CN107621599A - 一种测量igbt在高温反偏试验中结温变化的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种测量IGBT在高温反偏试验中结温变化的方法，利用IGBT在高温反偏试验中的漏电流与温度的对应关系，对实验中的器件结温进行实时监控的方法。且IGBT漏电流以器件内部MOS部分漏电流为主，在高温反偏试验前需先绘制校温曲线：栅极接地或栅极‑发射极短接，对器件集电极‑发射极加短脉冲电压，在不产生自升温的条件下得到器件漏电流与结温的对应关系，绘制校温曲线图。在高温反偏试验中实时测量器件的漏电流，将漏电流值与校温曲线作比对，可以直接读出器件的结温。

Description

一种测量IGBT在高温反偏试验中结温变化的方法

技术领域

该发明主要应用于高温反偏试验中，实时监控实验中IGBT结温，并控制IGBT结温使其符合JEDEC规定。

背景技术

IGBT功率器件是昂贵且脆弱的器件，应用在诸多重要领域，单个器件的失效会造成整个模块损坏、系统失灵，并带来巨大的经济损失。因此，在器件投入使用前需要做老炼实验对器件进行筛选。高温反偏试验是老炼实验的一种，也是器件出厂前必做的实验之一，要求器件承受一定结温和正偏电压，例如并不限于：实验中器件结温为器件所能承受的最高结温，施加电压优选IGBT关断条件下能承受最大正向电压的80％。对于大功率器件，在高压栅极反偏试验中，漏电流和较高的正向电压会产生功耗使器件结温上升，结温不稳定会给高压反偏试验带来影响：实验温度过高会造成正常器件损毁；实验温度较低则不能按规定剔除缺陷器件，且结温与器件特性直接相关，监测器件结温可以避免正常器件由于温度过高而损毁，也有利于利用器件结温特性剔除缺陷器件。

目前测量高温反偏试验中器件结温大多是利用热阻计算得到。但是器件热阻是一个温度函数，随着器件结温上升、器件老化实时发生变化；且计算器件热阻需要测量器件的加热或冷却曲线，不能在实验过程中测得，因此通过热阻计算得到的实时测温结果是不准确的。

发明内容

针对高温反偏试验中，IGBT结温实时监测存在的上述问题，本发明提供了一种利用IGBT在高温反偏试验中的漏电流与温度的对应关系，对实验中的器件结温进行实时监控的方法。且IGBT漏电流以器件内部MOS部分漏电流为主，根据亚阈值电流公式：

其中β＝q/kT，q为电子电荷(1.6×10^-19C)，k为波耳兹曼常数(1.38×10–23J/K)，T为热力学温度，与结温Tj_相等，本征载流子浓度ni²∝Tj^3/2，漏端表面势φ_s与结温Tj呈正温度系数，硅的介电常数ε_s、P区掺杂浓度N_A、沟道宽度Z和正向偏压V_D保持不变，沟道长度L与电子迁移率μ_n虽随温度变化，但温度特性不明显在上式中可忽略，因此漏电流Ices随温度上升而增大，且结温越高Ices增长越剧烈，测量精确度越高。该方法不需要借助热阻计算,直接在实验中实时测量结温，消除了由于热阻变化引起的结温测量误差。

本发明采用的技术方案如下：

在高温反偏试验前需先绘制校温曲线：栅极接地或栅极-发射极短接，对器件集电极-发射极加短脉冲电压，在不产生自升温的条件下得到器件漏电流与结温的对应关系，绘制校温曲线图。在高温反偏试验中实时测量器件的漏电流，将漏电流值与校温曲线作比对，可以直接读出器件的结温。

一种测量IGBT在高温反偏试验中结温变化的方法，实现该方法的测试系统包括被测IGBT器件1和测试电路板2、温箱3、短脉冲电源4、恒压电源5和计算机6。通过测试电路板2将被测IGBT器件1的栅极接地；测试时，短脉冲电源4和恒压电源5分别与测试电路板2连接，测试电路板2为被测IGBT器件1提供集电极-发射极电压，采样电阻与被测IGBT器件1发射极串联，通过采样电阻两端的电压数据采集器实时采集采样电阻两端电压。温箱3用于提供恒温环境；短脉冲电源4用于为器件提供与高温反偏试验中电压值相等电压脉冲，如图1所示，测量校温曲线时要求器件不能产生自升温，要求输出电压脉宽小于20μs，占空比小于5％；恒压电源5为器件提供高温反偏试验需要的稳定的电压源，即IGBT关断条件下能承受最大正向电压的80％；短脉冲电源4和恒压电源5以及测试电路板2与计算机6连接用于控制短脉冲电源，高压电流源，测试电路板2中电压采集电路，将校温测试结果拟合成校温曲线，根据校温曲线对应得到高温反偏试验中器件的结温。

本发明的特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一，将被测IGBT器件1放置在温箱3中，接好被测IGBT器件1和测试电路板2短脉冲电源4的连线。

步骤二，设置温箱3温度，待温箱3温度稳定一段时间后，该条件下器件温度即为温箱设置温度。用计算机控制短脉冲电源4输出脉冲电压，如图1，电压值按照高温反偏试验电压要求设置；同时，计算机6控制测试电路板2在短脉冲电源4输出电压时，采样电阻两端电压值，经AD转换器将结果传给计算机6，计算机6利用欧姆定律I＝U/R计算(U为采样电阻两端电压值，R为采样电阻阻值)，即用采样电阻两端电压值除以采样电阻阻值得到此时器件漏电流值。

步骤三，按一定的步长升高温箱3的温度，待温箱温度稳定后重复步骤二，得到漏电流与温度的关系，利用最小二乘法对数据进行多项式曲线拟合，得到该器件漏电流与结温的校温曲线。

步骤四，在高温反偏试验中，将恒压电源5与测试电路板2相连，设置温箱3的温度为高温反偏试验要求温度，待温度稳定一段时间后，用计算机6控制恒压电源5开始高温反偏试验，同时控制测试电路实时采集器件1的漏电流并将测试值传给计算机6，计算机6将返回值与校温曲线作对比，对应得到器件结温。

步骤五，根据测量结果是否符合测试标准调节热沉温度，使高温反偏试验保持在测试标准规定条件下进行。

附图说明

图1短脉冲电压源输出波形示意图。

图2测试装置示意图

图3JT015N120WCD型号IGBT漏电流校温曲线图

图4：八小时高温反偏实验温度变化

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1-4所示，步骤一：被测IGBT器件1为JT015N120WCD型号的IGBT器件：将被测IGBT器件与测试电路板2相接，并将被测IGBT器件1放置于温箱3内。

通过测试电路板2将被测IGBT器件1的栅极发射极并联接地，集电极与测试电路板2内置的采样电阻串联。

步骤二：设置温箱温度为120℃，待温箱温度稳定5分钟后，温箱3内被测IGBT器件1的温度即为温箱设置温度。用计算机6通过芯片W5300控制短脉冲电源4输出脉宽为20μs，占空比为5％，电压值为2640V的短脉冲电压，如图1。短脉冲电源4输出脉宽时，计算机6控制测试电路板2内置的采集卡mp424采集采样电阻两端电压值，采集速度设为200ns，采样电阻两端电压值经采集卡进行AD转换后将结果传给计算机6，计算机6利用欧姆定律I＝U/R计算，即用采样电阻两端电压值除以采样电阻的阻值得到此时器件漏电流值。由于短脉冲电源4输出脉冲电压时，电压会发生过冲，为排除过冲对测试结果的影响，计算机6删除测得的前50个采样值，后50个值求平均即为当前温度对应电流值。

步骤三：分别设置温箱3温度为十档，第一档温度为121℃，第二档温度为122℃，顺次的，第十档温度为130℃，待温箱3温度稳定5分钟后重复上述步骤。得到每档温度下被测IGBT器件1在集电极发射极偏压为2640V时分别对应的漏电流值，即得到漏电流与温度的关系，利用最小二乘法对数据进行多项式曲线拟合，得到该器件漏电流与结温的校温曲线。

步骤四：在高温反偏试验中，将被测IGBT器件1将恒压电源5与测试电路板2相连，集电极与测试电路板2内置的采样电阻串联。

计算恒温平台温箱3的温度为T_set＝Tj-P*Rth＝Tj-(Vce*Ices)*Rth，其中T_set为温箱3设置温度，P为被测IGBT器件1在高温反偏试验中产生的功率，Rth为被测IGBT器件1的结与恒温平台间的热阻。

设置好温箱3的温度，待温度稳定一段时间后，用计算机6控制恒压电源5开始高温反偏试验，同时控制测试电路实时采集器件的漏电流并将测试值传给计算机6，计算机6将返回值与校温曲线作对比，对应得到器件结温。

步骤五：根据测量结果是否符合测试标准调节热沉温度，使高温反偏试验保持在测试标准规定条件下进行。

Claims (2)

1.一种测量IGBT在高温反偏试验中结温变化的方法，在高温反偏试验前需先绘制校温曲线：栅极接地或栅极-发射极短接，对器件集电极-发射极加短脉冲电压，在不产生自升温的条件下得到器件漏电流与结温的对应关系，绘制校温曲线图；在高温反偏试验中实时测量器件的漏电流，将漏电流值与校温曲线作比对，直接读出器件的结温；

其特征在于：实现该方法的测试系统包括被测IGBT器件(1)和测试电路板(2)、温箱(3)、短脉冲电源(4)、恒压电源(5)和计算机(6)；通过测试电路板(2)将被测IGBT器件(1)的栅极接地；测试时，短脉冲电源(4)和恒压电源(5)分别与测试电路板(2)连接，测试电路板(2)为被测IGBT器件(1)提供集电极-发射极电压，采样电阻与被测IGBT器件1发射极串联，通过采样电阻两端的电压数据采集器实时采集采样电阻两端电压；温箱(3)用于提供恒温环境；短脉冲电源(4)用于为器件提供与高温反偏试验中电压值相等电压脉冲，测量校温曲线时要求器件不能产生自升温，要求输出电压脉宽小于20μs，占空比小于5％；恒压电源(5)为器件提供高温反偏试验需要的稳定的电压源，即IGBT关断条件下能承受最大正向电压的80％；短脉冲电源(4)和恒压电源(5)以及测试电路板(2)与计算机(6)连接用于控制短脉冲电源，高压电流源，测试电路板(2)中电压采集电路，将校温测试结果拟合成校温曲线，根据校温曲线对应得到高温反偏试验中器件的结温；

该方法包括以下步骤：

步骤一，将被测IGBT器件(1)放置在温箱(3)中，接好被测IGBT器件(1)和测试电路板(2)短脉冲电源4的连线；

步骤二，设置温箱(3)温度，待温箱(3)温度稳定一段时间后，该条件下器件温度即为温箱设置温度；用计算机控制短脉冲电源(4)输出脉冲电压，电压值按照高温反偏试验电压要求设置；同时，计算机(6)控制测试电路板(2)在短脉冲电源(4)输出电压时，采样电阻两端电压值，经AD转换器将结果传给计算机(6)，计算机(6)利用欧姆定律I＝U/R计算，U为采样电阻两端电压值，R为采样电阻阻值，即用采样电阻两端电压值除以采样电阻阻值得到此时器件漏电流值；

步骤三，按一定的步长升高温箱(3)的温度，待温箱温度稳定后重复步骤二，得到漏电流与温度的关系，利用最小二乘法对数据进行多项式曲线拟合，得到该器件漏电流与结温的校温曲线；

步骤四，在高温反偏试验中，将恒压电源(5)与测试电路板(2)相连，设置温箱(3)的温度为高温反偏试验要求温度，待温度稳定一段时间后，用计算机(6)控制恒压电源(5)开始高温反偏试验，同时控制测试电路实时采集器件的漏电流并将测试值传给计算机(6)，计算机(6)将返回值与校温曲线作对比，对应得到器件结温；

步骤五，根据测量结果是否符合测试标准调节热沉温度，使高温反偏试验保持在测试标准规定条件下进行。

2.根据权利要求1所述的一种测量IGBT在高温反偏试验中结温变化的方法，其特征在于：

步骤一：被测IGBT器件1为JT015N120WCD型号的IGBT器件：将被测IGBT器件与测试电路板(2)相接，并将被测IGBT器件(1)放置于温箱(3)内；

通过测试电路板(2)将被测IGBT器件(1)的栅极发射极并联接地，集电极与测试电路板(2)内置的采样电阻串联；

步骤二：设置温箱温度为120℃，待温箱温度稳定5分钟后，温箱(3)内被测IGBT器件(1)的温度即为温箱设置温度；用计算机(6)通过芯片W5300控制短脉冲电源(4)输出脉宽为20μs，占空比为5％，电压值为2640V的短脉冲电压；短脉冲电源(4)输出脉宽时，计算机(6)控制测试电路板(2)内置的采集卡mp424采集采样电阻两端电压值，采集速度设为200ns，采样电阻两端电压值经采集卡进行AD转换后将结果传给计算机(6)，计算机(6)利用欧姆定律I＝U/R计算，即用采样电阻两端电压值除以采样电阻的阻值得到此时器件漏电流值；由于短脉冲电源(4)输出脉冲电压时，电压会发生过冲，为排除过冲对测试结果的影响，计算机(6)删除测得的前50个采样值，后50个值求平均即为当前温度对应电流值；

步骤三：分别设置温箱(3)温度为十档，第一档温度为121℃，第二档温度为122℃，顺次的，第十档温度为130℃，待温箱(3)温度稳定5分钟后重复上述步骤；得到每档温度下被测IGBT器件(1)在集电极发射极偏压为2640V时分别对应的漏电流值，即得到漏电流与温度的关系，利用最小二乘法对数据进行多项式曲线拟合，得到该器件漏电流与结温的校温曲线；

步骤四：在高温反偏试验中，将被测IGBT器件(1)将恒压电源(5)与测试电路板(2)相连，集电极与测试电路板(2)内置的采样电阻串联；

计算恒温平台温箱(3)的温度为T_set＝Tj-P*Rth＝Tj-(Vce*Ices)*Rth，其中T_set为温箱(3)设置温度，P为被测IGBT器件1在高温反偏试验中产生的功率，Rth为被测IGBT器件(1)的结与恒温平台间的热阻；

设置好温箱(3)的温度，待温度稳定一段时间后，用计算机(6)控制恒压电源(5)开始高温反偏试验，同时控制测试电路实时采集器件的漏电流并将测试值传给计算机(6)，计算机(6)将返回值与校温曲线作对比，对应得到器件结温；

步骤五：根据测量结果是否符合测试标准调节热沉温度，使高温反偏试验保持在测试标准规定条件下进行。