智能化功率半導(dǎo)體器件漏電流測(cè)試儀*

申彩英 鄒穎 李妮

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)；2.莊河漁港監(jiān)督）

電力電子技術(shù)成為當(dāng)今社會(huì)生活不可或缺的部分[1]。智能電網(wǎng)、電磁推進(jìn)、高幅值電流脈沖放電等需要高壓、大電流功率半導(dǎo)體器件[2-5]，因此高壓半導(dǎo)體元器件漏電流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)顯得尤為重要。采用圖示儀[6]檢測(cè)高壓功率半導(dǎo)體器件只能測(cè)試200 μA以上電流的結(jié)果，對(duì)于10 μA以下電流的檢測(cè)無能為力。圖示儀最高測(cè)試電壓只有3 000 V，測(cè)試過程持續(xù)施加測(cè)試電壓使得功率半導(dǎo)體器件結(jié)溫上升，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。隨著功率半導(dǎo)體器件耐壓值的提升，6 500 V甚至10 kV碳化硅、絕緣柵晶體管得到越來越多的應(yīng)用，傳統(tǒng)的晶體管圖示儀已經(jīng)無法滿足要求，需要10 kV電壓、微安級(jí)的漏電流測(cè)試儀器。文章采用國(guó)際先進(jìn)的45 ms電壓脈沖測(cè)試條件，在測(cè)試電壓脈沖結(jié)束前測(cè)試功率半導(dǎo)體器件漏電流值，這種測(cè)試方法可以確保測(cè)試過程中功率半導(dǎo)體器件結(jié)溫基本不變，使測(cè)試結(jié)果得到保證。文章設(shè)計(jì)的智能化漏電流測(cè)試儀不僅可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試結(jié)果的實(shí)時(shí)顯示，還可以實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程的人工控制。

1 總體設(shè)計(jì)

智能化高壓功率半導(dǎo)體器件漏電流測(cè)試儀由主控制器、硬件電路和觸摸屏三部分組成。主控制器采用飛思卡爾MK60DN512ZVLL10芯片，硬件電路可以實(shí)現(xiàn)任意測(cè)試電壓形成、極性轉(zhuǎn)換及漏電流測(cè)試等。用戶通過觸摸屏發(fā)出控制指令，通過串口發(fā)送給主控芯片，主控芯片負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)I/O口的控制和45 ms電壓脈沖時(shí)序形成，測(cè)試結(jié)束后主控芯片通過AD口將待檢測(cè)的測(cè)試電壓和漏電流值讀入，最后通過串口發(fā)送給觸摸屏。采用迪文DMT80600T080_07WT作為觸摸屏，實(shí)現(xiàn)測(cè)試過程控制和測(cè)試結(jié)果的顯示。本測(cè)試儀有3個(gè)擋位，1～3 擋分別對(duì)應(yīng)漏電流量程為 0～5，0～50，0～500 μA。

2 主控制器與觸摸屏

主控制器與觸摸屏之間采用UART通訊，電平轉(zhuǎn)換芯片采用SP3232E，8寸觸摸屏外接一個(gè)0.5 W/4 Ω喇叭，實(shí)現(xiàn)超限報(bào)警。主控制器與觸摸屏之間的通訊采用串行異步通訊方式。主控制器向觸摸屏發(fā)送的數(shù)據(jù)有測(cè)試元器件序號(hào)、正/反向電壓值及正/反向漏電流值；觸摸屏向主控制器發(fā)送的控制指令有充/放電指令、充電電壓值、擋位信號(hào)及開始測(cè)試指令。

3 控制流程

智能化漏電流測(cè)試系統(tǒng)整體流程圖，如圖1所示。

圖1 智能化漏電流測(cè)試系統(tǒng)整體流程圖

微處理器上電初始化后，接收到觸摸屏發(fā)出的測(cè)試電壓值命令后，通過D/A口輸出電壓給定值，3 V對(duì)應(yīng)測(cè)試電壓12 kV。設(shè)置電壓送充電電路，當(dāng)充電電壓達(dá)到設(shè)置值時(shí)，充電過程結(jié)束。

測(cè)試電壓達(dá)到設(shè)置值后，觸摸屏向微處理器發(fā)出擋位指令和開始測(cè)試的有效命令后，處理器開始執(zhí)行測(cè)試程序。首先執(zhí)行正向測(cè)試，經(jīng)過1 s延遲后執(zhí)行反向測(cè)試，測(cè)試完成后送觸摸屏顯示。

圖2示出智能化漏電流測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試流程圖。

圖2 智能化漏電流測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試流程圖

處理器接到測(cè)試指令后，先進(jìn)行正向參數(shù)測(cè)試。正向測(cè)試流程圖，如圖2a所示。首先控制極性轉(zhuǎn)換開關(guān)的K1，K3觸點(diǎn)閉合，在測(cè)試端獲得正極性測(cè)試電壓；延遲1 s后，控制測(cè)試開關(guān)K5閉合，開始對(duì)被測(cè)元件施加正向測(cè)試電壓，測(cè)試時(shí)間為45ms，在20ms和40ms時(shí)分別讀取正向電壓值（E0引腳讀入）和正向漏電流值（E1引腳讀入）。45 ms后控制K5觸點(diǎn)斷開。再經(jīng)過1 s延遲，控制K1，K3觸點(diǎn)斷開。至此正向測(cè)試結(jié)束，開始進(jìn)入反向測(cè)試。反向測(cè)試流程圖，如圖2b所示。首先控制極性轉(zhuǎn)換開關(guān)的K2，K4觸點(diǎn)閉合，以獲得反向測(cè)試電壓。經(jīng)過1 s延遲，控制測(cè)試開關(guān)K5閉合，測(cè)試時(shí)間仍然為45 ms。在20 ms和40 ms時(shí)分別讀取反向電壓值（E0引腳讀入）和反向漏電流值（E1引腳讀入），從控制測(cè)試開關(guān)K5觸點(diǎn)閉合后，經(jīng)45 ms延遲，控制K5觸點(diǎn)斷開；再經(jīng)1 s延遲，控制極性轉(zhuǎn)換開關(guān)K2，K4觸點(diǎn)斷開。至此正反向測(cè)試過程全部結(jié)束。

4 試驗(yàn)

測(cè)試設(shè)備使用智能化12 kV級(jí)功率半導(dǎo)體器件漏電流測(cè)試儀，如圖3所示。被測(cè)元件為6 500 V/750 A晶閘管，測(cè)試條件為室溫，測(cè)試電壓為6 500 V。示波器采用DPS2024隔離通道示波器。測(cè)試全過程K1～K5的電壓波形，如圖4所示。

圖3 智能化12 kV級(jí)功率半導(dǎo)體器件漏電流測(cè)試儀

圖4 智能化漏電流測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試全過程中與K1～K5相連的引腳電平輸出波形

從圖4可以看出，極性轉(zhuǎn)換開關(guān)的時(shí)序與圖2一致，驗(yàn)證了測(cè)試過程的正確性。測(cè)試結(jié)果，如圖5所示。從圖5可以看出，正向測(cè)試電壓和反向測(cè)試電壓存在一定誤差，均在2%以內(nèi)，測(cè)試電壓檢測(cè)誤差主要是由電阻容差造成的。另外一個(gè)原因是測(cè)試電壓支撐電容器電壓存在電磁干擾毛刺所致；正向測(cè)試電壓在前，反向測(cè)試電壓在后，反向測(cè)試電壓低于正向測(cè)試電壓。

圖5 半導(dǎo)體器件漏電流測(cè)試結(jié)果顯示界面

漏電流測(cè)試誤差是漏電流采樣時(shí)刻電磁干擾電流疊加在實(shí)際漏電流上導(dǎo)致的，實(shí)際器件的制造工藝也決定了正向漏電流高于反向漏電流。

5 結(jié)論

本測(cè)試儀采用國(guó)際先進(jìn)的45 ms漏電流測(cè)試技術(shù)，可以準(zhǔn)確測(cè)量高壓功率半導(dǎo)體器件的漏電流，提高了漏電流的測(cè)試精度，解決了目前10 kV級(jí)功率半導(dǎo)體器件漏電流不能測(cè)試的問題，智能化的應(yīng)用使得測(cè)試儀在測(cè)試過程中實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化。