CN104303063A - 用于测定功率电子装置的半导体器件的温度标定特征曲线的方法和装置 - Google Patents

用于测定功率电子装置的半导体器件的温度标定特征曲线的方法和装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于测定功率电子装置的半导体器件(3)的温度标定特征曲线的装置和方法。所述装置和方法的特征尤其在于：能够简单地且经济上适宜地测定温度标定特征曲线。为此，将半导体器件(3)的功率端子-与负载电流的第一电流源(1)、-与测量电流的第二电流源(2)，和-与用于测量在功率端子或与功率端子连接的辅助端子上下降的电压的电压表(V)互联。此外，与数据处理系统连接的半导体器件(3)-间隔地在接通第一电流源(1)的情况下经由所述半导体器件的损失功率加热和-在切断第一电流源(1)并接通第二电流源(2)时测量在作为代表温度的数值的通过半导体器件(3)的热学主时间常数测定的持续时间之后在间隔之间在功率或辅助端子上下降的电压，包括所属的温度。该数值在近似之后形成半导体器件(3)的标定特征曲线。

Description

用于测定功率电子装置的半导体器件的温度标定特征曲线的方法和装置
技术领域
本发明涉及一种用于测定功率电子装置的半导体器件的温度标定特征曲线的方法和装置。
背景技术
功率电子装置的半导体器件例如是已知的具有绝缘栅电极的双极晶体管(insulated-gate bipolar transistor，缩写IGBT)。这种器件将双极晶体管的良好导通特性和高截止电压形式的优点以及场效应晶体管的尽可能无功率损失的控制的优点结合在一起。
在此，区分四种不同的基础类型。根据基础材料的掺杂，能够制造n和p通道的功率半导体。所述功率半导体分别划分成自导通和自截止的类型。半导体器件具有端子集电极(C)和发射极(E)。另外的栅极端子(G)在全部类型中用作为控制端子。
为了获取也称作VCE(T)的标定特征曲线UCE(T)，半导体器件被动地置于特定的温度水平上并且在那里测量相应的UCE电压，而小测量电流I测量流动。由此引起的加热能够被忽略。
被动的加热通过外部的热输送进行。为了该目的，半导体器件被置于封装的加热设备中，直到半导体的温度达到加热设备的温度。因此，在半导体中均匀的温度分布占优。借助于所馈送的测量电流I测量记录标定特征曲线的测量点。
根据所需的测量点的数量，投入多个温度等级并且在那进行测量。用于获得特定特征曲线的整个过程持续多个小时。标定过程在较晚的使用地点发生。为了测量和标定，使用不同的构造方式，从而无法排除测量偏差。
通过参考文献DE 30 37 192 A1已知一种用于半导体设备的测试方法，所述测试方法在相对短的时间中提供半导体在不同温度下的特征数据。在此，半导体设备借助于加热体局部地被加热，并且在不同的温度下执行对特征数据的测量。用于记录测量结果的测试电路在该方法期间保持在室温。
参考文献DE 38 32 273 A1包含用于测定IGBT器件热阻的设备和方法。对此，首先在要测试的IGBT器件的冷状态下测量集电极-发射极电压，随后对IGBT器件加载在功率和持续时间方面所测定的电功率脉冲，并且在第二测量中直接在功率脉冲结束之后测定集电极-发射极电压。
发明内容
在权利要求1和6中说明的本发明基于下述目的：简单地测定功率电子装置的半导体器件的温度标定特征曲线。
所述目的借助权利要求1和6所详述的特征来实现。
用于测定功率电子装置的半导体器件的温度标定特征曲线的装置和方法的特征尤其在于：能够简单地且经济上适宜地测定温度标定特征曲线。为此，将半导体器件的功率端子
-与负载电流的第一电流源、
-与测量电流的第二电流源、
-与用于测量在功率端子或与功率端子连接的辅助端子上下降的电压的电压表互联。
此外，与数据处理系统连接的半导体器件
-间隔地在接通第一电流源的情况下经由所述半导体器件的损失功率加热
-在切断第一电流源和接通第二电流源时测量在在作为代表温度的数值的通过半导体器件的热学主时间常数测定的持续时间之后在间隔之间的在功率或辅助端子上下降的电压，
-同时借助于至少一个耦合到半导体器件上的且与数据处理系统互连的温度传感器，检测温度，和
-将相应的温度与电压值相关联。
电压值和温度在近似之后形成半导体器件的标定特征曲线。
该方法和本发明的特征因此在于：通过由其自身的损失功率主动地加热测试体来获得温度标定特征曲线。在测量结构中的标定中，功率电子装置的半导体器件形式的模块主动地、即用负载电流加热。
加热过程在多个间隔中进行。半导体器件不被冷却，仅在切断风扇时对空气冷却器或者水冷却器的热容加载。经由负载电流和由此设定的正向电压主动地加热模块中的芯片一定特定时间。在切断负载电流之后，经由功率端子馈送测量电流，因为从流动的测量电流中产生的加热相对于从负载电流中产生的加热是可忽略的。
在初始时，芯片上的温度强烈下降。半导体器件的热容经由相应的热阻释放到冷却器中。在此，芯片温度在特定固定时间之后达到近似冷却体的温度。之后，这两者同样迅速下降。直到这两个温度大致位于相同水平的时间能够从半导体器件的最大的热学主时间常数中估算出。热学主时间常数能够从制造商说明中测定、通过制造商测定的说明或者能够手动地估算出来。
令人惊讶地显示出：芯片和冷却体的温度都快速地位于相同的水平上。在冷却期间，能够将温度值分配给在功率端子或辅助端子上下降的电压。这借助于与数据处理系统连接的且耦联到半导体器件上的温度传感器实现。
在测量之后进行重新的加热和冷却过程，由此设定新的测量点。能够长时间地选择冷却阶段直至设定先前间隔的启动温度之上的温度。
加热和冷却的该过程被重复直至达到关于温度的标定特征曲线的期望的上部的点。通过流动的测量电流引起的加热是可忽略的。
作为图表中的测量点并且借助近似来获得半导体器件的温度标定特征曲线。
该方法的控制、测量值的存储和评估借助于数据处理系统进行。
该方法和设备的特征在于极其小的持续时间。当已知的方法根据模块大小而需要多个小时、典型地二至三个小时时，通过主动地加热功率半导体仅需要几分钟、例如三至六分钟。当然，也在冷却期间能够通过流动的或穿涌流的介质进行强制冷却，使得芯片和壳体的温度更快速地接近。所述冷却能够连续地或者阶梯延续地进行。
标定有利地能够在最稍晚的使用地点进行，其中也取消调试时间。
在从属权利要求2至5和7中说明了本发明的有利的设计方案。
根据权利要求2的改进形式，间隔确定了加热并且间隔之间的时间确定了冷却和测量。阶梯式地进行加热，其中冷却的持续时间长至使得温度大于测量点的通过先前间隔引起的温度。
根据权利要求3的改进形式，在整数倍的热学主时间常数之后在间隔之间的冷却期间，半导体器件的冷却体和芯片尽可能地位于相同的温度水平上。此后，进行对在功率端子或辅助端子上下降的电压和温度的测量。
根据权利要求4的改进形式，热学主时间常数的倍数是热学主时间常数的四倍或四倍以上。
根据权利要求5的改进形式，第一电流源的电流是半导体器件的额定电流的25％至100％。
根据权利要求7的改进形式，半导体器件是具有绝缘栅电极的双级晶体管、功率MOSFET(MOSFET：金属氧化物半导体场效应晶体管)、功率JFET(截至层结型场效应晶体管)、晶闸管、二端交联关元件、三端交联关元件或二极管。
附图说明
在附图中分别原理性地示出本发明的实施例并且在下面详细描述。
其示出：
图1示出用于主动测定具有绝缘栅电极的、作为功率电子装置的半导体器件的双极晶体管的温度标定特征曲线的装置，和
图2示出测量的变化曲线。
具体实施方式
在下面的实施例中，共同详细阐述用于测定具有绝缘栅电极的、作为功率电子装置的半导体器件3的双级晶体管3的温度标定特征曲线的装置和方法。
用于测定具有绝缘栅电极的、作为功率电子装置的半导体器件3的双级晶体管3的温度标定特征曲线的装置基本上由负载电流I负载的第一电流源1、测量电流I测量的第二电流源2、用于测量集电极-发射极路径上下降的电压UCE的电压表V、数据处理系统和与双级晶体管3耦联的温度传感器组成。
图1示出用于主动测定具有绝缘栅电极的、作为功率电子装置的半导体器件3的双级晶体管D的温度标定特征曲线的装置的原理图。
具有绝缘栅电极的双极晶体管3下面称作为功率半导体3。
功率半导体3的集电极-发射极路径与
-小于或等于额定电流的电流I负载的第一电流源1、
-测量电流I测量的第二电流源2、
-用于测量在集电极-发射极路径上下降的电压UCE的电压表V和
-用于控制测量、存储测量数据和评估的数据处理系统互联。
数据处理系统还与温度传感器联接。集电极和发射极是功率半导体3的功率端子和辅助端子或功率端子。
数据处理系统和温度传感器在图1中没有示出。
功率半导体3在特定的且预设的时间间隔中在第一电流源1接通的情况下经由其损失功率加热。第一电流源1的电流I负载在此例如为功率半导体3的额定电流的50％。
借助于数据处理系统进行控制。
在切断第一电流源1并接通第二电流源2时，测量在作为代表温度的数值的通过功率半导体器件3的热学主时间常数确定的持续时间t测量之后在间隔之间在集电极-发射极路径上下降的电压UCE。同时，借助与功率半导体3耦联的温度传感器来测量温度。该数值存储在数据处理系统中进而被处理，使得数值例如在线性近似之后形成功率半导体3的标定特征曲线。
图2示出测量的变化曲线的原理图。
间隔t上升确定加热，并且间隔t上升之间的时间t下降和t测量确定冷却和测量。加热阶梯式地进行，其中电流I负载流动。
用于冷却的持续时间t下降和t测量长至使得测量点i+1的温度大于测量点i的通过先前间隔t上升引起的温度。
图2对此示出芯片温度的温度变化曲线Tvj，其中vj代表虚拟的连结，并且示出了功率半导体3的壳体温度的温度变化TC，其中C代表壳体。
功率半导体3的芯片和功率半导体3的冷却体在五倍的热学主时间常数之后在间隔之间的冷却期间尽可能地位于相同的温度水平，其中尤其在此测量集电极-发射极路径上下降的电压(测量点i和i+1)。
数值和配属于此的温度例如在线性近似之后在数据处理系统中形成了功率半导体3的标定特征曲线。

Claims (7)

1.一种用于测定功率电子装置的半导体器件的温度标定特征曲线的方法，其特征在于，将所述半导体器件(3)的功率端子
-与负载电流(I负载)的第一电流源(1)、
-与测量电流(I测量)的第二电流源(2)、
-与用于测量在所述功率端子或与所述功率端子连接的辅助端子上下降的电压(UCE)的电压表(V)
互联，其中与数据处理系统连接的所述半导体器件(3)
-间隔地在接通所述第一电流源(1)的情况下经由所述半导体器件的损失功率加热，
-在切断所述第一电流源(1)并接通所述第二电流源(2)时测量在作为代表温度的数值的通过所述半导体器件(3)的热学主时间常数测定的持续时间之后在间隔之间在所述功率端子或所述辅助端子上下降的电压(UCE)，
-同时借助于至少一个耦合到所述半导体器件(3)上的且与所述数据处理系统互连的温度传感器，检测所述温度，和
-将相应的所述温度与电压值相关联，
使得所述电压值和所述温度在近似之后形成所述半导体器件(3)的标定特征曲线。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述间隔确定了所述加热和所述间隔之间的时间确定了冷却和测量，并且阶梯式地进行所述加热，其中所述冷却的持续时间长至使得所述温度大于所述测量点的通过先前间隔产生的温度。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在整数倍的所述热学主时间常数之后在所述间隔之间的所述冷却的期间，所述半导体器件(3)的所述冷却体和所述芯片尽可能地位于相同的温度水平上，其中进行对在所述功率端子或所述辅助端子上下降的所述电压和所述温度的测量。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述热学主时间常数的所述倍数是所述热学主时间常数的四倍或四倍以上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一电流源(1)的电流是所述半导体器件(3)的额定电流的25％至100％。
6.一种用于根据权利要求1所述的方法测定功率电子装置的半导体器件的温度标定特征曲线的装置，其特征在于，所述半导体器件(3)的功率端子与
-负载电流(I负载)的第一电流源(1)、
-测量电流(I测量)的第二电流源(2)、
-用于测量在所述功率端子或与所述功率端子连接的辅助端子上下降的电压(UCE)的电压表(V)和
-数据处理系统
互联成使得
a)所述半导体器件(3)间隔地在接通所述第一电流源(1)的情况下经由所述半导体器件的损失功率加热，
b)在切断所述第一电流源(1)并接通所述第二电流源(2)时测量在作为代表温度的数值的通过所述半导体器件(3)的热学主时间常数确定的持续时间之后在间隔之间在所述功率端子或所述辅助端子上下降的电压(UCE)，
c)同时借助于至少一个耦合到所述半导体器件(3)上的且与所述数据处理系统互连的温度传感器检测所述温度，和
d)相应的所述温度与电压值相关联，
以至于所述电压值和所述温度在近似之后形成所述半导体器件(3)的标定特征曲线。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述半导体器件(3)是具有绝缘栅电极的双级晶体管、功率MOSFET、功率JFET、晶闸管、二端交联关元件、三端交联关元件或二极管。
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