CN106199366A - 一种功率mos器件在线测温的方法 - Google Patents

Abstract

一种功率MOS器件在线测温的方法属于功率半导体器件以及电力电子应用技术领域。使功率MOS器件处于工作状态下，在功率MOS器件栅极施加测试脉冲电压信号，检测栅极测试脉冲电压信号与对应漏极电流变化的开启延迟时间；测量功率MOS器件漏极输出电流呈线性增大时，该延迟时间与漏极电流的对应关系，再根据器件的漏极电流(所加功率)、热阻和温升之间的对应关系，可得到温度系数；测量在某个工作状态下，功率MOS器件栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间，再由测得的温度系数,得到器件在该状态下的温升大小。即实现功率MOS器件温升的在线测量，也可监控功率MOS器件在某状态下的温升，来判定器件的工作状态。

Description

一种功率MOS器件在线测温的方法

技术领域：

本发明属于功率半导体器件以及电力电子应用技术领域。该发明主要应用于功率MOS器件温升的在线实时测量，及监控器件工作时的温升。

背景技术：

随着半导体工艺技术地不断进步，半导体器件的特征尺寸越来越小，集成度越来越高。尤其是功率MOS器件，其朝着高压、大电流的方向发展，大功率工作条件下产生的热量很高，使得结温很高，这将加速功率MOS器件的性能恶化，如工作寿命变短和器件的性能变差，对器件和系统的可靠性带来很大的挑战。因此，快速、准确地测量功率MOS器件在工作状态下的温升就显得十分必要。

现有技术中，功率MOS器件的温升测试多采用电学法，相关标准有美军标MIL-STD-750E 3101.4，国军标128A-97.3103等。使用测试设备测试过程中，均需要开关切换操作，即先给功率MOS器件施加功率使器件升温，再通过开关断开工作电流，接通测试电流，采集功率MOS器件结电压，对应得到器件温升。该方法在获取器件热阻构成方面有很大的优势,是通过小信号测试温敏参数来实现温升的测量，但不能实现器件工作状态下温升的测量。然而，当前半导体器件在工作状态下进行在线测温和实时监控工作状态既有迫切需要，又缺乏有效的方法。

发明内容：

本发明的主要发明点在于：使功率MOS器件工作状态下，通过在器件栅极施加测试脉冲电压信号，检测栅极测试脉冲电压信号与漏极对应电流变化的开启延迟时间。测量功率MOS器件漏极输出电流呈线性增大或减小时，该延迟时间与漏极电流的对应关系，再根据器件所加功率、热阻和温升之间的对应关系，得到延迟时间随温度变化的温度系数。测量在某个工作状态下，功率MOS器件栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间，再由测得的该延迟时间的温度系数,可得到器件在该状态下的温升大小，即实现功率MOS器件温升的在线测量。

该技术方案如下：

使功率MOS器件处于工作状态，待其输出功率达到稳定状态后，在功率MOS器件的栅极接入一个脉冲时间为10μs-50μs，电压幅值为500mV-2V的窄脉冲电压信号，则会引起漏极电流的对应变化。由于栅极电压信号的传动是通过沟道中载流子从源极到漏极输运时间决定的。封装后的器件的沟道长度确定，输运时间就取决于载流子在沟道中的漂移速度υ＝μ_n*E。如果保持漏-源电压不变，即电场E不变，而载流子迁移率μ_n与温度有关，随温度升高而下降。所以，功率MOS器件栅极所施加的脉冲电压信号与引起的对应漏极电流变化之间的开启延迟时间就与工作温度存在关联性。在功率MOS器件漏-源电压不变的情况下，随电流增加脉冲延迟时间与电流(所加功率)的关系一般为线性，根据器件热阻的参数定义：单位功率变化所引起的温升大小，及稳态漏极电流(所加功率)、热阻和温升之间的对应关系，则可得到该延迟时间随温度变化的温度系数，就可在功率MOS器件处于实际工作系统中的某个状态下，通过在功率MOS器件的栅极接入窄脉冲电压信号，测量器件栅极脉冲电压信号与对应的漏极电流变化之间的开启延迟时间，再利用该延迟时间随温度变化的温度系数，得到功率MOS器件在该状态下的温升。

一种功率MOS器件在线测温的方法，包括：功率MOS器件101、散热平台201、漏极电压源301、栅极电压源302、信号发生器401、0.01Ω采样电阻501、栅极电阻502、栅极并联电容601、示波器701。散热平台201用于给功率MOS器件散热；漏极电压源301和栅极电压源302用于使器件处于工作状态；信号发生器401用于给功率MOS器件栅极施加脉冲电压信号；0.01-0.1Ω采样电阻501用于采集漏极电流，栅极电阻502用于隔离、防止寄生振荡的作用；栅极并联电容601用于栅极叠加脉冲电压信号以及克服栅极寄生电容的影响；示波器701是模拟带宽大于1GHz的示波器，用于采集栅极脉冲电压信号和对应漏极工作电流的对应变化，及分析脉冲电压信号与漏极电流的开启延迟关系。

电容601的选取原则是大于功率MOS器件的栅源输入电容值Ciss(Ciss约为4000pF左右)，也不宜过大，小于5-10倍Ciss。

采样电阻501：本测试电路中，采样电阻501与功率MOS器件使用隔离GND，故采样电阻的选取原则是，读取电压信号不易过小，便于两信号分析即可。

本发明的特征在于：

I.确定了功率MOS栅极测试脉冲电压信号与对应漏极电流变化的延迟时间，该延迟时间在漏-源电压不变条件下，与沟道的温度存在关联性(一般为线性)；

II.建立了获取测量延迟时间的温度系数的实验方法；

III.获取温度系数后，测量或监测功率器件工作时的温度。

该方法包括以下步骤：

I.将功率MOS器件101放置在散热平台201上，连接好功率MOS器件101的栅、源、漏导线，如图1所示。

II、调节漏极电压源301为2V不变，然后，调节栅极电压源302，使得漏极电压源301的输出电流为1A，即此时流过功率MOS器件的漏-源电流为1A，持续此工作状态5-10分钟，使得功率MOS器件101输出达到稳定状态。接着调节信号发生器401，产生一个脉宽为10μs-50μs，电压幅值为500mV-2V的脉冲电压信号，通过电容值约为1μF电容601叠加在功率MOS器件101的栅极，此时，使用示波器701采集功率MOS器件101的栅-源电压和采样电阻501的电压变化，波形如图2所示。然后，调节示波器701，等比例放大两信号的脉冲开启上升部分至100mV，100ns档位，使得两脉冲处于同一条零点线位置，读取两信号距离零点线100mV位置的差值，则该差值即是功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏极电流变化的开启延迟时间，该值的读取是取脉冲信号上升沿的约百分之五位置，如图3所示。在此约定，其他电流下功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟读取与上述读取方法一致。

III、保持漏极电压源301幅值2V不变，调节栅极电压源302，使得漏极电压源301的输出电流分别为2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A，然后，再分别待其工作5-10分钟到稳态后，重复步骤II的条件和方式，分别采集该漏极电流下的功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间。然后，做功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟Delay与漏电流I_DS的关系曲线，如图4所示。由图可知，两者满足斜率为正值的线性关系。

IV、获取改延迟时间的温度系数的方法：功率MOS器件101的漏极电压V_DS为

V_DS＝V_power-I_DS*0.01

其中，V_power为漏极电压源301的输出电压值。I_DS为漏极电流，0.01为采样电阻的阻值。

功率MOS器件101的加载功率为：

P＝V_DS*I_DS

因为功率MOS器件101栅极所加脉冲测试信号的工作时间t_pulse仅为10-50μS，所引起的温升几乎可以忽略不计。再根据热阻的定义：

R_th(t)＝ΔT(t)/(V_DS*I_DS)

其中，ΔT(t)为器件在该功率下的温升，则可得到功率MOS器件101的温升为：

ΔT(t)＝R_th(t)/(V_DS*I_DS)

因为功率MOS器件101的热阻随温度变化很小，可认为是定值，该参数可由器件Datasheet手册查出，如IRFP260的datasheet给出的结壳热阻值为0.5℃/W。则可将功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟与漏电流I_DS的关系曲线，转换为功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号的与对应漏电流变化的开启延迟与温升△T(t)的关系曲线，如图5所示。则得到该漏-源电压下，功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间的温度系数。

V、改变漏极电压源301的幅值，分别设置为2V、4V、6V、8V、10V，然后重复步骤III的操作，测量功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间与对应漏极电流变化的关系，再使用步骤IV的方法，可得到不同漏极电压下，功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间与温升△T(t)的关系曲线，如图6所示。

VI、即通过测量该漏极电流下，功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间，得到延迟时间的温度系数。使功率MOS器件101处在某个工作状态下，测试该状态下的功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间，再根据测得的该延迟时间随温度变化的温度系数，可得到该功率下功率MOS器件101的温升值。即实现了功率MOS器件101温升的在线测量，也可通过该方法监控功率MOS器件101在某功率下的温升，来判定器件的工作状态。

VII、使用本方法获取的延迟时间的温度系数与理论计算结果十分吻合，都是ns级的，且重复性和一致性都很好，且本方法测试的温升结果既与理论结果吻合，也与其他方法，如红外法的测试结果具有一致性。该方法既解决了功率MOS器件的温升在线测量的难题，也为获取器件在某个状态下的温升提供了一条很有效、便捷的途径。

VIII、补充说明：

1、功率MOS器件施加功率后，持续工作状态5-10分钟范围的依据：功率MOS器件在该功率下，由于器件产生温升，会引起器件迁移率的降低，导致电流密度减小，漏极电流会降低，则需要微调栅极电压，使得电流保持在设定的值，该状态持续大约5-10分钟(不同器件会有差异)后，器件会达到稳定状态。再施加测试脉冲信号，所测的开启延迟即是该电流对应温升下的延迟时间。

2、栅极脉冲电压信号的脉宽10μs-50μs，电压幅值为500mV-2V的选取依据：所施加的脉冲信号必须引起的温升很小，对测量带来的影响可以忽略不计。脉冲信号的脉宽为10μs-50μs，则引起的温升变化很小。幅值500mV-2V的选取则是为了便于示波器读取和分析数据。在线测温的过程中，栅极脉冲电压信号的脉宽和幅值确定后，根据一致性原则，不同漏极电压和电流下，栅极脉冲电压信号的脉宽和幅值需不变。

3、电容601的电容值约为1μF的选取是为了克服功率MOS器件栅-源寄生电容的影响(C_GS一般约为几千pF)，电容601的电容值稍微大于器件本身的寄生电容就行，也不能太大，太大会对栅极脉冲电压信号影响。

4、调节示波器701(带宽大于1GHz)，等比例放大两信号的脉冲开启上升部分至100mV/div，100ns/div档位的设置原因：示波器的选取时模拟带宽需大于1GHz,因为功率MOS器件栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间的数量级是ns级的(大约100ns左右)，则需1GHz以上示波器才能区别出该延迟时间；放大开启上升沿的档位设置100mV/div，100ns/div则是考虑示波器采集的信号进行放大后，信号失真小，干扰低，及便于延迟时间的读取。

5、两脉冲处于同一条零点线位置，读取两信号距离零点100mV的位置的差值的选取原因：将示波器中采集的两脉冲信号放大后，调节到同一条零点线位置，然后取脉冲信号上升沿的约百分之五位置(由于读取的延迟时间很小，都是ns级的，业内都认可读取两信号距离零点线位置5％-10％位置的时间差值即是开启延迟时间)。

附图说明

图1为本发明所涉及测试装置的示意图

图中序号对应的名称如下：

功率MOS器件101 散热平台201 漏极电压源301

栅极电压源302 信号发生器401 0.01Ω采样电阻501

栅极电阻502 栅极并联电容601 示波器701

图2功率MOS器件101的栅极电压信号与采样电阻501对应的电压变化

其中：V_GS-t的波形为示波器采集的功率MOS器件101栅极电压变化，I_DS-t的波形为采样电阻502上对应的电流变化。图中，t_heating部分为直流工作5分钟至稳态时间，t_pulse部分为功率MOS器件栅极所加50us脉冲电压信号与采样电阻的对应电流变化。

图3示波器处理后的功率MOS器件栅极脉宽电压信号与对应漏极电流变化的开启延迟关系。

其中：曲线1为示波器采集的功率MOS器件101栅极电压，曲线2为采样电阻502上对应的电压变化。V₀为开启延迟读取的参考点，t₂-t₁即为功率MOS器件漏电流与栅极脉冲信号的延迟时间。

图4功率MOS器件漏极电流与栅极脉冲电压信号开启延迟Delay与漏极电流I_DS的关系曲线。

图5功率MOS器件漏电流与栅极脉冲电压信号开启延迟Delay与温升△T(t)的关系曲线。

图6不同的漏极电压下，功率MOS器件栅极脉冲电压信号与对应漏极电流变化的开启延迟Delay与温升△T(t)的关系曲线。

具体实施方式：

首先将功率MOS器件101放置在平台201上。连接好功率MOS器件101的栅、源、漏导线，栅极电压源302正极连接到栅极电阻502的一端，栅极电压源302负极连接到功率MOS器件101的源极，栅极电阻502的另一端连接到功率MOS器件101的栅极。信号发生器401的输出正极连接到栅极并联电容601的一端，信号发生器401的输出负极连接到功率MOS器件101的源极，且与栅极电压源共地GND1，栅极并联电容601的另一端连接到功率MOS器件的栅极，形成与栅极电阻502的并联。漏极电压源301的正极连接到功率MOS器件101的漏极，漏极电压源301的负极连接到0.01Ω采样电阻501的一端，且形成共地GND2，采样电阻501的另一端连接到功率MOS器件101的源极。示波器701的通道channel 1探头的正端连接到功率MOS器件的栅极，负端连接到功率MOS器件101的源极。示波器701的通道channel 2采用差分探头采集信号，正端连接到采样电阻501与功率MOS器件101源极连接的一端，另一端连接到与采样电阻501与漏极电压源负极连接的那端。

然后，调节漏极电压源301到2V，调节栅极电压源302，使得漏极电压源301的输出电流为1A，即此时流过功率MOS器件的电流为1A，持续此工作状态5分钟，使得功率MOS器件达到稳定状态。接着调节信号发生器401，产生一个脉宽为50μs，幅值为2V的脉冲电压信号，通过电容值约为1μF电容601叠加在功率MOS器件101的栅极，此时，使用示波器701采集功率MOS器件101的栅-源电压和采样电阻501的电压变化。然后，调节示波器701，等比例放大两信号的脉冲上升部分至100mV，100ns档位，使得两脉冲处于同一条零点线位置，然后，读取两信号距离零点100mV的位置的差值，则该差值即是功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间。

保持漏极电压源301幅值2V不变，调节栅极电压源302，使得漏极电压源301的输出电流分别为2A、3A、4A、5A、6A、7A、8A、9A，然后，再分别待其工作5分钟到稳态后，重复步骤II的条件和方式，分别采集该漏电流下的功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间。然后，功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间Delay与漏电流I_DS的关系曲线。再根据步骤IV，做功率MOS器件漏电流与栅极脉冲电压信号开启延迟Delay与温升△T(t)的关系曲线。则得到该漏-源电压下，功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间的温度系数。

改变漏极电压源301的幅值，分别设置为2V、4V、6V、8V、10V，然后重复步骤III的操作，测量功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间与对应漏极电流变化的关系，再使用步骤IV的方法，可得到不同漏极电压下，功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间与温升△T(t)的关系曲线。即得到，不同漏极电压下，功率MOS器件101栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间的温度系数。

将功率MOS器件处于某个工作状态直至稳态后，在功率MOS器件的栅极接入一个脉冲时间为50μs，电压幅值为2V的脉冲电压信号。通过测量功率MOS器件栅极脉冲电压信号与对应的漏极电流变化之间的开启延迟时间，再利用该延迟时间随温度变化的温度系数，得到功率MOS器件在该状态下的温升。

Claims (3)

1.一种功率MOS器件在线测温的方法，其特征在于，包括以下步骤：

I、使功率MOS器件处于工作状态，保持功率MOS器件漏-源电压不变，调节栅极电压，待其输出功率达到稳定状态后，在功率MOS器件的栅极接入窄脉冲电压信号，则会引起漏极电流的对应变化；所述的窄脉冲电压信号的脉冲时间为10μs-50μs，电压幅值为500mV-2V；使用示波器或测温芯片，采集加载窄脉冲测试信号后功率MOS器件漏极电流的变化信号，将两信号进行放大处理，读取两信号的时间差值，即是功率MOS器件栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间；

II、保持功率MOS器件漏-源电压不变，调节栅极电压，使得功率MOS器件漏极的输出电流呈线性增大或减小，分别待其工作至稳态后，在功率MOS器件的栅极接入窄脉冲电压信号，采集各稳态漏极电流下，功率MOS器件栅极测试脉冲电压信号与对应漏极电流变化的开启延迟时间，得到该延迟时间与稳态漏极电流的对应关系，根据加载功率为漏-源电流与漏-源电压的乘积，可获取延迟时间与加载功率的对应关系。再根据器件热阻的参数定义：单位功率变化所引起的温升大小，及器件所加载功率、热阻和温升之间的对应关系，可得到功率MOS器件栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的开启延迟时间随温度变化的温度系数；通过改变功率MOS器件漏极电压的幅值，得到不同漏极电压下，该开启延迟时间的温度系数；

III、使功率MOS器件处于某个工作状态下，通过在器件的栅极接入窄脉冲电压信号，测量功率MOS器件栅极测试脉冲电压信号与对应漏电流变化的延迟时间，再利用该延迟时间随温度变化的温度系数，则得到该状态下功率MOS器件的温升。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，由于一般延迟时间在纳秒量级，示波器或测温芯片的模拟带宽应大于1GHz。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤I所述将两信号进行放大处理，读取两信号的时间差值，是读取两信号对应相对幅值(一般为幅值的5％-10％)的时间差值。