一种MMC用功率半导体器件可靠性试验装置及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，特别是涉及一种MMC用功率半导体器件可靠性试验装置及方法。

背景技术

随着风能、太阳能等可再生能源的利用规模不断扩大，可再生能源大规模可靠并网的需求日益突出。模块化多电平换流器(MMC)由于具有模块化结构和控制灵活的优点，成为可再生能源大规模并网的关键装备。高压大容量功率半导体器件作为MMC换流器的核心部件，其可靠性评估对MMC阀的设计、优化及验证具有重要意义。

功率循环试验测试平台是考核功率半导体器件可靠性的重要试验平台，现有的测试平台有两种，分别是直流测试平台和PWM测试平台。不同的应力水平对功率半导体器件的可靠性评估结果影响极大，但现有的功率循环试验平台都不能反映MMC换流器用功率半导体器件在工作时的应力特点。

发明内容

本发明的目的是提供一种MMC用功率半导体器件可靠性试验装置及方法，以解决现有功率半导体器件可靠性评估试验平台均无法反映MMC工况下器件应力特点的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种MMC用功率半导体器件可靠性试验装置，包括：高压电容、放电电容、电感、被测功率半导体器件、续流二极管、辅助IGBT开关组、预关断续流回路二极管、高压直流电源、驱动脉冲生成器、电流测量单元、电压测量单元；

所述辅助IGBT开关组包括电源充电支路IGBT开关、高压电容支路双向开关、放电电容支路IGBT开关、续流二极管支路双向开关、预开通续流回路IGBT开关和预关断续流回路IGBT开关；

所述放电电容的一端与所述放电电容支路IGBT开关的集电极相连，所述放电电容的另一端接地；所述放电电容支路IGBT开关的发射极与所述续流二极管的负极相连；所述高压电容的一端经过所述高压电容支路双向开关与所述续流二极管的负极相连，所述高压电容的另一端接地；所述电感的一端与所述被测功率半导体器件的集电极相连，所述电感的另一端与所述预关断续流回路二极管的负极相连；所述续流二极管的正极经过所述续流二极管支路双向开关与所述被测功率半导体器件的集电极相连；所述被测功率半导体器件的发射极接地；所述预关断续流回路IGBT开关的发射极与所述预关断续流回路二极管的正极相连，所述预关断续流回路IGBT开关的集电极接地；所述预开通续流回路IGBT开关的集电极与所述续流二极管的负极相连，所述预开通续流回路IGBT开关的发射极与所述预关断续流回路二极管的负极相连；所述高压直流电源的正极与所述电源充电支路IGBT开关的集电极相连，所述高压直流电源的负极接地；所述电源充电支路IGBT开关的发射极与所述放电电容支路IGBT开关的集电极相连；

所述电流测量单元的电流探头连接在被测功率半导体器件的电流回路中，用于测量流过被测功率半导体器件的电流；

所述电压测量单元的电压测量探头连接在所述被测功率半导体器件的两端，用于测量被测功率半导体器件两端的电压；

所述驱动脉冲生成器用于输出的驱动脉冲；

可选地，还包括：温度测量单元，用于测量所述被测功率半导体器件的结温及壳温。

可选地，所述温度测量单元的非接触式探头对准所述被测功率半导体器件的芯片表面，用于测量所述被测功率半导体器件的结温，所述温度测量单元的接触式探头放置在所述被测功率半导体器件的外壳，用于测量所述被测功率半导体器件的壳温。

可选地，所述高压直流电源为可调直流电压源。

可选地，所述放电电容为多个并联的电容组。

可选地，所述电流测量单元的电流探头连接在所述被测功率半导体器件的发射极一侧。

可选地，所述电压测量单元的电压探头采用四端子接线法连接。

本发明还提供了一种MMC用功率半导体器件可靠性试验方法，所述方法应用于上述可靠性试验装置，所述方法包括：

通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预开通续流回路IGBT开关及续流二极管支路双向开关处于开通状态，使得电感通过续流二极管续流；

通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制放电电容支路IGBT开关处于开通状态，使得放电电容接入测试电路，在被测功率半导体器件开通后与电感构成谐振回路，提供被测功率半导体器件的通态电流；

被测功率半导体器件开通后电流未达到峰值前，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制续流二极管支路双向开关处于关断状态，避免续流二极管误导通；

被测功率半导体器件上流过的通态电流值达到关断电流时，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预关断续流回路IGBT开关处于开通状态，使得电感通过被测功率半导体器件续流；

电感通过被测功率半导体器件续流时，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制放电电容支路IGBT开关处于关断状态，使得放电电容从被测电路中切除；通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制高压电容支路双向开关及续流二极管支路双向开关处于开通状态，使得高压电容接入测试电路，提供被测功率半导体器件的关断瞬态所需要的母线电压；

放电电容从被测电路中切除后，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制电源充电支路IGBT开关处于开通状态，为放电电容充电，使得电压恢复到预定值；

放电电容的电压恢复到预定值后，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制电源充电支路IGBT开关处于关断状态，使得电源充电回路断开；

被测功率半导体器件关断后，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预开通续流回路IGBT开关处于开通状态，使得电感通过续流二极管续流；

被测功率半导体器件关断后，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预关断续流回路IGBT开关及高压电容支路双向开关处于关断状态，使得高压电容从被测电路中切除；

采用电流测量单元的电流探头测量流过被测功率半导体器件的电流；

采用电压测量单元的电压探头测量被测功率半导体器件两端的电压；

根据电流和电压计算被测功率半导体的损耗，用于可靠性分析。

可选地，还包括：

采用温度测量单元的探头测量被测功率半导体器件的结温及壳温。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明提供了一种MMC用功率半导体器件可靠性试验装置及方法，所述装置包括：高压电容、放电电容、电感、被测功率半导体器件、续流二极管、辅助IGBT开关、预关断续流回路二极管、高压直流电源、驱动脉冲生成器、电流测量单元、电压测量单元、温度测量单元；所述装置的电路拓扑可以实现MMC用功率半导体器件的应力特点等效，填补了现有器件级可靠性试验装置模拟MMC换流器应力方面的空白。所述方法通过简单时序控制辅助IGBT开关的通断，即可在不影响被测功率半导体器件工况的情况下实现不同电容的投切，保证装置长时间稳定运行，控制过程简单，装置可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例MMC用功率半导体器件可靠性试验装置的原理图；

图2为本发明提供的电感通过续流二极管续流过程电路图；

图3为本发明提供的放电电容与电感谐振过程电路图；

图4为本发明提供的电感通过被测功率半导体器件续流过程电路图；

图5为本发明提供的电感为高压电容充电过程电路图；

图6为本发明提供的被测功率半导体器件上电应力波形图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、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。

本发明的目的是提供一种MMC用功率半导体器件可靠性试验装置及方法，以解决现有功率半导体器件可靠性评估试验平台均无法反映MMC工况下器件应力特点的问题。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明公开的MMC用功率半导体器件可靠性试验装置，包括：高压电容C

所述辅助IGBT开关组包括电源充电支路IGBT开关T

所述放电电容C

所述续流二极管D的作用是在被测功率半导体器件DUT开通前为电感电流提供续流回路。

所述预关断续流回路二极管D

所述电流测量单元的电流探头A连接在被测功率半导体器件DUT的电流回路中，用于测量流过被测功率半导体器件DUT的电流。

所述电压测量单元的电压测量探头V1和V2分别连接在所述被测功率半导体器件DUT的两端，用于测量被测功率半导体器件DUT两端的电压。

所述驱动脉冲生成器用于输出的驱动脉冲。

本发明提供的MMC用功率半导体器件可靠性试验装置还包括温度测量单元，所述温度测量单元T的非接触式探头对准被测功率半导体器件DUT的芯片表面，用于测量被测功率半导体器件DUT的结温，所述温度测量单元的接触式探头放置在被测功率半导体器件DUT的外壳，用于测量被测功率半导体器件DUT的壳温。

进一步地，所述温度测量单元的非接触式传感探头可以是光耦传感器或者红外传感器，非接触式探头对准被测功率半导体器件中芯片的集电极侧。所述温度测量单元的接触时传感探头可为热电偶传感器，放置在被测功率半导体外壳上。

进一步地，所述电流测量单元的电流探头连接在所述被测功率半导体器件的发射极一侧，测量流过被测功率半导体器件的电流，另外电流探头不限于放到被测功率半导体器件支路的其他位置。

进一步地，所述电压测量单元的电压探头放在被测功率半导体器件的两端，采用四端子法测量IGBT上的电压降落，可选择无源电压探头。

进一步地，所述高压直流电源为可调直流电压源。所述可调直流电压源的作用是为所述放电电容充电，使其恢复到预定母线电压。

进一步地，所述放电电容为多个并联的电容组。电容组中的每个并联电容都与一个放电电容支路IGBT开关串联，在一个电容电压未恢复前可投入其他的已经达到预定母线电压的电容。

所述MMC用功率半导体器件可靠性试验装置的试验过程包括电感在预开通回路续流、放电电容与电感谐振、电感在预关断回路续流和电感为高压电容充电四个过程，上述四个过程组成一个测试周期，装置可长时间稳定运行；所述被测功率半导体器件在一个测试周期中经历开通瞬态、导通、关断瞬态、关断四个状态，辅助IGBT开关组按照时序动作确保所述电感电流在预定的回路中流动，同时实现放电电容和高压电容的投切。

本发明还提供了一种MMC用功率半导体器件可靠性试验方法，所述方法应用于上述可靠性试验装置，所述方法包括：

通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预开通续流回路IGBT开关及续流二极管支路双向开关处于开通状态，使得电感通过续流二极管续流。

通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制放电电容支路IGBT开关处于开通状态，使得放电电容接入测试电路，在被测功率半导体器件开通后与电感构成谐振回路，提供被测功率半导体器件的通态电流。

被测功率半导体器件开通后电流未达到峰值前，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制续流二极管支路双向开关处于关断状态，避免续流二极管误导通。

被测功率半导体器件上流过的通态电流值达到关断电流时，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预关断续流回路IGBT开关处于开通状态，使得电感通过被测功率半导体器件续流。

电感通过被测功率半导体器件续流时，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制放电电容支路IGBT开关处于关断状态，使得放电电容从被测电路中切除；通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制高压电容支路双向开关及续流二极管支路双向开关处于开通状态，使得高压电容接入测试电路，提供被测功率半导体器件的关断瞬态所需要的母线电压。

放电电容从被测电路中切除后，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制电源充电支路IGBT开关处于开通状态，为放电电容充电，使得电压恢复到预定值。

放电电容的电压恢复到预定值后，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制电源充电支路IGBT开关处于关断状态，使得电源充电回路断开。

被测功率半导体器件关断后，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预开通续流回路IGBT开关处于开通状态，使得电感通过续流二极管续流。

被测功率半导体器件关断后，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预关断续流回路IGBT开关及高压电容支路双向开关处于关断状态，使得高压电容从被测电路中切除。

采用电流测量单元的电流探头测量流过被测功率半导体器件的电流。

采用电压测量单元的电压探头测量被测功率半导体器件两端的电压。

根据电流和电压计算被测功率半导体的损耗，用于可靠性分析。

可选地，还包括：

采用温度测量单元的探头测量被测功率半导体器件的结温及壳温。

图2为本发明提供的电感通过续流二极管续流过程电路图。参见图2，通过所述驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预开通续流回路IGBT开关及续流二极管支路双向开关处于开通状态，使得所述电感通过所述续流二极管续流。被测功率半导体器件处于关断状态，电感电流的值为被测功率半导体器件的开通电流。通过所述驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制放电电容支路IGBT开关处于开通状态，使得所述放电电容接入测试电路，为被测功率半导体器件开通瞬态提供高压。

图3为本发明提供的放电电容与电感谐振过程电路图。参见图3，通过所述驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制被测功率半导体器件开通。被测功率半导体器件开通后，放电电容与电感构成谐振回路，提供被测功率半导体器件的通态电流，要求电感值和电容值大小配合。在被测功率半导体器件开通后且其上电流未达到峰值前，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制续流二极管支路双向开关处于关断状态，避免续流二极管误导通。

图4为本发明提供的电感通过被测功率半导体器件续流过程电路图。参见图4，当被测功率半导体器件上流过的通态电流值达到关断电流时，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预关断续流回路IGBT开关处于开通状态，使得电感通过被测功率半导体器件续流。

通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制放电电容支路IGBT开关处于关断状态，使得放电电容从被测电路中切除。通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制高压电容支路双向开关及续流二极管支路双向开关处于开通状态，使得高压电容接入测试电路，提供被测功率半导体器件的关断瞬态所需要的母线电压。

图5为本发明提供的电感为高压电容充电过程电路图。参见图5，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制被测功率半导体器件关断，被测功率半导体器件关断后，电感为高压电容反向充电，电感电流的回路为图5中的序号1。通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预开通续流回路IGBT开关处于开通状态，使得电感通过所述续流二极管续流，电感电流的回路由图5中的序号1转为序号2。

当电感电流在序号2回路中续流时，通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制预关断续流回路IGBT开关及高压电容支路双向开关处于关断状态，使得高压电容从被测电路中切除。通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制电源充电支路IGBT开关处于开通状态，为放电电容充电，使得其电压恢复到预定值，接着通过驱动脉冲生成器输出的驱动脉冲控制电源充电支路IGBT开关处于关断状态，使得电源充电回路断开，电源充电回路为图5中的序号3。当放电电容电压恢复到预定值且电感电流在序号2回路中续流时，一个测试周期完成，装置可随时进入图2所示过程，开始新的测试周期。

本发明能够提供MMC用半导体器件的应力的试验原理在于利用多个辅助开关改变电感电流回路，在电感续流的同时实现不同电容的投切，为被测功率半导体器件同时提供导通的电流应力及开关瞬态过程的电压电流应力。

图6为本发明提供的被测功率半导体器件上电应力波形图。参见图6，图中的阶段1、阶段2、阶段3、阶段4分别对应图2、图3、图4、图5展示的电路过程。为了更加清晰地展示波形各个阶段，图中将被测功率半导体器件的瞬态过程及阶段3的时间尺度放大。

可见，本发明提供的装置和方法可以稳定复现MMC换流器上功率半导体器件的电气应力，实现其可靠性的有效评估。同时辅助IGBT开关组的控制方案较为简单，装置自身可靠性高。本发明提供的装置和方法填补了目前MMC用功率半导体器件可靠性评估装置和方法的空白。。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。