CN113064042B - 一种功率半导体器件的结温提取方法 - Google Patents
一种功率半导体器件的结温提取方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及了一种功率半导体器件的结温提取方法,通过仿真软件搭建双脉冲实验电路,以SiC MOSFET为例,选其作为开关管,测量功率器件漏源电压vds的电压尖峰和功率半导体的结温,分析发现引起电压尖峰的原因包括跨导系数、门极阈值电压以及栅漏电容,而这些影响因素同样受到结温影响,通过仿真实验得到结温和关断电压尖峰存在着负的对应关系。该方法对开关管两端的电压波动有着很好的屏蔽作用,只需通过测量漏源电压vds的尖峰即可得到结温大小,该方法测量过程相较于其他结温提取方法读数更容易,精确度更高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件测试技术领域,具体涉及一种功率半导体器件的结温提取方法。
背景技术
功率半导体器件被广泛应用于通讯、交通和电力等诸多领域,并且正在朝着高电压、高频率和大功率的方向发展。以上***的高安全性要求使得功率器件的可靠性的要求提高。电力变流器的主要故障来源之一是功率器件的失效,而功率器件的失效故障主要来自于热应力。器件工作结温越高,安全运行裕度越小;结温波动越大,热循环寿命越短。在正常工作温度范围内,器件结温每上升10℃,失效率将会翻倍。因此,监测功率器件的工作结温对于失效机理分析和寿命预测非常关键。除此之外,结温监测为功率器件的状态监测、可靠性评估和热平衡控制提供了数据支撑,使其成为可能。
目前,有研究提出热传感器法、红外热成像法、热敏电参数法和RC热阻网络法,其中热敏电参数法以所用不同的热敏电参数区分,以电压变化率为热敏电参数的方法易受扰动影响,以导通电压降为热敏电参数的方法难以保证精度,以阈值电压为热敏电参数的方法精确性难以保证,以最大电流变化率为热敏电参数的方法其测量难以集成,均未提出***全面的热敏电参数方法。
热敏电参数敏感性低导致精度难以保证,测量难度高导致测量装置难以集成,选择不恰当的热敏电参数使得结果易受扰动影响等是本领域技术人员亟待解决的问题,因此,对功率半导体器件设计结温提取方法是非常有必要的。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷,本发明的目的在于提供一种功率半导体器件的结温提取方法。本发明从软件方向进行设计,测量关断电压尖峰,通过仿真实验发现关断电压尖峰和结温的对应关系,进而达到提取结温的目的。测量关断电压尖峰能够有效规避漏源电压波动引起的测量错误,此测量过程读数简单、准确度高。
本发明通过仿真软件分析关断电压尖峰和被提取结温的关系,分析被提取结温和跨导系数、阈值电压以及栅漏电容的关系。
随着半导体器件结温的升高,将会导致跨导系数减小、阈值电压减小以及栅漏电容升高,以上四个中间量的改变最终均导致关断电压尖峰下降,根据所述关系,可以得到结温和关断电压尖峰的关系。
考虑不同的半导体器件结温条件下,结合双脉冲测试电路使用仿真软件设计进行实验。
为达到以上目的,本发明采取的技术方案是:
一种双脉冲测试电路,包括:直流电源Us、双脉冲发生器、支撑电容Co、空心电感L0、碳化硅MOSFET功率单元和负电压源DC,
所述碳化硅MOSFET功率单元包括上管和下管;
所述直流电源Us的正极与支撑电容Co的一端连接,所述直流电源Us的负极与支撑电容Co的另一端连接,支撑电容Co的一端与上管的漏极连接,支撑电容Co的另一端与下管的源极连接;
所述空心电感L0与下管并联;
所述双脉冲发生器与上管的栅极连接;
所述负电压源DC的负极与下管的栅极连接,所述负电压源DC的正极与下管的源极连接。
在上述方案的基础上,所述上管与下管的等效电路相同,所述上管的等效电路包括:驱动电阻Rg、栅极电感Lg、栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs、漏极电感Ld、漏源电容Cds、MOSFET管和源极电感Ls;
所述驱动电阻Rg与栅极电感Lg的一端连接,栅极电感Lg的另一端与MOSFET管的栅极连接,MOSFET管的栅极与漏极之间设有栅漏电容Cgd,MOSFET管的栅极与源极之间设有栅源电容Cgs,MOSFET管的漏极与源极之间设有漏源电容Cds,MOSFET管的漏极还连接有漏极电感Ld,MOSFET管的源极还连接有源极电感Ls。
在上述方案的基础上,所述双脉冲发生器与驱动电阻Rg连接,漏极电感Ld与支撑电容Co的一端连接,源极电感Ls与下管的漏极连接。
一种功率半导体器件的结温提取方法,应用上述双脉冲测试电路,包括以下步骤:
步骤1、用Simplorer仿真软件搭建双脉冲测试电路;
测量开始前,给下管的栅极提供5V负压,保证下管的关断;
对上管发送双脉冲信号,通过示波器观测流经上管的电流id以及上管两端的电压vds的波形;
步骤2、读取关断电压尖峰完成后,按照公式(1)进行分析;
其中,ig表示驱动电流,Cgs表示栅源电容,vgs表示栅源电压,Cgd表示栅漏电容,vds表示漏源电压,VPL表示驱动负压,Rg表示驱动电阻,Ls表示源极电感,igs表示流过栅源电容Cgs的电流,id表示漏极电流,VDC表示直流电压,Lloop表示功率回路电感,gfs表示跨导系数;
由公式(1)推得电流变化率公式:
其中,Vm表示米勒电压,
由公式(2)推得关断电压尖峰ΔVds公式:
其中IL表示负载电流,Vth表示阈值电压,
该公式表示了关断电压尖峰受到阈值电压Vth、栅漏电容Cgd以及跨导系数gfs的影响。
由公式(3)求出公式ΔVds=f(gfs,Cgd,Vth),f表示函数关系,
通过分析MOSFET内部工作过程得出:阈值电压Vth、跨导系数gfs具有负的温度系数,栅漏电容Cgd具有正的温度系数,阈值电压Vth、跨导系数gfs减小和栅漏电容Cgd增大均会引起关断电压尖峰的减小;
因此,结温Tj上升会导致ΔVds降低;
对关断电压尖峰ΔVds=f(gfs,Cgd,Vth)=g(Tj)做变换得到Tj=h(gfs,Cgd,Vth)=k(ΔVds),Tj为半导体器件结温,g、h、k表示函数关系;
步骤3、测量完成后,为保证工作人员安全,释放完支撑电容Co上的能量。
本发明的有益效果:
1、该技术方案测量简单、数据获取方便;
2、该方法对开关管关断时两端的电压波动有着很好的屏蔽作用;
3、选择的热敏电参数敏感性好,精确度高;
4、单个热敏电参数考虑了多个中间变量,***性更好,准确性高;
5、不需要测量很多中间变量,降低了测量的成本。
附图说明
本发明有如下附图:
图1是本发明的测试电路原理图;
图2是本发明测试的SiC MOSFET等效电路图;
图3是本发明测试电路理想全过程波形图;
图4是本发明测试电路不同温度下的漏源电压波形图;
图5是本发明的关断电压尖峰及其影响因子示意图;
图6是本发明的结温与关断电压尖峰的定量关系图。
具体实施方式
以下结合附图1-6对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例提供了一种功率半导体器件的结温提取方法,该方法具体为:通过仿真实验发现关断电压尖峰和结温的对应关系,进而达到提取结温的目的。测量关断电压尖峰能够有效规避漏源电压波动引起的测量错误,此测量过程读数简单、准确度高。
本发明首先通过仿真软件分析关断电压尖峰和被提取结温的关系,分析被提取结温和跨导系数、阈值电压以及栅漏电容的关系,图1是本方法验证实验所搭建的双脉冲测试电路。所述测试电路包括:直流电源Us、双脉冲发生器、支撑电容Co、空心电感L0、碳化硅MOSFET功率单元和负电压源DC,
所述碳化硅MOSFET功率单元包括上管和下管;
所述直流电源Us的正极与支撑电容Co的一端连接,所述直流电源Us的负极与支撑电容Co的另一端连接,支撑电容Co的一端与上管的漏极连接,支撑电容Co的另一端与下管的源极连接;
所述空心电感L0与下管并联;
所述双脉冲发生器与上管的栅极连接;
所述负电压源DC的负极与下管的栅极连接,所述负电压源DC的正极与下管的源极连接。
在上述方案的基础上,所述上管与下管的等效电路相同,所述上管的等效电路如图2所示,包括:驱动电阻Rg、栅极电感Lg、栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs、漏极电感Ld、漏源电容Cds、MOSFET管和源极电感Ls;
所述驱动电阻Rg与栅极电感Lg的一端连接,栅极电感Lg的另一端与MOSFET管的栅极连接,MOSFET管的栅极与漏极之间设有栅漏电容Cgd,MOSFET管的栅极与源极之间设有栅源电容Cgs,MOSFET管的漏极与源极之间设有漏源电容Cds,MOSFET管的漏极还连接有漏极电感Ld,MOSFET管的源极还连接有源极电感Ls。
在上述方案的基础上,所述双脉冲发生器与驱动电阻Rg连接,漏极电感Ld与支撑电容Co的一端连接,源极电感Ls与下管的漏极连接。
随着半导体器件结温的升高,将会导致跨导系数减小、阈值电压减小以及栅漏电容升高,以上四个中间量的改变最终均导致关断电压尖峰下降,根据所述关系,可以得到结温和关断电压尖峰的关系。
考虑不同的半导体器件结温条件下,结合双脉冲测试电路使用仿真软件设计进行实验。
本发明所述测试方法是一种通过仿真实验测试分析半导体结温和关断电压尖峰的关系,进而通过关断电压尖峰确定结温的办法,具体包括以下步骤:
步骤1、用Simplorer仿真软件搭建双脉冲测试电路;
测量开始前,给下管的栅极提供5V负压,保证下管的关断;
对上管发送双脉冲信号,通过示波器观测流经上管的电流id以及上管两端的电压vds的波形;
空心电感L0通过下管中的肖特基续流二极管续流;
所述测试过程下管可靠关断,下管中的肖特基续流二极管起续流作用;
图3是本发明测试电路理想全过程波形图;
电路工作过程可分为三个阶段,如图3所示;
t0时刻,上管Q1栅极收到第一个脉冲,Q1饱和导通,支撑电容Co上的电压U加在空心电感L0两端,空心电感L0上的电流(和id是同一个电流)线性上升;
t1时刻上管Q1关断,空心电感L0上的电流由Q2并联二极管续流,空心电感L0上的电流缓慢衰减,如图3中t1和t2时刻间的虚线所示,而被测的id则很快衰减到0;
t2时刻上管Q1再次导通,Q2的二极管进入反向恢复,反向恢复电流会穿Q1,导致Q1的电流id急剧上升,如图3所示;
t3时刻上管再次关断,由于此时Q1关断的电流很大,因为母线杂散电感的存在,会使Q1的vds产生一个电压尖峰;
步骤2、通过示波器读取关断电压尖峰完成后,按照公式(1)进行分析;
由式(1)可以推得电流变化率公式
由公式(2)可以推得关断电压尖峰公式
该公式表示了关断电压尖峰受到阈值电压Vth、栅漏电容Cgd以及跨导系数gfs的影响。
由公式(3)求出公式ΔVds=f(gfs,Cgd,Vth),f表示函数关系。
通过分析MOSFET内部工作过程可得,Vth、gfs具有负的温度系数,而栅漏电容Cgd具有正的温度系数,即Vth、gfs减小和Cgd增大均会引起关断电压尖峰的减小。
因此,结温Tj上升会导致ΔVds降低。
对关断电压尖峰ΔVds=f(gfs,Cgd,Vth)=g(Tj)做变换得到Tj=h(gfs,Cgd,Vth)=k(ΔVds),Tj为半导体器件结温,g、h、k表示函数关系;
步骤3、测量完成后,为保证工作人员安全,释放完支撑电容Co上的能量。
图4是本发明测试电路不同温度下的漏源电压波形;
该图所展示的是随着结温的升高,关断电压尖峰逐渐下降,验证了本发明。
图5是本发明的关断电压尖峰及其影响因子示意图;
该图所展示的是结温的升高,影响阈值电压、栅漏电容以及跨导系数,这些系数均影响关断电压尖峰下降。
图6是本发明的结温与关断电压尖峰的定量关系图;
实施例1
本发明的方法,在700V/300A的漏源电压电流等级下,在SiC MOSFET的结温为25~150℃时进行测试,用线性回归的方法处理数据,可得结温Tj与关断电压尖峰的关系如下:
Tj=-9.212ΔVds+3332.76 (4)
数据处理后显示结温与漏源电压的负线性关系说明了本发明所提供方法的有效性。
需要说明的是上述实施例,并非用来限定本发明的保护范围,而是要符合与本发明所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围,包括但不限于SiC MOSFET和Si IGBT。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种功率半导体器件的结温提取方法,应用双脉冲测试电路,其特征在于,双脉冲测试电路包括:直流电源Us、双脉冲发生器、支撑电容Co、空心电感L0、碳化硅MOSFET功率单元和负电压源DC,
所述碳化硅MOSFET功率单元包括上管和下管;
所述直流电源Us的正极与支撑电容Co的一端连接,所述直流电源Us的负极与支撑电容Co的另一端连接,支撑电容Co的一端与上管的漏极连接,支撑电容Co的另一端与下管的源极连接;
所述空心电感L0与下管并联;
所述双脉冲发生器与上管的栅极连接;
所述负电压源DC的负极与下管的栅极连接,所述负电压源DC的正极与下管的源极连接;
所述方法包括以下步骤:
步骤1、用Simplorer仿真软件搭建双脉冲测试电路;
测量开始前,给下管的栅极提供5V负压,保证下管的关断;
对上管发送双脉冲信号,通过示波器观测流经上管的电流id以及上管两端的电压vds的波形;
步骤2、读取关断电压尖峰完成后,按照公式(1)进行分析;
其中,ig表示驱动电流,Cgs表示栅源电容,vgs表示栅源电压,Cgd表示栅漏电容,vds表示漏源电压,VPL表示驱动负压,Rg表示驱动电阻,Ls表示源极电感,igs表示流过栅源电容Cgs的电流,id表示漏极电流,VDC表示直流电压,Lloop表示功率回路电感,gfs表示跨导系数;
由公式(1)推得电流变化率公式:
其中,Vm表示米勒电压,
由公式(2)推得关断电压尖峰ΔVds公式:
其中IL表示负载电流,Vth表示阈值电压,
公式(3)表示了关断电压尖峰受到阈值电压Vth、栅漏电容Cgd以及跨导系数gfs的影响;
由公式(3)求出公式ΔVds=f(gfs,Cgd,Vth),f表示函数关系,
通过分析MOSFET内部工作过程得出:阈值电压Vth、跨导系数gfs具有负的温度系数,栅漏电容Cgd具有正的温度系数,阈值电压Vth、跨导系数gfs减小和栅漏电容Cgd增大均会引起关断电压尖峰的减小;
因此,结温Tj上升会导致ΔVds降低;
对关断电压尖峰ΔVds=f(gfs,Cgd,Vth)=g(Tj)做变换得到Tj=h(gfs,Cgd,Vth)=k(ΔVds),Tj为半导体器件结温,g、h、k表示函数关系;
步骤3、测量完成后,为保证工作人员安全,释放完支撑电容Co上的能量。
2.如权利要求1所述的功率半导体器件的结温提取方法,其特征在于,所述上管与下管的等效电路相同,所述上管的等效电路包括:驱动电阻Rg、栅极电感Lg、栅漏电容Cgd、栅源电容Cgs、漏极电感Ld、漏源电容Cds、MOSFET管和源极电感Ls;
所述驱动电阻Rg与栅极电感Lg的一端连接,栅极电感Lg的另一端与MOSFET管的栅极连接,MOSFET管的栅极与漏极之间设有栅漏电容Cgd,MOSFET管的栅极与源极之间设有栅源电容Cgs,MOSFET管的漏极与源极之间设有漏源电容Cds,MOSFET管的漏极还连接有漏极电感Ld,MOSFET管的源极还连接有源极电感Ls。
3.如权利要求1所述的功率半导体器件的结温提取方法,其特征在于,所述双脉冲发生器与驱动电阻Rg连接,漏极电感Ld与支撑电容Co的一端连接,源极电感Ls与下管的漏极连接。
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