括：电压探头、电流探头，以监测并采集短路耐久测试过程中短路电流is、集射极电压v
ce
、栅射极电压v
ge
等特征参量；
[0058]
环境控制模块包括：高压直流电源、压力夹具、恒温实验箱，以分别控制电压、压力、温度的变化。
[0059]
2)获取待测压接封装功率器件实际应用工况下电压等级、压力加载、环境温度与最大结温波动范围，定制短路耐受能力测试方案，确定测试电压ui、压力fi、温度ti。
[0060]
测试电压ui应以实际工作电压u0为基准，
±
10％为步长，至少应在5个电压等级下进行测试，即u
0-20％、u
0-10％、u0、u0 10％、u0 20％。也可根据具体应用情况，增加电压测试范围，减小步长。如在1000v工况下应用的功率器件，应至少在800v、900v、1000v、1100v、1200v电压等级下进行测试。
[0061]
测试压力fi应以实际工况中压接封装功率器件推荐压力加载值f0为基准，最大压力加载值f
0-max
为上限。在测试压力fi∈(0,f0]区间时，至少应在5个压力等级下进行测试，其中，(0,f0/2]区间内至少应在3个压力等级下进行测试。在测试压力fi∈(f0,f
0-max
]区间时，至少应在2个压力等级下进行测试。也可根据具体应用情况，增加测试压力等级的数量。以dg50n3300型压接型igbt器件为例，在测试压力fi∈(0,1000]区间时，至少应在100n、200n、500n、800n、1000n压力等级下进行测试。在测试压力fi∈(1000,2000]区间时，至少应
在1500n、2000n压力等级下进行测试。
[0062]
测试温度ti应以实际应用中最低环境温度t
en_min
为下限，最高结温t
j_max
为上限。需包括应用工况中结温波动的最低值t
j_min
，并至少应在4个温度等级下进行测试。也可根据具体应用情况，增加测试温度等级的数量，适量调整测试温度范围。如在最低环境温度t
en_min
为25℃，最高结温t
j_max
为100℃，结温波动最低值t
j_min
为75℃应用工况下，至少应在25℃、50℃、75℃、100℃温度下进行测试。
[0063]
3)进行不同电压等级下压接封装器件短路耐受能力测试，实时监测器件短路电流is、集射极电压v
ce
、栅射极电压v
ge
的变化，直至功率器件短路失效。当短路电流is瞬间上升至初始值2倍以上，集射极电压v
ce
迅速降至约0v时，即可判定功率器件短路失效。
[0064]
基于短路电流is、集射极电压v
ce
计算功率器件短路临界能量e
cr
：
[0065][0066]
其中，t
scwc
为功率器件短路耐受时间，即从测试开始至功率器件短路失效的维持时间；基于不同电压等级下的测试结果，拟合测试电压ui与短路临界能量e
cr
的关系：
[0067]ecr
＝fe(ui)
[0068]
得出测试电压ui与临界温度t
cr
的关系：
[0069][0070]
其中，k
chip
为与压接封装功率器件所用芯片材料及结构相关的参数，t
en
为环境温度。
[0071]
4)进行不同压力等级下压接封装器件短路耐受能力测试，实时监测器件短路电流is、集射极电压v
ce
、栅射极电压v
ge
的变化，直至功率器件短路失效。当短路电流is瞬间上升至初始值2倍以上，集射极电压v
ce
迅速降至约0v时，即可判定功率器件短路失效。
[0072]
获取测试压力fi与器件短路电流is的关系：
[0073]is
＝ff(fi)
[0074]
5)进行不同温度下压接封装器件短路耐受能力测试，实时监测器件短路电流is、集射极电压v
ce
、栅射极电压v
ge
的变化，直至功率器件短路失效。当短路电流is瞬间上升至初始值2倍以上，集射极电压v
ce
迅速降至约0v时，即可判定功率器件短路失效。
[0075]
获取温度ti与器件短路电流is的关系：
[0076]is
＝t
ik
·ff
(fi)
[0077]
其中，k为与压接封装功率器件所用芯片特性相关的参数。
[0078]
6)结合不同电压、压力、温度的测试结果，得出待测压接封装器件短路耐受能力评估方法：
[0079][0080]
由上可见，采用本发明提供的一种压接封装功率器件短路耐受能力测试与评估方法全面考虑了压接封装功率器件的应用工况，即“电-热-力”的影响。较现广泛应用的基于焊接封装功率器件制定的，仅考虑“电-热”影响的短路耐受能力测评方法，该方法综合考虑了压接封装器件封装结构和应用工况，提升了评估准确性。
[0081]
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。