高压大功率半导体的参数测量系统设计

方临阳，张 屹，栾文龙，徐 俊，黄新林

（常州大学 机械工程学院，常州213100）

变流器作为电能变换系统中的重要部分，广泛应用于新能源发电、电动汽车、轨道交通等新兴领域中。而IGBT 在中大功率变流器领域里则有广泛的应用，其动态性能是影响器件安全工作的重要因素。因此建立合适的测试平台不仅对评估器件、模块自身的性能意义重大，对器件和模块的应用也是必不可缺的环节。由于设计结构，IGBT 内部存在许多寄生电容， 这些等效电容可以简化为IGBT 各级之间的电容：①输入电容Cies=CGC+CGE，当输入电容充电致阈值电压时器件才能开启，放电致一定值时器件才可以关断， 因此主要影响器件的开关速度、开关损耗；②输出电容Coes=CGC+CCE，主要影响器件Vce的变化，限制开关转换过程中的dv/dt，造成的损耗一般可以被忽略；③反向传输电容Cres=CGC，常叫米勒电容， 主要影响器件栅极电压VGE和VCE的耦合关系[1-2]。本文主要设计一种自动化测量平台来对IGBT 模块的各点参数进行测量并判断器件的损耗和开关速度是否符合标准。

1 机械结构设计

如图1 所示为参数测试平台的整体结构，它由进给结构和下压结构组成。IGBT 模块通过磁偶无杆气缸送入参数检测平台，进给平台上有一L 型折片，当进给平台到达指定位置后，L 型挡片遮挡住接近开关光线，单片机接收到指令后，上方气缸下压将探针与模块上的各个引脚接触，由于测量触点较小，所以上方气缸采用双轴气缸防止测量中探针板的旋转。

图1 整体结构图Fig.1 Overall structure diagram

测量结构中的硬件结构分为控制板和探针板两部分，如图2 所示上方的为控制板，上面是主要的测量电路，而下方的是探针板可以对应不同的IGBT模块进行替换。

图2 测量模块结构图Fig.2 Measurement module structure diagram

2 系统硬件设计

2.1 中央处理单元模块

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， 它含有以太网处理器、USB 主机/从机/OTG 接口、4 个UART 通用串行接口、2 条CAN 通道， 可以实现大部分外部通信，同时它的70 个通用I/O 管脚也满足了本设备测量时所需的输出口。

2.2 电源电路设计

由于本设计使用的是24 V 的开关电源，所以需设计一种24 V 转换为3.3 V 的电路，具体电路如图3、图4 所示，通过LM2576 先将24 V 电压转换为5 V 后，再通过AS1117 将5 V 电压转换为3.3 V 后给CPU 内核和IO 供电。需要注意的是LM2576 的输入电容C2一般应大于或等于100 μF， 安装时要求尽量靠近LM2576 的输入引脚， 同时为防止在输入端出现大的瞬间电压，选择了低ESR 的铝或钽电容作为旁路电容。输出端使用470 μF 的低ESR 的钽电容，防止电容值太大，会在某些情况（负载开路、输入端断开）对器件造成损害。

图3 25 V 转5 V 电路Fig.3 25 V to 5 V circuit

图4 5 V 转3.3 V 电路Fig.4 5 V to 3.3 V circuit

2.3 开关量输入和输出模块

开关量输入电路采用东芝的TLP281 光耦芯片，光耦芯片内部是由发光二极管和光电三极管构成， 其中IF 是发光二级管的允许最大正向电流，查询参考手册得知IF 最大不超过50 mA，由于外部驱动电压为24 V，所以在发光二级管的阳极并联1 个4.7 k 的电阻。发光三级管允许通过的最大电流为50 mA，当三级管的负载电压为3.3 V 时，Vce会很小，可以忽略不计，所以选择10 k 的电阻。通讯模块则采用集成电源隔离、 电气隔离、RS-485 接口芯片和总线保护器于一身的RSM348CHT 通讯模块， 具体的输入电路如图5 所示。

图5 开关量输入电路Fig.5 Switch input circuit

图6 485 通讯芯片Fig.6 485 communication chip

由于单片机IO 的驱动能力有限，对于单片机来说，继电器和电磁阀这种负载已经属于大功率的负载，超出大多数单片机的IO 驱动能力。而且这类感性负载在关断时会产生自感电压，容易烧坏单片机，所以这边采用ULN2003 来驱动继电器，ULN2003 是高耐压、大电流复合晶体管阵列，由7 个硅NPN 复合晶体管组成，每一对达林顿都串联一个2.7 k 的基极电阻，在5 V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。需要注意的是GND 管脚须与驱动电源的负极形成等电位。我们在芯片的VCC 脚和GND 脚之间加一个0.1 μF 的电容，防止ULN2003在导通或截止时， 驱动感性负载的线圈会有反电势，会对电路产生干扰，起到滤波的之作用，具体开关量输出电路如图7 所示。

图7 开关量输出电路Fig.7 Switch output circuit

如表1 所示为单片机对应的I/O 地址分配，由于测量探针较小，所以测量位置需要入位传感器来反馈模块是否到达指定位置；当模块到达指定位置后，为防止下压气缸走的行程过多，导致模块引脚被压弯所以需要有下位传感器；上位传感器则是防止测量模块未上升但是IGBT 模块已经退出从而导致的引脚弯折。

表1 单片机I/O 地址分配表Tab.1 MCU I/O address allocation

2.4 测量模块

IGBT 模块的内部实际上是由多个MOSFET 和PNP 晶体管复合而成的一种器件，所以对应的所需测量的寄生电容也很多， 表2 所示为此次IGBT 模块所需的测量点。红棒连接LCR 测量仪上的正，黑棒则连接测量仪的负，测量电路通过3 个ULN2003驱动各个测量点的继电器进行切换，继电器上并联的led 灯则可以清晰的显示测量的点位。测量的数据保存在LCR 测量仪中，当所有的点位测量完成时则传给上位机。

表2 测量点位表Tab.2 Measuring point

3 主程序设计

本设计采用模块化设计，单片机主程序首先让单片机各个部分进行初始化设置，当上位机软件读取配置数据后，确认探针板型号正确，则给下位机发送型号开始测量，测量完成后，上位机软件接受到信号， 然后向LCR 测量仪读取数据参数并保存。主程序流程如图8 所示。

下面所示为单片机的主程序，首先将系统初始化，先对所有的输入和输出端口初始化，全部对齐为低电平，然后再将定时器、串口3 完成全部初始化工作，Slaver_Inital（）中设置了485 的方向控制脚，设置TR 脚高电平为接受，低电平为发送，同时将串口1 作为WAN 口。然后将所有输入变量设为低电平后进入开始测量。

图8 系统程序流程Fig.8 System program flow chart

4 上位机软件设计

系统软件由VB.net 所编写，采用模块化的设计思路，分别设计了系统主程序界面，LCR11021 仪表通讯处理模块，csv 文件处理模块等。

如图9 所示为软件界面，有导入和保存数据的功能，还可以显示当前测量的产品ID，通过CSV 处理模块，产品的数据可以以CSV 文件的格式通过导入数据并将文件数据导入到软件界面上显示判断测量出的参数是否符合标准；软件右边可以设定参数允许的误差范围的值，通常每个参数会测量10 次，并将每此的参数与10 组参数的平均值作比较后再判断是否在允许的误差范围中，最终再判断是否合格。

图9 多通道LCR 测量仪显示界面Fig.9 Multi-channel LCR meter display interface

LCR11021 通讯处理模块则是起到软件与测量仪的通讯功能， 当上位机软件向测量仪发送字符TRIG 时，会触发测量仪从而开始测量；发送字符串FETC 时，测量仪会向上位机软件发送测量好的数据，上位机软件则将接收到的字符进行解析并保存。

5 结语

本文研究的是一种高压大功率半导体器件的参数测量系统设计，系统样机如图10 所示。系统实现了预期计划的功能，能够通过上位机软件控制单片机对高压大功率模块进行自动化的检测，可以准确判断器件的损耗和开关速度是否符合标准，提高了产品的出厂合格率。在今后的改进中，还将为其开发网络数据传输功能，使其可以随时监控分析测量的数据，实现在不同部门之间的数据共享。

图10 IGBT 参数测量系统样机Fig.10 IGBT parameter measurement system prototype