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应用分享 | 超稳定低纹波电源在功率半导体器件功率循环测试中的应用

应用分享 | 超稳定低纹波电源在功率半导体器件功率循环测试中的应用

2024-07-25

什么是功率半导体器件？

功率半导体器件（Power Electronic Device）是一种实现电能变换和控制的电力电子器件，在电路中起着整流、逆变、升/降压、变频等作用，广泛应用于新能源、轨道交通、电动汽车、开关电源、工业自动化等行业。按照器件工作原理，功率半导体器件一般可分为MOSFET、IGBT、二极管、BJT等。

全球功率半导体器件市场占比

功率半导体主要应用示意图

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功率半导体器件一般运行于工业级、车规级等各种严苛环境，对于产品可靠性要求较高，因此，可靠性成为了器件研发设计、制造、封测等全产业链的关注重点。其中，功率循环测试是考核功率器件封装可靠性关键测试项之一。各等级功率器件可靠性测试标准见下表。

功率循环测试标准要求、测试痛点

测试要求

功率循环测试（Power Cycling）是一种给半导体器件间歇性通电加热，使器件温度发生波动、进而评估器件可靠性的测试方法，加热电源给被测器件施加一定占空比(t_on/(t_on+t_off))的电流I_L，使器件加热达到指定最大结温T_vj.max。当负载电流被切断后，通过控制系统散热使器件的结温降至最小结温T_vj.min，如此循环往复，从而实现对器件封装可靠性的全面考核。

以常用的车规级标准AQG 324为例，标准由欧洲电力电子研究中心（ECPE）于2021年发布，规定了功率器件模组环境、寿命、模块特性检测等验证项目，详见附录。其中，9.2/9.3部分分别对功率模组的秒级、分钟级功率循环测试提出了要求，测试条件见下表，秒级功率循环t_on＜5s，分钟级功率循环t_on＞15s，加热电流应>0.85I_N。

测试痛点

加热电源是功率循环测试系统的核心测试设备，能够为被测功率模组提供加热能量，其稳定性、纹波、体积等参数对于系统可靠运行至关重要。

稳定性

功率循环测试次数一般高达数万次，如秒级功率循环≥6万次，分钟级功率循环≥1.5万次，每次周期循环意味着加热电源需通断一次，如电源运行时动态响应不及时或电流出现较大波动甚至过冲等问题，对于加热能量控制、功率器件安全运行将产生不利影响。同时，功率器件额定工作电流一般为数十A~千A级，长时间大电流工作对于电源的控制稳定性与动态特性提出了更高的挑战。

纹波

纹波过高可能导致器件内部元件过热，缩短器件工作寿命，严重影响长时间的功率循环测试。

体积

一般功率循环测试系统需要多台大电流电源，如测试电源体积过大，对客户预留测试空间要求较高。

操作友好性

加热电源一般集成于功率循环测试系统，测试时间长、数据多，对电源通讯接口、协议和软件的丰富性提出了较高的要求。

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