高壓大功率半導體的參數測量系統設計

方臨陽，張 屹，欒文龍，徐 俊，黃新林

（常州大學 機械工程學院，常州213100）

變流器作為電能變換系統中的重要部分，廣泛應用于新能源發電、電動汽車、軌道交通等新興領域中。而IGBT 在中大功率變流器領域里則有廣泛的應用，其動態性能是影響器件安全工作的重要因素。因此建立合適的測試平臺不僅對評估器件、模塊自身的性能意義重大，對器件和模塊的應用也是必不可缺的環節。由于設計結構，IGBT 內部存在許多寄生電容， 這些等效電容可以簡化為IGBT 各級之間的電容：①輸入電容Cies=CGC+CGE，當輸入電容充電致閾值電壓時器件才能開啟，放電致一定值時器件才可以關斷， 因此主要影響器件的開關速度、開關損耗；②輸出電容Coes=CGC+CCE，主要影響器件Vce的變化，限制開關轉換過程中的dv/dt，造成的損耗一般可以被忽略；③反向傳輸電容Cres=CGC，常叫米勒電容， 主要影響器件柵極電壓VGE和VCE的耦合關系[1-2]。本文主要設計一種自動化測量平臺來對IGBT 模塊的各點參數進行測量并判斷器件的損耗和開關速度是否符合標準。

1 機械結構設計

如圖1 所示為參數測試平臺的整體結構，它由進給結構和下壓結構組成。IGBT 模塊通過磁偶無桿氣缸送入參數檢測平臺，進給平臺上有一L 型折片，當進給平臺到達指定位置后，L 型擋片遮擋住接近開關光線，單片機接收到指令后，上方氣缸下壓將探針與模塊上的各個引腳接觸，由于測量觸點較小，所以上方氣缸采用雙軸氣缸防止測量中探針板的旋轉。

圖1 整體結構圖Fig.1 Overall structure diagram

測量結構中的硬件結構分為控制板和探針板兩部分，如圖2 所示上方的為控制板，上面是主要的測量電路，而下方的是探針板可以對應不同的IGBT模塊進行替換。

圖2 測量模塊結構圖Fig.2 Measurement module structure diagram

2 系統硬件設計

2.1 中央處理單元模塊

控制板的主要芯片采用了恩智浦公司推出的32 位微小控制器LPC1765FBD100， 它含有以太網處理器、USB 主機/從機/OTG 接口、4 個UART 通用串行接口、2 條CAN 通道， 可以實現大部分外部通信，同時它的70 個通用I/O 管腳也滿足了本設備測量時所需的輸出口。

2.2 電源電路設計

由于本設計使用的是24 V 的開關電源，所以需設計一種24 V 轉換為3.3 V 的電路，具體電路如圖3、圖4 所示，通過LM2576 先將24 V 電壓轉換為5 V 后，再通過AS1117 將5 V 電壓轉換為3.3 V 后給CPU 內核和IO 供電。需要注意的是LM2576 的輸入電容C2一般應大于或等于100 μF， 安裝時要求盡量靠近LM2576 的輸入引腳， 同時為防止在輸入端出現大的瞬間電壓，選擇了低ESR 的鋁或鉭電容作為旁路電容。輸出端使用470 μF 的低ESR 的鉭電容，防止電容值太大，會在某些情況（負載開路、輸入端斷開）對器件造成損害。

圖3 25 V 轉5 V 電路Fig.3 25 V to 5 V circuit

圖4 5 V 轉3.3 V 電路Fig.4 5 V to 3.3 V circuit

2.3 開關量輸入和輸出模塊

開關量輸入電路采用東芝的TLP281 光耦芯片，光耦芯片內部是由發光二極管和光電三極管構成， 其中IF 是發光二級管的允許最大正向電流，查詢參考手冊得知IF 最大不超過50 mA，由于外部驅動電壓為24 V，所以在發光二級管的陽極并聯1 個4.7 k 的電阻。發光三級管允許通過的最大電流為50 mA，當三級管的負載電壓為3.3 V 時，Vce會很小，可以忽略不計，所以選擇10 k 的電阻。通訊模塊則采用集成電源隔離、 電氣隔離、RS-485 接口芯片和總線保護器于一身的RSM348CHT 通訊模塊， 具體的輸入電路如圖5 所示。

圖5 開關量輸入電路Fig.5 Switch input circuit

圖6 485 通訊芯片Fig.6 485 communication chip

由于單片機IO 的驅動能力有限，對于單片機來說，繼電器和電磁閥這種負載已經屬于大功率的負載，超出大多數單片機的IO 驅動能力。而且這類感性負載在關斷時會產生自感電壓，容易燒壞單片機，所以這邊采用ULN2003 來驅動繼電器，ULN2003 是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由7 個硅NPN 復合晶體管組成，每一對達林頓都串聯一個2.7 k 的基極電阻，在5 V 的工作電壓下它能與TTL 和CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數據。需要注意的是GND 管腳須與驅動電源的負極形成等電位。我們在芯片的VCC 腳和GND 腳之間加一個0.1 μF 的電容，防止ULN2003在導通或截止時， 驅動感性負載的線圈會有反電勢，會對電路產生干擾，起到濾波的之作用，具體開關量輸出電路如圖7 所示。

圖7 開關量輸出電路Fig.7 Switch output circuit

如表1 所示為單片機對應的I/O 地址分配，由于測量探針較小，所以測量位置需要入位傳感器來反饋模塊是否到達指定位置；當模塊到達指定位置后，為防止下壓氣缸走的行程過多，導致模塊引腳被壓彎所以需要有下位傳感器；上位傳感器則是防止測量模塊未上升但是IGBT 模塊已經退出從而導致的引腳彎折。

表1 單片機I/O 地址分配表Tab.1 MCU I/O address allocation

2.4 測量模塊

IGBT 模塊的內部實際上是由多個MOSFET 和PNP 晶體管復合而成的一種器件，所以對應的所需測量的寄生電容也很多， 表2 所示為此次IGBT 模塊所需的測量點。紅棒連接LCR 測量儀上的正，黑棒則連接測量儀的負，測量電路通過3 個ULN2003驅動各個測量點的繼電器進行切換，繼電器上并聯的led 燈則可以清晰的顯示測量的點位。測量的數據保存在LCR 測量儀中，當所有的點位測量完成時則傳給上位機。

表2 測量點位表Tab.2 Measuring point

3 主程序設計

本設計采用模塊化設計，單片機主程序首先讓單片機各個部分進行初始化設置，當上位機軟件讀取配置數據后，確認探針板型號正確，則給下位機發送型號開始測量，測量完成后，上位機軟件接受到信號， 然后向LCR 測量儀讀取數據參數并保存。主程序流程如圖8 所示。

下面所示為單片機的主程序，首先將系統初始化，先對所有的輸入和輸出端口初始化，全部對齊為低電平，然后再將定時器、串口3 完成全部初始化工作，Slaver_Inital（）中設置了485 的方向控制腳，設置TR 腳高電平為接受，低電平為發送，同時將串口1 作為WAN 口。然后將所有輸入變量設為低電平后進入開始測量。

圖8 系統程序流程Fig.8 System program flow chart

4 上位機軟件設計

系統軟件由VB.net 所編寫，采用模塊化的設計思路，分別設計了系統主程序界面，LCR11021 儀表通訊處理模塊，csv 文件處理模塊等。

如圖9 所示為軟件界面，有導入和保存數據的功能，還可以顯示當前測量的產品ID，通過CSV 處理模塊，產品的數據可以以CSV 文件的格式通過導入數據并將文件數據導入到軟件界面上顯示判斷測量出的參數是否符合標準；軟件右邊可以設定參數允許的誤差范圍的值，通常每個參數會測量10 次，并將每此的參數與10 組參數的平均值作比較后再判斷是否在允許的誤差范圍中，最終再判斷是否合格。

圖9 多通道LCR 測量儀顯示界面Fig.9 Multi-channel LCR meter display interface

LCR11021 通訊處理模塊則是起到軟件與測量儀的通訊功能， 當上位機軟件向測量儀發送字符TRIG 時，會觸發測量儀從而開始測量；發送字符串FETC 時，測量儀會向上位機軟件發送測量好的數據，上位機軟件則將接收到的字符進行解析并保存。

5 結語

本文研究的是一種高壓大功率半導體器件的參數測量系統設計，系統樣機如圖10 所示。系統實現了預期計劃的功能，能夠通過上位機軟件控制單片機對高壓大功率模塊進行自動化的檢測，可以準確判斷器件的損耗和開關速度是否符合標準，提高了產品的出廠合格率。在今后的改進中，還將為其開發網絡數據傳輸功能，使其可以隨時監控分析測量的數據，實現在不同部門之間的數據共享。

圖10 IGBT 參數測量系統樣機Fig.10 IGBT parameter measurement system prototype