Способ определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия транзисторов с полевым управлением - RU2685769C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров компонентов силовой электроники и может быть использовано для определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z_ThJC(t) и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC транзисторов с полевым управлением, в частности биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) для контроля их качества.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является метод определения теплового сопротивления кристалл-корпус силовых полупроводниковых приборов , заключающийся в том, что полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока заданной амплитуды, измеряют в процессе нагревания значения его температурочувствительного параметра, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле, на интервале нагревания дополнительно измеряют температуру основания корпуса прибора в выбранной точке, запоминают эти значения, получая их зависимости от времени, прекращают нагрев полупроводникового кристалла при достижении заданного значения температуры корпуса и в режиме естественного охлаждения при подаче на кристалл коротких измерительных импульсов тока с амплитудой, равной амплитуде на этапе нагрева, и с длительностью и скважностью, минимально влияющих на тепловое равновесие прибора, измеряют и запоминают значения температурочувствительного параметра и температуры основания корпуса, получая их зависимости от времени уже на интервале охлаждения, при этом длительность интервала охлаждения t_int выбирают из условия безусловного выполнения t_int>>3τ_max, где τ_max – наибольшая тепловая постоянная конструкции прибора, определяют момент динамического равновесия на интервале нагрева и по полученным зависимостям вычисляют тепловое сопротивление переход-корпус в данный момент динамического равновесия [1].

Первый недостаток известного решения обусловлен тем, что в процессе испытания в кристалле испытуемого прибора выделяется тепло, что непрерывно изменяет величину выделяемой в нем мощности. При этом возникают переходные тепловые процессы, влияние которых снижает точность способа.

Второй недостаток связан с использованием в качестве температурочувствительного параметра прямого падения напряжения на кристалле, которое нелинейно зависит от температуры. При этом наибольшая чувствительность измерения температуры кристалла испытуемого прибора достигается при наибольшем изменении мощности в кристалле испытуемого прибора. Это обуславливает снижение точности определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z_ThJC(t) и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC.

В известном решении при подаче измерительных импульсов на этапе охлаждения мощность каждого импульса определяется произведением постоянной величины тока и переменной для каждого импульса величины температурочувствительного параметра. Мощность каждого измерительного импульса отличается от предыдущего, что ведет к снижению точности калибровки температурочувствительного параметра и снижению точности определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z_ThJC(t) и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC.

Технический результат заключается в повышении точности определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z_ThJC(t) и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC транзисторов с полевым управлением.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z_ThJC(t) и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC транзисторов с полевым управлением нагрев испытуемого транзистора осуществляют путем пропускания через него постоянного тока при условии поддержания в структуре испытуемого транзистора выделяемой в ней мощности постоянной заданной величины P_H, при этом на этапе нагрева одновременно измеряют значения температуры корпуса и температурочувствительного параметра, по которым получают их зависимости от времени нагрева. При достижении температуры корпуса испытуемого транзистора заданного значения прекращают нагрев и на последующем этапе естественного охлаждения подают измерительные импульсы тока прямоугольной формы с амплитудой, при которой в структуре транзистора поддерживается величина постоянной мощности равная мощности P_H, которая выделялась на этапе нагрева, и при длительности и скважности которых выделяемая электрическая энергия минимально влияет на тепловые процессы в структуре испытуемого транзистора. В качестве температурочувствительного параметра при этом используют напряжение на затворе испытуемого транзистора U_G.Измерительные импульсы тока подают через промежуток времени не менее 2τ после прекращения нагрева, где τ – значение тепловой постоянной кристалл-корпус в соответствии с данными паспорта испытуемого транзистора. При этом при подаче каждого измерительного импульса измеряют и сохраняют значения температуры корпуса T_C(n) и температурочувствительного параметра U_G(n), где n – порядковый номер измерительного импульса, получают функцию взаимосвязи температуры кристалла и температурочувствительного параметра T_J(U_G), вычисляют переходное тепловое сопротивление кристалл-корпус Z_ThJC(t) на интервале нагрева по формуле:

где T_J(U_G(t)) – зависимость температуры кристалла испытуемого транзистора от времени нагрева t, полученная через функцию взаимосвязи температуры кристалла испытуемого транзистора и температурочувствительного параметра T_J(U_G) и зависимость температурочувствительного параметра от времени нагрева U_G(t), T_C(t) – зависимость температуры корпуса от времени нагрева t, P_H – известная величина постоянной мощности, и определяют тепловое сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC испытуемого транзистора равным значению переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z_ThJC(t) на постоянном участке этой характеристики.

На фиг. 1 представлены диаграммы, поясняющие осуществление заявленного способа; на фиг. 2 изображено в общем виде устройство, которое может быть использовано при реализации заявленного способа.

Устройство содержит выпрямитель 1, вход которого подключен к питающей сети переменного напряжения, к выходу которого подключен фильтр 2. Выход фильтра 2 подключен к стабилизатору напряжения 3, первый выход которого подключен к первому входу регулирующего элемента 4. Регулирующий элемент 4 является нагрузкой и представляет собой транзистор с полевым управлением (в частности, IGBT, MOSFET). Второй выход стабилизатора напряжения 3 через резистивный датчик тока 5 соединен со вторым входом регулирующего элемента 4. Выход резистивного датчика тока 5 соединен со вторым входом усилителя обратной связи 6, к первому входу усилителя обратной связи 6 подключен регулируемый опорный элемент 7. Выход усилителя обратной связи 6 соединен с управляющим входом регулирующего элемента 4 [2].

Способ определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия транзисторов с полевым управлением реализуется следующим образом.

На первом этапе от момента t₀ до момента t₁ осуществляют нагрев испытуемого транзистора известной постоянной мощностью P_H путем пропускания через него тока. Поддержание постоянной мощности на испытуемом транзисторе может осуществляться с помощью регулируемого стабилизатора мощности [2]. Структура стабилизатора мощности представлена на фиг. 2. Испытуемый транзистор включают в качестве нагрузки 4 устройства.

В качестве температурочувствительного параметра используется напряжение на затворе испытуемого транзистора U_G. На всем интервале нагрева от момента времени t₀ до момента t₁ одновременно измеряют значения температурочувствительного параметра U_G и значения температуры корпуса T_C, получая их зависимости от времени нагрева U_G(t) и T_C(t). Измерение температуры корпуса T_C может производиться, например, в расположенной под центром полупроводникового кристалла точке.

В момент времени t₁, как показано на фиг. 1, останавливают нагрев испытуемого транзистора. Момент времени t₁ определяют по достижении заданного значения температуры корпуса T_CF. Значение температуры корпуса T_CF должно находиться в диапазоне величин, при которых обеспечивается безопасная работа испытуемого транзистора.

На интервале естественного охлаждения температуры кристалла и корпуса испытуемого транзистора выравниваются, и через промежуток времени не менее 2τ, где τ – значение тепловой постоянной кристалл-корпус согласно данных паспорта испытуемого транзистора, температуры корпуса и полупроводникового кристалла являются практически одинаковыми.

Момент времени t₂ соответствует задержке времени более 2τ от момента окончания нагрева t₁, с момента времени t₂ и далее на всём интервале естественного охлаждения допустимо придерживаться равенства:

T_C= T_J, (1)

где T_C – температура корпуса, T_J – температура полупроводникового кристалла.

На интервале естественного охлаждения от момента времени t₂ до t₃ на испытуемый транзистор подают измерительные импульсы тока прямоугольной формы при условии поддержания в структуре транзистора заданной постоянной величины мощности P_H равной мощности, которая выделяется в структуре транзистора на этапе нагрева, как показано на фиг. 1.

При действии каждого измерительного импульса одновременно измеряют и сохраняют значения температуры корпуса и температурочувствительного параметра T_C(n) и U_G(n), где n – порядковый номер измерительного импульса. Длительность и скважность измерительных импульсов тока должны минимально влиять на тепловые процессы в испытуемом транзисторе.

С учетом (1) полученный набор значений T_C(n) преобразуют в T_J(n). Выполняют математическую обработку полученных наборов значений T_J(n) и U_G(n), в результате получая функцию взаимосвязи температуры кристалла и температурочувствительного параметра T_J(U_G).

Известно, что переходное тепловое сопротивление кристалл – корпус Z_ThJC(t) определяется как температурная реакция испытуемого транзистора на мгновенное изменение мощности потерь [3]:

где ΔP – скачок мощности потерь, ΔT(t) – изменение температуры кристалла относительно его корпуса в момент времени t.

С увеличением времени t переходное тепловое сопротивление кристалл-корпус Z_ThJC(t) выходит на постоянный участок, значения Z_ThJC(t) на постоянном участке равны значению теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC.

В предлагаемом способе мощность в испытуемом транзисторе до начала интервала нагрева равна нулю, а на интервале нагреваскачок мощности потерь ΔP равен известной постоянной мощности P_H.

Используя полученные на интервале нагрева зависимости U_G(t) и T_C(t), а также функцию взаимосвязи T_J(U_G), вычисляют переходное тепловое сопротивление Z_ThJC(t) на интервале нагрева от t₀ до t₁ по формуле:

где T_J(U_G(t)) – зависимость температуры кристалла испытуемого транзистора от времени нагрева t, полученная через функцию взаимосвязи температуры кристалла испытуемого транзистора и температурочувствительного параметра T_J(U_G) и зависимость температурочувствительного параметра от времени нагрева U_G(t), T_C(t) – зависимость температуры корпуса от времени нагрева t, P_H – известная величина постоянной мощности.

Тепловое сопротивление кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC определяют равным значению переходного теплового сопротивления Z_ThJC(t) на постоянном участке этой характеристики.

Применение в заявленном способе нагрева испытуемого транзистора электрическим током при условии поддержания заданной величины постоянной мощности, выделяемой в его структуре, позволяет устранить погрешности измерения мощности и повысить точность определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z_ThJC(t) и теплового теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC.

Осуществление испытания транзисторов при условиях обеспечения стабилизированной мощности, выделяемой в испытуемом приборе, использовании, позволяет исключить влияние переходных тепловых процессов на результаты измерений, что повышает точность определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z_ThJC(t) и, соответственно, теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия R_ThJC.

Использование в качестве температурочувствительного параметра напряжения на затворе испытуемого транзистора U_G, зависимость которого от температуры линейна, позволяет получать данные о температуре кристалла при постоянной мощности, выделяемой в испытуемом транзисторе, с более высокой точностью, что обуславливает повышение точности определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z_ThJC(t) и, соответственно, теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия RThJC.

Использование измерительных импульсов тока при условии стабилизации заданной постоянной мощности выделяемой в полупроводниковом кристалле, что и на интервале нагрева, повышает точность определения взаимосвязи температуры кристалла и температурочувствительного параметра, что также позволяет повысить точность определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус ZThJC(t) и, соответственно, теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия RThJC.

Источники информации

1. RU 2240573, МПК G01R 31/26, опубл. 20.11.2004.

2. RU 179908, МПК G05F 1/66 (2006.01), опубл. 29.05.2018.

3. Воронин П. А. Силовые полупроводниковые ключи: семейства, характеристики, применение / П.А. Воронин. Изд. 2-е, перераб. и доп. – М.: Издательский дом Додэка-XXI, 2005. – 384 с.

Реферат

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров компонентов силовой электроники и может быть использовано для определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z(t) и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия Rтранзисторов с полевым управлением, в частности биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT) и полевых транзисторов с изолированным затвором (MOSFET) для контроля их качества. Согласно заявленному способу осуществляют нагрев испытуемого транзистора постоянным электрическим током при условии выделения в структуре транзистора известной постоянной мощности. На интервале нагрева получают зависимости температуры корпуса и температурочувствительного параметра от времени нагрева, при этом в качестве температурочувствительного параметра используют напряжение на затворе испытуемого транзистора. Прекращают нагрев при достижении заданного значения температуры корпуса. Через промежуток времени не менее 2τ, где τ – значение тепловой постоянной кристалл-корпус, на интервале естественного охлаждения периодически через структуру транзистора пропускают измерительные импульсы электрического тока при условии выделения в структуре транзистора постоянной мощности, равной величине постоянной мощности, выделяемой в структуре транзистора на интервале нагрева, длительность и скважность которых минимально влияют на тепловые процессы. При протекании каждого измерительного импульса электрического тока одновременно измеряют и сохраняют значения температуры корпуса и температурочувствительного параметра. Находят функцию взаимосвязи температуры кристалла и температурочувствительного параметра и вычисляют переходное тепловое сопротивление кристалл-корпус Z(t), определяют тепловое сопротивление кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия Rиспытуемого транзистора равным значению Z(t) на постоянном участке. Технический результат - повышение точности определения переходного теплового сопротивления кристалл-корпус Z(t) и теплового сопротивления кристалл-корпус в состоянии теплового равновесия Rтранзисторов с полевым управлением. 2 ил.

Формула

,