CN111999630A - 一种功率器件工作结温的测试方法及*** - Google Patents

一种功率器件工作结温的测试方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种功率器件工作结温的测试方法及***。所述方法包括测试T1，T1为功率器件正常工作时表面温度；测VF1，VF1为T1对应PN结VF值；确定结温与PN结VF的对应关系；根据所述对应关系和VF1确定VF1对应结温，即工作结温。所述***包括温控单元、脉冲驱动单元、温度测量单元、VF测量单元和控制单元；温控单元能调控功率器件温度；脉冲驱动单元能提供脉冲电压以控温；温度测量单元能测温；VF测量单元能测PN结VF值；控制单元能对测量数据进行处理，以得到工作结温，还能向脉冲驱动单元发出调整脉冲宽度的信号。本发明方法简便、测量结果准确，有利于延长功率器件寿命，所测结温能作为评判功率器件优劣的参考。

Description

一种功率器件工作结温的测试方法及***
技术领域
本发明涉及功率器件测试领域，特别地，涉及一种功率器件工作结温的测试方法及***。
背景技术
器件工作结温是器件在正常工作时封装体内的芯片的温度，芯片温度高低直接关系到器件的寿命以及稳定性；而芯片的最高结温是半导体器件材料决定的，有125℃、150℃、175℃等，超过芯片最高结温，芯片会因为过热而损坏。
在应用中，电源设计师通常以塑封体表面温度高低作为器件优劣的评判标准，要求器件表面温度越低越好，而这种评判标准忽视了器件的工作结温；分析热阻计算公式：Tc=Tj-P*Rθjc（其中Tj为结温，Tc为壳温，P为器件功率、Rθjc为器件结到壳的热阻），在功率P和结温Tj相同的情况下，器件的壳温与热阻直接相关，热阻较大的器件，壳温较低，相反，热阻较小的器件，壳温较高；所以以器件表面温度高低来评判器件优劣的方法与极力降低热阻的工艺要求相违背。
在对器件热阻的数学模型模拟中，热阻较大的器件，虽然表面温度较低，但是芯片内部结温会更高，因为热阻大，芯片内部发热不容易散出来；相反，热阻较小的器件，热很容易散发出来，虽然表面温度高，但是内部结温却相对更低。
传统方法得到工作结温通常是通过热阻公式计算，公式中的功率P在实际器件工作过程中无法直接测得，需要根据开关频率、内阻、导通时间等参数计算得到；而公式中的热阻Rθjc虽然标注于产品规格书中，但由于各厂家的测试设备差异以及厂家人为因素，几乎得不到可靠的数据，因此通过计算的方式无法得到有意义的结温数据。工作结温的高低，关系到器件的寿命，也关系到器件的稳定性，对以塑封体表面温度高低作为器件优劣的评判标准存在极大的弊端。
发明内容
针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于准确获取功率器件工作的实际结温。
为了实现上述目的，本发明一方面提供了一种功率器件工作结温的测试方法。
所述测试方法可包括以下步骤：测试T1，T1为功率器件在电路中正常工作时的表面温度值；测量VF1，VF1为功率器件表面温度稳定在T1时PN结的VF值；确定功率器件的结温与PN结的VF之间的对应关系；根据所述对应关系、以及VF1，确定VF1对应的结温，该结温为功率器件的工作结温；其中，所述测量VF1的步骤包括：向功率器件提供频率固定且占空比可调的脉冲电压，以使功率器件利用自身内阻而发热升温，在功率器件的表面温度达到并稳定在T1后，测量VF1。
进一步地，所述测试T1的步骤可包括：使所述功率器件在电路中稳定工作至少3个小时，然后测试所述功率器件的表面温度，得到所述T1。
进一步地，所述确定功率器件的结温与PN结的VF之间的关系的步骤可包括：将所述功率器件加热到预定的温度并稳定一段时间以使所述功率器件内外温度一致，然后缓慢降温，测量降温过程中不同温度值下PN结的VF值，得到结温与PN结的VF之间的对应关系。
进一步地，在所述功率器件为MOS管的情况下，所述测量VF1的步骤可包括：在MOS管的D和S引脚加上恒定的直流电压，在G引脚加上所述脉冲电压，以使MOS管处于连续开关状态，MOS管利用自身内阻而发热升温；监测MOS管的表面温度；在所述监测的温度不等于T1的情况下，调整脉冲电压的脉冲宽度，以使功率器件的表面温度达到并稳定在T1。
进一步地，在所述功率器件为二极管的情况下，所述测量VF1的步骤可包括：向二极管的正向提供所述脉冲电压，二极管利用自身内阻而发热升温；监测二极管的表面温度；在所述监测的温度不等于T1的情况下，调整脉冲电压的脉冲宽度，以使功率器件的表面温度达到并稳定在T1。
本发明另一方面提供了一种功率器件工作结温的测试***。
所述测试***包括：温控单元、脉冲驱动单元、温度测量单元、VF测量单元和控制单元，其中，温控单元能够通过加热或降温来控制功率器件的温度；脉冲驱动单元能够向功率器件提供脉冲电压，以使功率器件利用自身内阻而发热升温；温度测量单元能够测量温控单元和脉冲驱动单元所作用的功率器件表面的温度；VF测量单元能够测量温控单元和脉冲驱动单元所作用的功率器件PN结的VF值；控制单元能够对温度测量单元和VF测量单元所测量的数据进行处理，以得到功率器件的工作结温，控制单元还能够向脉冲驱动单元发出信号以调整脉冲电压的脉冲宽度。
进一步地，所述测试***还可包括工作单元，工作单元包括工作电路，所述功率器件能够在工作电路中正常工作。
进一步地，所述温度测量单元还能够测量T1，T1为所述功率器件在工作电路中正常工作时的表面温度值。
进一步地，所述脉冲驱动单元包括脉冲驱动电路，所述VF测量单元包括VF测量电路，所述***还包括能够实现脉冲驱动电路和VF测量电路之间切换的切换电路。
进一步地，所述温度测量单元包温度测量电路和温度探头。
进一步地，在所述功率器件为MOS管的情况下，所述脉冲驱动单元能够在MOS管的D和S引脚加上恒定的直流电压，在G引脚加上脉冲电压，以使MOS管处于连续开关状态，MOS管利用自身内阻而发热升温；所述温度测量单元能够监测MOS管的表面温度；在所述监测的温度不等于T1的情况下，所述控制单元能够向脉冲驱动单元发出信号，以调整脉冲电压的脉冲宽度，进而使功率器件的表面温度达到并稳定在T1；在所述功率器件为二极管的情况下，所述脉冲驱动单元能够向二极管的正向提供脉冲电压，二极管利用自身内阻而发热升温；所述温度测量单元能够监测二极管的表面温度；在所述监测的温度不等于T1的情况下，所述控制单元能够向脉冲驱动单元发出信号，以调整脉冲电压的脉冲宽度，进而使功率器件的表面温度达到并稳定在T1；所述VF测量单元能够测量VF1，VF1为所述功率器件的表面温度达到并稳定在T1时PN结的VF值。
进一步地，所述温控单元能够先将所述功率器件加热至预定温度并稳定一段时间，以使所述功率器件内外温度一致，然后缓慢降温；在所述缓慢降温的过程中，所述温度测量单元和VF测量单元还能够分别测量所述温控单元所作用功率器件的实时温度、以及实时温度所对应PN结的VF值；所述控制单元能够根据所述实时温度、以及实时温度所对应PN结的VF值，得到两者的对应关系，所述控制单元还能够根据所述对应关系确定所述VF1所对应的温度，该温度为功率器件的工作结温。
进一步地，所述测试***还可包括显示单元，显示单元能够所述温度测量单元测量的温度值和所述VF测量单元所测量的VF值。
与现有技术相比，本发明的有益效果可包括：方法简便、测量结果准确，有利于功率器件的稳定和延长寿命，所测结温能够作为评判功率器件优劣的参考，能够用于评估功率器件的热失效风险。
附图说明
通过下面结合附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点将会变得更加清楚，其中：
图1示出了本发明的功率器件工作结温的测试方法的一个流程示意图；
图2示出了本发明的功率器件工作结温的测试***的一个结构示意框图；
图3示出了本发明的功率器件工作结温的测试***的另一个结构示意框图。
具体实施方式
在下文中，将结合附图和示例性实施例详细地描述本发明的功率器件工作结温的测试方法及***。
本发明一方面提供了一种功率器件工作结温的测试方法。
在本发明的功率器件工作结温的测试方法的一个示例性实施例中，如图1所示，所述测试方法可包括：
测量功率器件（下文可简称为器件）在电路中正常工作时的表面温度T1。该步骤可称为步骤S11。
通过可控加热，使器件表面温度稳定的达到温度T1。该步骤可称为步骤S12。
测量T1温度时PN结的VF值。该步骤可称为步骤S13。
测器件结温与PN结VF之间的一一对应关系，例如，测能够体现该对应关系的K线。该步骤可称为步骤S20。
通过测得的VF值在K线数据中查找到对应的结温值。该步骤可称为步骤S30。
其中，步骤S20和S11、S12、S13可不分先后顺序，例如步骤S20可以与S11同时进行，也可在S12和S13之间进行等。
在本发明的功率器件工作结温的测试方法的另一个示例性实施例中，所述测试方法可包括以下步骤：
步骤1：测量器件在实际电路中正常工作的表面温度值T1，电路必须连续工作至少3个小时以上，得到稳定的表面温度值T1。
步骤2：测器件K线。
在该步骤中，可以利用PN结正向压降与温度的关系特性，例如温度升高，VF降低。其中，二极管直接利用其PN结，而MOS管则利用其S极到D极间寄生的二极管来测量。
具体地，可将器件放入加热箱中加热，加热到120～180℃（例如125℃、150℃、175℃）并稳定一段间（以使芯片内外部都达到相同的温度），然后缓慢的降温，连续测量并记录温度值（即器件的表面温度值，实际上也是器件的内部结温值，因为内外温度达到一致的）和PN结的VF值，得到结温与VF的对应数据；记录频率可以为5～10秒一次，记录频次越高，分辨率越高。
步骤3：对器件进行可控加热。
A、MOS管：给器件D和S引脚加上恒定的直流电压（直流电压可调整，电压越高，通过MOS管的电流越大），并在G端加上脉冲电压，让管子处于连续开关状态，固定脉冲频率，频率可选40～80K，通过调整脉冲信号的占空比来调整管子的开通时间，利用管子的自身内阻而发热。通过温度探头监测器件表面温度，利用PID算法调整脉冲宽度，最终使器件表面温度稳定的达到T1温度。
B、肖特基二极管：给器件正向提供固定频率的脉冲电压，频率可选40～80K。通过调整脉冲信号的占空比来调整管子的开通时间，利用管子的自身内阻而发热，通过温度探头监测器件表面温度，利用PID算法调整脉冲宽度，最终使器件表面温度稳定的达到T1温度。
该步骤还可以包括环节：将当前器件表面温度值实时显示给工作人员。
步骤4、测量VF。
当步骤3中器件表面温度达到T1并稳定之后（例如，连续多个测量周期器件温度不再变化），迅速利用VF测量电路测量此时的VF值。
步骤5、查结温。
将K线数据（温度与VF的对应数据）与所测得的VF对应，可以得到器件工作时的结温。
本发明另一方面提供了一种功率器件工作结温的测试***。
在本发明的功率器件工作结温的测试***的一个示例性实施例中，如图2所示，所述测试***可包括：工作单元、温控单元、脉冲驱动单元、温度测量单元、VF测量单元和控制单元。
其中，工作单元可包括工作电路，功率器件能够在工作电路中正常工作。工作单元可包括电路板，例如客户的电路板，使用了该功率器件的电子产品。由于客户目前都是用表面温度来衡量优劣，故本发明通过设置工作单元来考量器件在客户产品中的表面温度。
温控单元能够通过加热或降温来控制功率器件的温度。温控单元可包括加热室或加热箱，例如恒温加热箱，但本发明不限于此，只要是能够实现加热目的的装置都可。
脉冲驱动单元能够向功率器件提供脉冲电压，以使功率器件利用自身内阻而发热升温，脉冲电压的频率可以是固定的，频率可选40～80K，例如60±10K。在功率器件为MOS管的情况下，脉冲驱动单元还可包括直流电压供给机构，该机构能够向MOS管的D和S引脚加上恒定的直流电压，且直流电压可以调整。脉冲驱动单元可以包括脉冲驱动电路。脉冲驱动单元和控制单元之间可以通过数据传输线连接，例如通讯电缆，当然，两者之间也可通过无线的方式进行数据传输。
温度测量单元能够测量工作单元、温控单元和脉冲驱动单元所作用的功率器件表面的温度，即温度测量单元能够测量工作单元中功率器件表面的温度，也能够测量温控单元所作用的功率器件表面的温度，还能够测量脉冲驱动单元所作用的功率器件表面的温度。温度测量单元可以包括温度探头和温度测量电路，并能够将测量的温度值反馈给控制单元。
VF测量单元能够测量温控单元、脉冲驱动单元所作用的功率器件PN结的VF值。VF测量单元可以包括VF测量电路。VF测量单元能够将测量的参数反馈给控制单元，VF测量单元和控制单元之间可以通过数据传输线连接，例如通讯电缆，当然，两者之间也可通过无线的方式进行数据传输。
控制单元能够对温度测量单元和VF测量单元所测量的数据进行处理，以得到功率器件的工作结温。在收到温度测量单元所测量的温度值后，控制单元还可通过PID算法向脉冲驱动单元发出信号以调整脉冲电压的脉冲宽度，进而使器件达到预定温度。
在本实施例中，温控单元能够先将功率器件加热至预定温度并稳定一段时间，以使所述功率器件内外温度一致，然后缓慢降温。预定温度可以为140、150、160℃。温控单元可包括恒温加热箱等加热器件。
在缓慢降温的过程中，温度测量单元和VF测量单元能够分别测量功率器件的不同温度、以及不同温度所对应PN结的VF值。
控制单元能够存储由所述不同温度、以及不同温度所对应PN结的VF值所组成数据对组。所述控制单元还能够在数据对组中查询所述VF1所对应的温度，该温度为功率器件的工作结温。
或者，所述控制单元能够根据所述不同温度、以及不同温度所对应PN结的VF值，得到结温与PN结的VF之间的关系。所述控制单元还能够根据所述关系确定所述VF1所对应的温度，该温度为功率器件的工作结温。
在本发明的功率器件工作结温的测试***的另一个示例性实施例中，如图3所示，所述测试***可包括：脉冲驱动电路、温度测量电路、VF测量电路、加热/测量切换电路、信号处理单元（对应上一个示例实施例中的控制单元）、按键单元、显示单元、通信单元、电源和加热箱（图3中未示出）等。
脉冲驱动电路向待测器件提供脉冲电压，以实现待测器件的可控加热。温度测量电路能够测量待测器件的表面温度，并将测量的温度反馈给信号处理单元。信号处理单元进行PID算法调整脉冲驱动电路的脉冲宽度，最终使器件表面温度稳定的达到T1温度。当器件表面温度达到T1并稳定之后，通过加热/测量切换单路迅速切换到VF测量电路，得到此时的VF值。显示单元可实时显示测量的温度值、VF值。测量的数据可通过通讯电缆传输至PC端采集***，PC端采集***能够记录并保存结温与VF的数据对组，也可进行图表显示、以及分析等。
按键单元能够用于设定并输入测试***所需要将器件表面温度加热到的目标值，即测试的温度T1。通信单元能够传输数据到PC端采集***。
电源能够向需要电能的各个电源供电。
在本实施例中，温度测量电路、VF测量电路都可包含有高精度运放调理电路和高精度的ADC采样电路。
综上所述，本发明的功率器件工作结温的测试方法及***的优点可包括：本方法间接测量器件的工作结温，直接绕过器件功率P和器件热阻Rθjc，所有数据均为实际测量值，没有计算、推算或估算的数据，所有数据的获得依赖于电路设计，本发明可以采用高精度的运放调理电路以及高精度的ADC采样获得数据，因此得到的值更准确。
尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims (10)

1.一种功率器件工作结温的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：
测试T1，T1为功率器件在电路中正常工作时的表面温度值；测量VF1，VF1为功率器件表面温度稳定在T1时PN结的VF值；确定功率器件的结温与PN结的VF之间的对应关系； 根据所述对应关系、以及VF1，确定VF1对应的结温，该结温为功率器件的工作结温；
其中，所述测量VF1的步骤包括：向功率器件提供频率固定且占空比可调的脉冲电压，以使功率器件利用自身内阻而发热升温，在功率器件的表面温度达到并稳定在T1后，测量VF1。
2.根据权利要求1所述的功率器件工作结温的测试方法，其特征在于，所述测试T1的步骤包括：使所述功率器件在电路中稳定工作至少3个小时，然后测试所述功率器件的表面温度，得到所述T1。
3.根据权利要求1所述的功率器件工作结温的测试方法，其特征在于，所述确定功率器件的结温与PN结的VF之间的关系的步骤包括：
将所述功率器件加热到预定的温度并稳定一段时间以使所述功率器件内外温度一致，然后缓慢降温，测量降温过程中不同温度值下PN结的VF值，得到结温与PN结的VF之间的对应关系。
4.根据权利要求1所述的功率器件工作结温的测试方法，其特征在于，在所述功率器件为MOS管的情况下，所述测量VF1的步骤包括：
在MOS管的D和S引脚加上恒定的直流电压，在G引脚加上所述脉冲电压，以使MOS管处于连续开关状态，MOS管利用自身内阻而发热升温；
监测MOS管的表面温度；在所述监测的温度不等于T1的情况下，调整脉冲电压的脉冲宽度，以使功率器件的表面温度达到并稳定在T1。
5.根据权利要求1所述的功率器件工作结温的测试方法，其特征在于，在所述功率器件为二极管的情况下，所述测量VF1的步骤包括：
向二极管的正向提供所述脉冲电压，二极管利用自身内阻而发热升温；
监测二极管的表面温度；在所述监测的温度不等于T1的情况下，调整脉冲电压的脉冲宽度，以使功率器件的表面温度达到并稳定在T1。
6.一种功率器件工作结温的测试***，其特征在于，所述测试***包括：温控单元、脉冲驱动单元、温度测量单元、VF测量单元和控制单元，其中，温控单元能够通过加热或降温来控制功率器件的温度；脉冲驱动单元能够向功率器件提供脉冲电压，以使功率器件利用自身内阻而发热升温；温度测量单元能够测量温控单元和脉冲驱动单元所作用的功率器件表面的温度；VF测量单元能够测量温控单元和脉冲驱动单元所作用的功率器件PN结的VF值；
控制单元能够对温度测量单元和VF测量单元所测量的数据进行处理，以得到功率器件的工作结温，控制单元还能够向脉冲驱动单元发出信号以调整脉冲电压的脉冲宽度。
7.根据权利要求6所述的功率器件工作结温的测试***，其特征在于，所述脉冲驱动单元包括脉冲驱动电路，所述VF测量单元包括VF测量电路，所述***还包括能够实现脉冲驱动电路和VF测量电路之间切换的切换电路。
8.根据权利要求6所述的功率器件工作结温的测试***，其特征在于，所述温度测量单元还能够测量T1，T1为所述功率器件在工作电路中正常工作时的表面温度值。
9.根据权利要求8所述的功率器件工作结温的测试***，其特征在于， 在所述功率器件为MOS管的情况下，所述脉冲驱动单元能够在MOS管的D和S引脚加上恒定的直流电压，在G引脚加上脉冲电压，以使MOS管处于连续开关状态，MOS管利用自身内阻而发热升温；所述温度测量单元能够监测MOS管的表面温度；在所述监测的温度不等于T1的情况下，所述控制单元能够向脉冲驱动单元发出信号，以调整脉冲电压的脉冲宽度，进而使功率器件的表面温度达到并稳定在T1；在所述功率器件为二极管的情况下，所述脉冲驱动单元能够向二极管的正向提供脉冲电压，二极管利用自身内阻而发热升温；所述温度测量单元能够监测二极管的表面温度；在所述监测的温度不等于T1的情况下，所述控制单元能够向脉冲驱动单元发出信号，以调整脉冲电压的脉冲宽度，进而使功率器件的表面温度达到并稳定在T1；所述VF测量单元能够测量VF1，VF1为所述功率器件的表面温度达到并稳定在T1时PN结的VF值。
10.根据权利要求9所述的功率器件工作结温的测试***，其特征在于，所述温控单元能够先将所述功率器件加热至预定温度并稳定一段时间，以使所述功率器件内外温度一致，然后缓慢降温；在所述缓慢降温的过程中，所述温度测量单元和VF测量单元还能够分别测量所述温控单元所作用功率器件的实时温度、以及实时温度所对应PN结的VF值；
所述控制单元能够根据所述实时温度、以及实时温度所对应PN结的VF值，得到两者的对应关系，所述控制单元还能够根据所述对应关系确定所述VF1所对应的温度，该温度为功率器件的工作结温。
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