CN104048992A - 热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置 - Google Patents

热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，包括多个温度测量装置，用于分别采集所述半导体器件的底壳温度；一箱体，用于放置被测半导体器件和散热器；一控制电路板，用于驱动半导体器件，以及接收所采集到的半导体器件底壳温度并计算自热阻和耦合热阻；一液晶显示器，用于显示半导体器件的底壳温度以及计算得到的自热阻和耦合热阻；一电源装置，用于给所述半导体器件提供功耗以及所述温度测量装置、控制电路板、液晶显示器提供电源。所述热阻测量装置能够方便准确的测量出热耦合效应下半导体器件底壳到空气的自热阻和耦合热阻。

Description

热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置
技术领域
本发明涉及一种热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，属于测量领域以及电能变换等装置热设计领域。
背景技术
在使用半导体器件的装置中，为了保证装置热设计的可靠性，通常需要利用热阻网络来预测半导体器件在实际工作下的结温或者建立装置的电热仿真模型来进行动态的电热联合仿真，而热阻是热阻网络模型中非常重要的参数。
安装在散热器上的半导体器件的总热阻中包含底壳到空气的热阻。当多个半导体器件安装散热器上时，通过半导体器件与散热器的接触层，多个半导体器件之间存在耦合热传递作用，即热耦合效应，热耦合效应在热阻网络上可以通过半导体器件底壳到空气的耦合热阻来表现。传统的热阻测量装置忽略了对耦合热阻的测量，导致建立的热阻网络模型不够精确，影响了半导体器件温升计算的准确性。因此，多个半导体器件之间存在热耦合效应时，为了更好地校验热设计的可靠性，就需要对热耦合效应下半导体器件底壳到空气的自热阻和耦合热阻进行测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，其能方便准确的测量出热耦合效应下半导体器件底壳到空气的自热阻和耦合热阻，从而为热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻网络的建立提供更加准确的热阻参数，更好地校验装置热设计的可靠性。
为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：
一种热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，其特征在于包括：
多个温度测量装置，用于分别采集散热器的半导体器件的底壳稳态温度；
一箱体，用于放置被测半导体器件和散热器；
一控制电路板，用于驱动半导体器件，以及接收所采集到的半导体器件的底壳稳态温度并计算自热阻和耦合热阻；
一液晶显示器，用于显示半导体器件的底壳温度以及计算得到的自热阻和耦合热阻；
一电源装置，用于给半导体器件提供功耗，并给温度测量装置、控制电路板、液晶显示器提供电源。
所述液晶显示器设于所述箱体的一侧面上；所述温度测量装置、控制电路板以及电源装置设于所述箱体的内部，其中控制电路板安装于所述液晶显示器的背后；所述箱体的顶面具有一个开口。
所述半导体器件可以为绝缘门极双极型晶体管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor），或者为金属氧化物半导体场效晶体管（MOSFET，Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor），或者为晶闸管（Thyristor），或者为门极可关断晶闸管（GTO，Gate Turn-off Thyristor）等功率器件。
所述箱体上还安装有电源按钮、启动按钮和复位按钮，所述电源按钮与所述电源装置相连，所述启动按钮和复位按钮与所述控制电路板相连。所述电源按钮，用于开通或关断所述电源装置；开通电源情况下，所述启动按钮用于启动热阻测量装置，所述复位按钮用于复位热阻测量装置。
所述箱体的侧面还安装有外部电源连接端子，所述外部电源连接端子与所述电源装置相连。
所述热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置的热阻测量的过程如下：
A.在环境温度恒定为                                                下，散热器上有若干个半导体器件，首先外部电源连接端子接通电源，按下电源按钮，开通电源装置，按下启动按钮，通过电源装置单独只对散热器上第一个半导体器件提供恒定为的功耗并一直持续到热平衡状态；
B.此时，多个温度测量装置分别对散热器上所有半导体器件的底壳稳态温度进行采集，通过控制电路板接收到采集到的每个半导体器件的底壳稳态温度后对分别采集到的每个半导体器件的底壳稳态温度求取其平均值，其中：；再将每个半导体器件对应的底壳稳态温度平均值代入进行计算；
C.然后，等待所有半导体器件的底壳冷却至环境温度，再通过电源装置仅给第二个半导体器件提供恒定为的功耗并一直持续到热平衡状态；此时，多个温度测量装置分别对所有半导体器件的底壳稳态温度进行采集，通过控制电路板接收到采集到的每个半导体器件的底壳稳态温度后对分别采集到的每个半导体器件的底壳稳态温度求取其平均值，其中：；再将每个半导体器件对应的底壳稳态温度平均值代入进行计算；
D.重复上述步骤，即可得到热耦合效应下散热器上所有半导体器件底壳到空气的热阻计算矩阵：
；
E.根据步骤D所得的热阻计算矩阵，得到在热耦合效应下每个半导体器件底壳到空气的自热阻和耦合热阻，即热阻矩阵：，所述热阻矩阵
，
热阻矩阵的结果将会显示在液晶显示器上；其中， 表示第一个半导体器件的自热阻和耦合热阻，其中，为自热阻，其余为耦合热阻，这里用来说明，其表达的意思为仅对第个半导体器件施加热功耗时，计算得到的第一个半导体器件底壳到空气的热阻；表示第二个半导体器件的自热阻和耦合热阻，其中，为自热阻，其余为耦合热阻，这里用来说明，其表达的意思为仅对第个半导体器件施加热功耗时，计算得到的第二个半导体器件底壳到空气的热阻；表示第个半导体器件的自热阻和耦合热阻，其中，为自热阻，其余为耦合热阻，这里用来说明，其表达的意思为仅对第个半导体器件施加热功耗时，计算得到的第个半导体器件底壳到空气的热阻；
其中：表示散热器上半导体器件的个数。
若在测量过程中，控制电路板出现程序故障，可通过复位按钮复位热阻测量装置并进行重新测量。本发明的有益效果如下：
       本发明提供的一种热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，其能方便准确的测量出热耦合效应下半导体器件底壳到空气的自热阻和耦合热阻，从而为热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻网络的建立提供更加准确的热阻参数，更好地校验装置热设计的可靠性，对使用半导体器件器件的装置的热设计或者电热联合仿真设计具有重要的意义。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的散热器上热耦合效应下多半导体器件示意图；
图3是本发明的半导体器件底壳温度测量示意图；
       其中，附图标记为：1为箱体，2为电源装置，3为外部电源连接端子，4为电源按钮，5为启动按钮，6为复位按钮，7为控制电路板，8为液晶显示器，9为箱体顶面的开口，10、11、12、13、14，15均为半导体器件，16为散热器，17为半导体器件，18为导热硅脂，19为温度测量装置。
具体实施方式
       下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明：
如图1和图3所示，本发明热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置包括箱体1，电源装置2，外部电源连接端子3，电源按钮4，启动按钮5，复位按钮6，控制电路板7，液晶显示器8，箱体顶面开口9，温度测量装置19。
图2所示的半导体器件10、11、12、13、14、15和散热器16通过箱体顶面开口9放入箱体1内。
图3表示通过温度测量装置19对图2所示的其中一个半导体器件的底壳温度进行温度测量，其余半导体器件的底壳温度测量与此相同，温度测量装置19位于箱体1内。
本发明的测量步骤如下：
在环境温度恒定为下，外部电源连接端子3接通电源，按下电源按钮4，开通电源装置2，按下启动按钮5，通过电源装置2依次且每次仅给一个半导体器件提供恒定为的功耗并一直持续到热平衡状态。结合图2，即首先单独给半导体器件10提供恒定为的功耗并持续加热，直到热平衡状态，此时结合图2通过温度测量装置19分别对半导体器件10、11、12、13、14，15的底壳稳态温度进行采集，通过控制电路板7对分别采集到的每个半导体器件底壳稳态温度求取其平均值，将求取的平均值代入进行计算。然后，等待所有半导体器件底壳冷却至环境温度，再仅给半导体器件11提供恒定为的功耗并持续加热，直到热平衡状态，此时结合图2通过温度测量装置19分别对半导体器件10、11、12、13、14，15的底壳稳态温度进行采集，通过控制电路板7对分别采集到的每个半导体器件底壳稳态温度求取其平均值，将求取到的平均值代入进行计算。重复上述步骤，即可得到半导体器件10、11、12、13、14，15的热阻计算矩阵。于是，可得到在热耦合效应下半导体器件10、11、12、13、14，15底壳到空气的自热阻和耦合热阻，用热阻矩阵表示为，热阻矩阵将会显示在液晶显示器8上。
若在测量过程中，控制电路板7出现程序故障，可通过复位按钮6复位热阻测量装置并进行重新测量。 

Claims (6)

1.热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，其特征在于包括：
多个温度测量装置，用于分别采集散热器的半导体器件的底壳稳态温度；
一箱体，用于放置被测半导体器件和散热器；
一控制电路板，用于驱动半导体器件，以及接收所采集到的半导体器件的底壳稳态温度并计算自热阻和耦合热阻；
一液晶显示器，用于显示半导体器件的底壳温度以及计算得到的自热阻和耦合热阻；
一电源装置，用于给半导体器件提供功耗，并给温度测量装置、控制电路板、液晶显示器提供电源。
2.如权利要求1所述的热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，其特征在于：所述液晶显示器设于所述箱体的一侧面上；所述温度测量装置、控制电路板以及电源装置设于所述箱体的内部，其中控制电路板安装于所述液晶显示器的背后；所述箱体的顶面具有一个开口，用于将所述半导体器件和散热器放入箱体内。
3.如权利要求1所述的热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，其特征在于：所述半导体器件为绝缘门极双极型晶体管，或者为金属氧化物半导体场效晶体管，或者为晶闸管，或者为门极可关断晶闸管。
4.如权利要求1所述的热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，其特征在于：所述箱体上还安装有电源按钮、启动按钮和复位按钮，所述电源按钮与所述电源装置相连，所述启动按钮和复位按钮与所述控制电路板相连；所述电源按钮，用于开通或关断所述电源装置；开通电源情况下，所述启动按钮用于启动热阻测量装置，所述复位按钮用于复位热阻测量装置。
5.如权利要求1所述的热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，其特征在于：所述箱体的侧面还安装有外部电源连接端子，所述外部电源连接端子与所述电源装置相连。
6.如权利要求1-5任意一项所述的热耦合效应下半导体器件底壳到空气的热阻测量装置，其特征在于热阻测量的过程步骤如下：
A.在环境温度恒定为                                                下，散热器上有若干个半导体器件，首先外部电源连接端子接通电源，通过电源装置单独只对散热器上第一个半导体器件提供恒定为的功耗并一直持续到热平衡状态；
B.此时，多个温度测量装置分别对散热器上所有半导体器件的底壳稳态温度进行采集，通过控制电路板接收到采集到的每个半导体器件的底壳稳态温度后对分别采集到的每个半导体器件的底壳稳态温度求取其平均值，其中：；再将每个半导体器件对应的底壳稳态温度平均值代入进行计算；
C.然后，等待所有半导体器件的底壳冷却至环境温度，再通过电源装置仅给第二个半导体器件提供恒定为的功耗并一直持续到热平衡状态；此时，多个温度测量装置分别对所有半导体器件的底壳稳态温度进行采集，通过控制电路板接收到采集到的每个半导体器件的底壳稳态温度后对分别采集到的每个半导体器件的底壳稳态温度求取其平均值，其中：；再将每个半导体器件对应的底壳稳态温度平均值代入进行计算；
D.重复上述步骤，即可得到热耦合效应下散热器上所有半导体器件底壳到空气的热阻计算矩阵：
；
E.根据步骤D所得的热阻计算矩阵，得到在热耦合效应下每个半导体器件底壳到空气的自热阻和耦合热阻，即热阻矩阵：，所述热阻矩阵
，
热阻矩阵的结果将会显示在液晶显示器上；其中， 表示第一个半导体器件的自热阻和耦合热阻，其中，为自热阻，其余为耦合热阻，这里用来说明，其表达的意思为仅对第个半导体器件施加热功耗时，计算得到的第一个半导体器件底壳到空气的热阻；表示第二个半导体器件的自热阻和耦合热阻，其中，为自热阻，其余为耦合热阻，这里用来说明，其表达的意思为仅对第个半导体器件施加热功耗时，计算得到的第二个半导体器件底壳到空气的热阻；表示第个半导体器件的自热阻和耦合热阻，其中，为自热阻，其余为耦合热阻，这里用来说明，其表达的意思为仅对第个半导体器件施加热功耗时，计算得到的第个半导体器件底壳到空气的热阻；
其中：表示散热器上半导体器件的个数；
若在测量过程中，控制电路板出现程序故障，则通过复位按钮复位热阻测量装置并进行重新测量。
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