Brevet FR2747474A1 — publié le 19971017

La présente invention concerne les moyens de vérifications des composants semiconducteurs de puissance et de leurs circuits de protection, tels que par exemple: thyristors, GTO, triacs, transistors NPN et PNP, MOSFET canal N et canal P, IGBT, MCT, relais statiques, diodes, diodes zenner, ecrêteurs, réseaux RC, éclateurs, varistors, etc... Le test complet d'un semi-conducteur de puissance fait appel à des installations complexes, lourdes et onéreuses, de même que pour les éléments de protection placés en parallèle sur les semi-conducteurs . Ces équipements sont nécessaires pour le contrôle en fin de fabrication mais à cause de leurs prix, très peu d'utilisateurs possèdent de telles installations . Le plus souvent, elles ne sont pas transportables, et sont montées en postes fixes dans les laboratoires. En conséquence, à partir du moment où les composants sont dans leur période d'utilisation normale, il n'existe pratiquement plus de moyens à disposition, adaptés à la vérification de leur fonctionnement . Le multimètre ne permet qu'une mesure de résistance sous quelques Volts et milliampères . A l'époque où le thyristor et la diode étaient les seuls semi-conducteurs de puissance, quelques appareils ont été développés, mais ils ne permettent pas la vérification des multiples nouveaux composants de puissance actuels, ni des circuits de protection. En outre, ils ne font pas de test de conduction à fort courant. Le but de l'invention est donc de mettre à la disposition des utilisateurs, des appareils portables permettant de vérifier par des tests et des mesures, les fonctions fondamentales de blocage, de conduction à fort courant, et de commande pour les composants semiconducteurs de puissance actuels, ainsi que de contrôler leurs éléments de protection A ces fins, le dispositif selon l'invention est caractérisé par le fait qu'il comporte en particulier: Des moyens de réglage et de commande des tests. Des éléments de commutation pour assurer les connections internes entre les générateurs et les sorties selon le type de test. Un circuit de gestion de l'ensemble qui assure le contrôle des séquences de test, des mesures, des calculs et qui gère simultanément ou indépendamment les éléments suivant - un générateur d'impulsion de haute tension et de faible courant réglables, pour le contrôle de l'état de blocage par les mesures de la tension de blocage crête, de la tension de blocage finale, du courant de blocage final et pour le contrôle du condensateur des réseaux RC de protection par la mesure de sa capacité C pendant la montée en tension de l'impulsion selon l'équation: C = i / dv/dt, sachant que i est le courant de haute tension en un point et que dv/dt est la vitesse de montée de la haute tension au même point. - Un générateur d'impulsion de courant fort réglable, pour le contrôle de l'état de conduction par les mesures de la tension et du courant de conduction et par le calcul de la résistance et du seuil de conduction - Un générateur d'impulsion de tension de polarisation réglable, pour maintenir certains composants dans leur état de blocage - Un générateur d'impulsion de tension de commande réglable à limitation de courant réglable, pour la mise en conduction ou le contrôle de la tension et du courant de commande de certains composants - Un organe d'affichages pour les résultats des tests Le dispositif est équipé d'un connecteur de sortie pour brancher le composant à tester. Les générateurs de polarisation et de commande possèdent une isolation afin de permettre toutes les possibilités de branchement selon le type de composant à contrôler. Le dispositif comporte également un circuit d'alimentation générale Selon des modes particuliers de réalisations le courant fort est fourni par un circuit oscillant à basse tension comprenant une inductance avec diode de roue libre et un condensateur électrochimique chargé avant le test. Pour les impulsions de puissance supérieure à celle que peut fournir l'alimentation, les sources d'énergie pour les impulsions de haute tension et de commande sont des condensateurs électrochimiques chargés avant le test le générateur d'impulsion de commande possède un mode de fonctionnement dans lequel il délivre une impulsion de tension à montée progressive et à limitation de courant par résistance variable pour la recherche automatique de la tension et du courant de commande. Ce générateur possède un autre mode de fonctionnement dans lequel les signaux de sortie sont découpés en impulsions de courtes durées pour permettre le test de certains thyristors montés dans des ensembles, et pour lesquels la gâchette n'est accessible qu'au travers d'un transformateur d'impulsion Les principaux avantages apportés par ce dispositif peuvent se résumer: par la séparation en un test de blocage à haute tension et faible courant et un test de conduction à courant fort sous faible tension, le testeur n'a pas à fournir la puissance que le composant est capable de commuter. Par exemple avec un générateur d'impulsion de haute tension de 3000 volts et 0,2 ampères soit 600 watts, et un générateur d'impulsion de courant fort de 600 ampères et 5 volts soit 3000 watts, on peut tester un composant de 3000 volts et 600 ampères soit 1800kilowatts . Cela permet la réalisation de testeurs portables pour des composants à très fortes puissances commutées Par la charge préalable de condensateurs, les fortes puissances au moment du test ne sont pas fournies par l'alimentation, ce qui permet un fonctionnement autonome sur piles ou accumulateurs. Grâce à l'isolation des générateurs de polarisation et de commande, toutes les possibilités de branchement sont possibles en fonction du composant à tester, de ce fait le dispositif selon l'invention est d'un usage universel Par la conception en générateurs séparés, cela permet la réalisation de dispositifs simplifiés avec seulement 1,2 ou 3 générateurs, pour des tests spécifiques de composants qui n'ont pas d'organe de commande ou d'état de conduction. Par le choix d'afficher des mesures quantitatives, cela permet d'effectuer des analyses comparatives entre plusieurs composants, ainsi que des analyses de l'évolution d'un paramètre sur un composant. Les dessins annexés illustrent l'invention la figure 1 est un schéma fonctionnel d'une première forme non limitative de réalisation selon l'invention. la figure 2 représente le schéma de branchement pour le test d'un thyristor équipé d'un réseau de protection par circuit (roc). la figure 3 représente le schéma fonctionnel d'une variante de ce dispositif. la figure 4 donne une vue de la disposition des organes de commande, de réglages et d'affichages d'un exemple non limitatif de réalisation selon la variante du dispositif représentée à la figure 3. la figure 5 est un diagramme des impulsions qui correspond à un test de blocage. la figure 6 est un diagramme des impulsions qui correspond à un test de conduction la figure 7 est un diagramme des impulsions qui correspond à un test de commande pour un composant à commande par effet de champ selon la variante de la figure 3. la figure 8 est un diagramme des impulsions qui correspond à un test de commande pour un composant à commande par jonction conductrice selon la variante de la figure 3. En référence à ces dessins, le dispositif comporte : un circuit de gestion (1) recevant les valeurs de réglages et les commandes provenant de l'organe de réglage (2) et transmettant ces signaux aux générateurs (3 à 6) . Le générateur (3) est un générateur d'impulsion de haute tension (Vbloc, 11) réglable et de courant (Ibloc) réglable. Le générateur (4) est un générateur d'impulsion de courant fort (Icond, 12) réglable à basse tension de sortie (Vcond) . Le générateur (5) est un générateur d'impulsion de tension négative (Vpol, 13) réglable pour polariser certains composants pendant le test de blocage. II possède une isolation (1 5). Le générateur (6) est un générateur d'impulsion de tension positive (Vcde, 14) réglable et de courant (Icde) réglable, pour la mise en conduction de certains composants pendant le test de conduction ou le test de commande. II possède une isolation (16) . L'élément de commutation (7), commandé par l'organe de réglage (2), effectue les liaisons internes en fonction du type de test, entre les fils (+) et (-) qui sortent des 4 générateurs (3 à 6), et les 4 bornes (P+, P-, cde+, cde-) du connecteur de sortie (8), sur lequel est branché le composant à tester (10) . Un dispositif d'affichage (9) donne les résultats du test effectué selon les mesures et les calculs du circuit de gestion (1) . La figure 2 représente le branchement d'un élément à tester (10) sur le connecteur (8) A titre d'exemple non limitatif, cet élément est composé d'un thyristor (Th), connecté à un réseau (RC) de protection, lequel comprend une résistance (R) et un condensateur (C) . Dans la variante représentée à la figure 3 - le générateur de courant fort (4) est constitué par un circuit oscillant (L1, C1) avec diode de roue libre (D1) . Une diode (D2) empêche l'inversion de tension sur (C1); un thyristor (Thi) permet d'enclencher l'impulsion de courant fort (12) . - Le générateur de commande possède deux modes supplémentaires : le mode à montée progressive (18), pour la recherche automatique des paramètres de commande, et le mode par découpage ou haché (19), pour le test au travers d'un transformateur d'impulsions. - La limitation de courant est faite par une résistance variable (Rcde,17) . - L'élément de commutation (7) possède 2 positions supplémentaires, l'une pour le test de blocage inverse et l'autre pour le test de commande, ainsi qu'une position arrêt. - Le connecteur (8) possède des fils (p+) et (p-) pour une mesure plus précise de la tension de conduction aux bornes du composant. La figure 4 est une vue du panneau de réglages et commandes (2), et d'affichages (9) d'un exemple non limitatif de réalisation selon la variante de la figure 3, pour un appareil de calibre : 3000 volts et 0,2 ampère en blocage 600 ampères et 5 volts en conduction; 20 volts et 10 ampères en commande; 20 volts en polarisation . On y trouve également représentés: le bouchon d'accès aux piles (20), la prise pour alimentation 115/230V (21) et le connecteur de sortie (8) . Sur le diagramme (Vbloc, Ibloc) de la figure 5 qui correspond à un test de blocage, les points (22, 23) de l'instant (t) correspondent à la mesure de ( C ),le point (24) à celle de la tension (Vbloc) crête, le point (25) à (Vbloc) final, le point (26) au courant (Ibloc) final Sur le diagramme (Icond, Vcond) du test de conduction de la figure 6, la valeur crête du courant (Icond, 12) est au point (27), la tension correspondante en (28), les points intermédiaires (29 à 32) servent à la détermination de la résistance de conduction (Rcond), et par extrapolation aux points (33) et (34), à la détermination de la tension de seuil de conduction du composant (seuil). Sur les figures 7 et 8 du test de commande selon la variante de la figure 3, le point (35) est le moment d'allumage du thyristor (Thi), (VC1) correspond à la tension de charge de la capacité (C1) du circuit de courant fort (4), le point (36) est le début de la montée de la tension de commande, (37) est le début de la montée du courant de commande pour un composant à jonction, (38) est le point intermédiaire de mise en conduction du composant en test, (39) et (40) sont les points correspondants de la tension de commande (vcde) et du courant de commande (icde) . Le fonctionnement du dispositif peut être décrit comme suit, en se référant aux différents dessins le branchement du composant à tester (10) sur le connecteur (8) ainsi que les réglages et les conditions de test sont effectués d'après la fiche technique du composant Les isolations (15) et (16) des générateurs de polarisation et de commande (5) et (6) permettent toutes les possibilités de branchement selon le type de semi-conducteur en test Lors d'un test de blocage, les bornes (+) et (-) du générateur (3) de haute tension sont connectées par (7) respectivement en (P+) et (P-) du connecteur (8) . Les sorties (+) et (-) du générateur de polarisation (5), sont connectées par (7) respectivement en (cde+) et (cde-) du connecteur de sortie (8) . Les autres générateurs ne sont pas utilisés Pour un test de blocage inverse, selon la variante figure 3, les bornes (+) et (-) du générateur de haute tension sont reliées respectivement en (P-) et (P+) de (8) . Au moment du test, une impulsion négative (Vpol, 13) est appliquée sur la borne (cde+), ensuite la haute tension (Vbloc, 11) est appliquée progressivement en (P+), ou en (P-) dans le cas d'un test de blocage inverse. Pendant la montée de la tension (11, fig. 5) , tout condensateur éventuel connecté entre les sorties (P+) et (P-) sera chargé selon la loi : i = C x dv/dt sachant que (i) est le courant de charge, et que (dv/dt) est la vitesse de montée de tension aux bornes du condensateur (C ) . Le circuit de gestion (1) mesure le courant (i) et le (dv/dt) de haute tension à l'instant (t), aux points (22, 23), ensuite, il fait le calcul : C = i / dv/dt Cet instant (t) sera situé de préférence au départ de la montée afin de rendre négligeable l'erreur due au courant de fuite du composant . II faut cependant signaler qu'un petit nombre de circuits (RC) sont équipés d'une résistance parallèle de faible valeur, pouvant occasionner une erreur de mesure de (C ), dans ce cas, une solution simple sera de calculer la valeur de cette résistance parallèle, par exemple aux points (25) et (26) ci-après et de corriger l'erreur sur le courant (i) en déduisant le courant de cette résistance Le circuit de gestion mesure également: (Vbloc crête, 24), (Vbloc final, 25), et le courant (Ibloc final, 26) . Ces mesures sont affichées selon le nombre d'afficheurs dont dispose l'appareil . Dans le cas non limitatif de l'exemple figure 4, les mesures de ( C ) et (Ibloc final) sont affichées tandis que les mesures de (Vbloc crête) et (Vbloc final) sont au choix Nous remarquons dans le cas de la figure 5, que le courant est inférieur à la valeur limite (Ibloc) de réglage, car, dans cet exemple, la tenue en tension du dispositif est supérieure à la tension d'essai (Vbloc) réglage et le courant de charge de (C ) est inférieur à (Ibloc) réglage Dans un certain nombre de cas, la valeur limite du courant de réglage pourra être atteinte, cela aura pour conséquence de réduire soit la vitesse de montée (dV/dt), soit les tensions (Vbloc crête, 24) et (Vbloc final, 25), soit l'ensemble . Les formes des impulsions pourront être différentes, mais toutes les mesures et tous les calculs resteront valables Le fonctionnement en limitation de courant sera le mode préférentiel pour le contrôle des éléments de protection par écrêtage ou par amorçage . On l'atteindra très simplement en choisissant une valeur de réglage de (Vbloc) supérieure à la tension du dispositif à contrôler. Pour un bon déroulement du test de blocage qui vient d'être décrit : il faut que l'impulsion (11) parte de 0 Volt, pour cela le dispositif est équipé d'un détecteur de tension qui signale toute présence initiale de tension aux bornes des sorties avant le test ; ensuite, si le composant comporte un réseau (RC) , il est possible que le condensateur du (RC) reste chargé à la fin du test, le générateur (3) de haute tension est donc équipé d'un circuit de décharge approprié . Enfin, selon la valeur de réglage, le courant disponible sous haute tension pourra être dangereux pour l'opérateur, dans ce cas, des fils non représentés ajoutés sur (8) permettront de brancher des systèmes de protection par capots et interrupteurs de sécurité Lors du test de conduction, les sorties (+) et (-) du générateur de courant fort (4), sont connectées par (7) respectivement en (P+) et (P)- du connecteur (8) . Les sorties (+) et (-) du générateur de commande (6) sont connectées par (7) respectivement en (cde+) et (cde-) du connecteur (8) . Les autres générateurs ne sont pas utilisés pour ce test, sauf éventuellement, de façon interne, par exemple dans le cas de la variante figure 3, le générateur (3), pourrait être avantageusement utilisé pour charger le condensateur (C1) du circuit (4) . Au moment du test, l'impulsion (14) du générateur de commande (6) est déclenchée en même temps que l'impulsion (12) du générateur de courant fort (4) . En référence à la figure 6, le circuit de gestion mesure (Icond crête, 27) et (Vcond à Icond crête, 28) . II effectue également deux mesures de tension (V1) et (V2), aux points (31, 32) à deux niveaux de courant (11) et (12), aux points (29, 30) . II calcule la résistance de conduction : (rcond) = -V2)/(li -12) . Par les extrapolations de (29, 30) au point de courant nul (33),et de (31, 32) au point (34) il détermine la tension de seuil (Vseuil) . Dans le cas de la variante figure 3, le courant fort est généré par un circuit oscillant formé d'un condensateur (C1) chargé avant le test, qui se décharge au travers d'une inductance (L1), créant un courant sinusoïdal . Après 4 de période, au moment où la tension devrait s'inverser, (D1) devient conductrice, (D2) crée un seuil qui empêche la tension aux bornes de (C1) de devenir négative . Le courant décroît progressivement par la décharge de (L1) . Selon certaines réalisations, on pourra avoir plusieurs gammes de courant, par des inductances différentes, ou par l'adjonction de résistances d'amortissement en série. En cas de test sur une diode, c'est (Thi) qui est l'élément déclencheur, en cas de test sur un composant actif, (Thi) est activé un peu avant le générateur de commande, et c'est le composant en test qui est déclencheur sous l'action de l'impulsion de commande Les 2 fils (p+) et (p-) auront été préalablement connectés respectivement aux fils (P+) et (P-) au plus près possible du semi-conducteur en test, afin d'éliminer l'erreur due à la chute de tension dans les fils de connexions. Les résultats sont affichés . Pour le test de commande, le circuit de courant fort est le même que pour un test de conduction, par contre les valeurs de réglages pourront être différentes Le test de commande selon la première forme de réalisation figure 1, ne se différencie pas du test de conduction sauf par la manière de procéder: on recherche par essais successifs quelles sont les valeurs de (Vcde) et (lcde) qui provoquent la mise en conduction du composant. Avec la deuxième forme de réalisation de la figure 3, grâce au mode à application progressive, cette recherche est automatique selon les figures 7 et 8 le thyristor (Thl) est enclenché au point (35), la tension (VC1) de charge de (C1) apparaît aux bornes du composant . Ensuite, la tension de commande est appliquée progressivement à partir du point (36); dans le cas d'une commande par jonction (fig. 8), le courant de commande commence à croître au point (37), lorsque la tension atteint le niveau du seuil de conduction de la jonction . Grâce à la présence de la résistance (Rcde, 17), la croissance du courant est progressive à l'image de la tension . Ensuite le composant devient conducteur, la tension à ses bornes diminue, et au point intermédiaire (38), le circuit de gestion mesure les valeurs instantanées de la tension de commande (vcde, 39), et du courant (icde, 40) . Ces valeurs sont affichées. Le fonctionnement est le même dans le cas du découpage du signal en impulsions de courtes durées ou (Vcde) haché . Ce mode n'est destiné qu'au test de thyristors n'ayant pas d'accès direct à la gâchette sauf au travers d'un transformateur d'impulsions. Le dispositif selon l'invention est susceptible d'avoir de nombreuses applications industrielles sous diverses formes allant du modèle le plus complet à circuit de gestion par microprocesseur et affichage sur écran graphique avec visualisation XY des formes d'impulsions, au modèle le plus simple pour le test de blocage seul, ne comportant qu'un seul générateur de haute tension et un seul affichage commuté sur la mesure du courant si la tension de réglage est atteinte ou sur la mesure de la tension si le courant de limitation est atteint. Ces multiples appareils pourront convenir plus particulièrement à l'un ou l'autre des domaines industriels suivants : les laboratoires d'électronique, les services d'études et d'entretien pour: les transports par énergie électrique, la production et la conversion d'énergie, la métallurgie, la sidérurgie, I'électrochimie, les entraînements de moteurs, les automatismes industriels, le chauffage par induction, la marine, etc... REVENDICATIONS 1) Dispositif portable pour le test des composants semi-conducteurs de puissance et de leurs éléments de protection (10), caractérisé par le fait qu'il comporte un organe de réglage (2) donnant les conditions de test d'une part à un organe de commutation (7) pour le branchement des générateurs (3 à 6) sur un connecteur de sortie (8), et d'autre part à un circuit de gestion des séquences mesures et calculs (1), gérant simultanément ou indépendamment: le générateur (3) d'impulsion de haute tension réglable (11) avec limitation de courant réglable, pour le contrôle de l'état de blocage par les mesures de la tension de blocage crête (24), de la tension de blocage finale (25), du courant de blocage final (26), et le contrôle du condensateur (C) des réseaux (RC) de protection ; le générateur (4) d'impulsion de courant fort réglable (12), pour le contrôle de l'état de conduction par la mesure du courant de conduction (27), de la tension de conduction (28), ainsi que par la détermination de la résistance de conduction et de la tension de seuil de conduction (34); le générateur (5) d'impulsion de tension de polarisation réglable (13), pour le maintient à l'état de blocage de certains composants ; le générateur (6) d'impulsion de tension de commande réglable (14) avec limitation de courant réglable, pour la mise en conduction, ou pour le contrôle de la tension et du courant de commande de certains composants ; un organe d'affichage (9) pour les résultats des tests . Le dispositif possède une alimentation générale 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le circuit de gestion (1) mesure le courant (i) et la vitesse de montée (dv/dt) de l'impulsion de haute tension (11) en un point de sa montée, et qu'il effectue le calcul de la valeur de la capacité du condensateur (C ) des réseaux (RC) de protection par l'équation C = i / dv/dt. 3) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce que le générateur (4) d'impulsion de courant fort est un circuit oscillant (L1, C1), avec diode de roue libre (D1) et dans lequel (C1) est un condensateur électrochimique chargé avant le test 4) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les générateurs (5) et (6) d'impulsions de polarisation et de commande possèdent des isolations (15) et (16) afin d'autoriser toutes les possibilités de branchement selon le type de composant à contrôler. 5) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé par le fait que le générateur (6) d'impulsion de commande possède une limitation de courant par résistance variable (17), un mode facultatif de fonctionnement à montée progressive (18) pour la recherche automatique de la tension de commande (39) et du courant de commande (40), et un autre mode facultatif de fonctionnement par découpage du signal en impulsions de courtes durées (19) pour le test de thyristors avec transformateurs d'impulsions dans le circuit de gâchette 6) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé par le fait que pour les impulsions de puissance supérieure à celle que peut fournir l'alimentation, les sources d'énergie des générateurs (3) et (6) sont constituées par des condensateurs électrochimiques chargés avant le test.