[发明专利]大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法

说明书

本发明公开了一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法。由控制单元、充电单元、主电路单元、保护单元组成，保护技术主要包括利用限流电阻R0、慢放电阻R1和快放电阻R0对充电单元的限流和泄能保护；利用隔离电路和光纤对控制单元的电磁干扰屏蔽保护；利用直流开断保护器件SCR及其触发电路、屏蔽罩和保护二极管D1对主电路单元的调控、绝缘隔离和过压保护。本发明能实现大容量功率半导体模块绑定线在极限工况下的电爆炸过程再现，解决测试系统的电磁干扰问题及测试过程中单元部件失效安全性问题，实现了电磁干扰屏蔽和出现故障情况时测试人员的安全保护，能够安全可靠地进行铝绑定线电爆炸测试。

技术领域

本发明涉及电力电子功率模块可靠性工程技术领域的一种电爆炸测试系统和方法，尤其是涉及一种大容量功率半导体模块铝绑定线电爆炸测试系统及方法。

背景技术

大容量功率半导体器件是第三次技术革命的代表性产品，是电力电子变换器中电磁能转换与传输的核心部件，被广泛应用于机车牵引、智能电网、航空航天、国防军事等领域。目前工业应用对电力电子变换器的功率等级需求达到了MW级甚至GW级，而现有商用大容量功率半导体模块功率等级难以满足，需要采用多个功率模块串联或并联的方式。同时为了满足变换器功率密度需求，串联或者并联的功率模块布局紧凑，一个功率模块的失效爆炸产生的破损物和火花会危及到相邻的功率模块，严重影响功率变换器的可靠性和生存力。

从大量现场事故和研究报告来看，大容量功率半导体模块爆炸普遍被认为是由于半导体芯片对能量失去控制能力之后，因为热聚集引发内部金属材料电爆炸效应而产生的。在功率变换器实际运行过程中由于器件失控或者变换器中的某一器件损坏将会导致出现桥臂直通的现象，此时功率模块中流过的电流为其额定电流的6～8倍，对于大容量功率半导体模块而言，桥臂直通时的短路电流会达到10kA甚至更高，此时大电流产生的焦耳热聚集引发内部金属绑定线电爆炸效应。电爆炸效应是指金属丝在极短的时间内通以很高密度的脉冲电流时，温度急剧升高，由固体变成液体，再到气体，等离子体，并伴随着发光、发热、冲击波、电磁辐射等物理现象。在铝绑定线电爆炸过程中，半导体芯片损毁严重，随即出现功率模块外壳结构失稳和功率母排解列爆裂现象。功率模块的塑料外壳以及硅胶将产生空隙将使得外部空气进入功率模块内部，加上铝绑定线电爆炸产生的高压高温蒸汽柱，功率模块内部压强急剧增大，会引起二次爆炸事故。

因此亟需一个极限工况下的电爆炸测试系统模拟实际运行工况中大容量功率半导体模块铝绑定线的电爆炸情况，以探究功率模块绑定线安全边界以及对实际工况下功率模块进行安全性评估。目前来看，脉冲功率技术和保护技术为电爆炸测试系统中最重要的两部分。

脉冲功率技术其特点是通过充电的方式先将巨大的能量预存于储能元件中，然后经由快速开关以极高的瞬时功率将该能量于极短时间内释放到上绑定线上完成电爆炸测试。电感储能的储能密度高但效率不高(详见专利号：CN201610245600.3)；电容储能效率较高、重复性好且可靠性高，而电爆炸测试系统需要长期不间断运行且对可靠性要求高，因此可以采用电容储能的方式。目前电容器充电技术比较成熟的有三种：带限流电阻的高压直流电源充电，方案实施简单但效率较低；工频谐振式恒流充电，充电恒流特性好，但电压稳定性不高以致难以适应大功率场合；高频开关变换器充电，适用于大功率场合，但存在较大的材料绝缘和分布参数的问题。考虑到大容量功率半导体模块的应用场景以及整套测试系统操作可靠性问题，上述第一种带限流电阻的高压直流电源充电方法是最常用的。

而电爆炸测试系统工作时难免会遇到各种干扰和安全防护的问题，尤其是在高压大电流的工作环境下，功率开关器件和继电器动作、脉冲电容器释放能量和铝绑定线伴有发光、发热、冲击波现象的电爆炸瞬间都容易给信号采集和部件通讯带来电磁干扰问题。此外测试过程中可能会出现的充电异常、开关器件故障、直流开断保护失效的情况，会带来测试系统操作安全问题。

发明内容