CN109709141A - 一种igbt温升和热阻构成测试装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种IGBT温升和热阻构成测试装置和方法属于IGBT可靠性设计和测试领域。本发明设计了通过采集IGBT集电极‑发射极寄生二极管在小电流下压降获得IGBT热阻构成的测试装置与相应热阻构成测试方法。解决了现有的功率MOS热阻测试仪，通过采集MOS反向寄生二极管的参数提取被测器件热阻的方法用于IGBT测量时，受IGBT拖尾电流影响，难以做到快速切换的问题。

Description

一种IGBT温升和热阻构成测试装置和方法
技术领域
该技术属于IGBT可靠性设计和测试领域。该发明主要应用于快速、非破坏性确定IGBT热阻构成的装置和方法。
背景技术
随着IGBT在高压大电流方面的广泛应用，其工作时产生的热量很高，导致器件有源区温度升高，将加速IGBT的性能恶化。IGBT温升的影响因素也与有源区到周围环境散热路径中的各环节材料相关，包括半导体材料的芯片、焊料、封装管壳和热沉等。因此，准确测量出IGBT工作时的温升可以分析器件的封装散热特性，也可以用来评估IGBT的工作状态。
现有技术中，IGBT器件的温升和热阻的测试方法多采用电学法，相关标准有美军标MIL-STD-750E 3101.4，国军标128A-97.3103等。相关仪器有Phase11热阻测试仪和T3Ster热阻测试仪，但两款仪器价格高昂，测量技术操作复杂，测量周期长。
现有的功率MOS测试仪，通过采集MOS反向寄生二极管的参数提取被测器件热阻，该方法用于IGBT测量时，受IGBT拖尾电流影响，难以做到快速切换。
发明内容
本发明的主要发明点在于：设计了被测IGBT集电极-发射极电压和栅极-发射极电压信号控制的快速切换开关；采用FPGA设计了被测IGBT集电极-发射极电压、栅极-发射极电压和集电极-发射极电流的采集和设定功能；设计了利用采集被测IGBT发射极寄生二极管压降的瞬态温升过程曲线技术。在进行电学法测量被测IGBT的温升和热阻构成时，采用利用采集被测IGBT发射极寄生二极管压降的瞬态温升过程曲线技术，可以便捷、无损地获取IGBT热阻构成信息。测量操作优化，测量周期较国外同类型仪器有很大缩短。
基于这些发明点，一种IGBT温升和热阻构成测试装置能够实现被测IGBT集电极-发射极电压和栅极-发射极电压信号控制的切换开关的切换间隔小于5μs，处于同类仪器的先进水平，电压采样精度为16-bit，采集瞬态温升的采样频率为1MHz。
为实现上述目的，本发明的构成以下述各点为特征：
1.一种IGBT温升和热阻构成测试装置，由恒温平台、控制中心、加热电源、加热电源开关、栅极驱动、测试电流源、工作电压电流采集单元构成，其特征在于：
被测IGBT放置在可调温度的恒温平台上。连接好被测IGBT的栅极、集电极、发射极导线，计算机和FPGA配合作为控制中心，完成时序控制；计算机搭载人机交互界面；计算机与FPGA单元通过通讯接口或共用的存储器实现数据的交互传输。加热电源的输出电流通过耐大电流的导线连接依次经过加热电源开关、工作电压电流采集单元、被测IGBT的集电极和发射极，最后流至地面。控制中心控制测试电流源输出的测试电流，该测试电流通过同轴线接至加热电源开关与工作电压电流采集单元之间或直接通过同轴线接至被测IGBT的集电极。测量时，控制中心发出指令，测试电流源产生与测量被测IGBT的温度系数相同的测试电流，接入被测IGBT的集电极和发射极两端，控制中心通过时序信号与DA参数设置控制栅极驱动，栅极驱动的输出端通过导线连接到IGBT的栅极。
2.应用所述装置测量IGBT温升和热阻的方法，其特征在于，一次测量包括以下步骤I-III：
I.设定恒温平台温度为T，由控制中心设置测试电流源的电流值，电流方向为从测试电流源内部朝向输出端，该值小于被测IGBT所加载加热功率的集电极-发射极的电流值的1％，关闭加热电源开关，采集被测IGBT集电极-发射极的电压A；
II.设定恒温平台温度为T，由控制中心设置测试电流源的电流值，该值等于步骤I所述的测试电流源的电流值；打开加热电源开关，使被测IGBT加载前述加热功率，经过能够使被测IGBT结温稳定的加热时间后，关闭加热电源开关，采集IGBT集电极-发射极电压的变化曲线；
III.根据步骤I和II中所述的加热功率、被测IGBT集电极-发射极的电压A和被测IGBT集电极-发射极电压的变化曲线，结合被测IGBT温度系数、周围环境温度，由控制中心计算得到温升和热阻或温升，前述热阻也就是IGBT的热阻构成。
3.测量被测IGBT温度系数的方法，其特征在于：
由控制中心设置测试电流源的电流值，使其等于测试电流源的电流值，测量三组以上不同温度Ti下被测IGBT集电极-发射极的电压Vi，根据最小二乘法计算得到被测IGBT温度系数。
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：
市电 000；被测IGBT 100；被测IGBT集电极-N-漏区寄生二极管 101；
被测IGBT栅极 102；被测IGBT集电极 103；被测IGBT N-漏区 104；
被测IGBT发射极极 105；被测IGBT焊料层及封装等 106；
测试仪 200；控制中心 201；测试仪内部供电 202；栅极驱动 203；
测试电流源 204；工作电压电流采集单元 205；加热电源开关 206；
加热电源 300；恒温平台 400。
图2温升与加热时间的过程曲线图。
图3具体实施方式中被测IGBT热阻构成示意图。
具体实施方式：
首先将被测IGBT100放置在可调温度的恒温平台400上。连接好被测IGBT100的栅极102、集电极103、发射极105导线，计算机和FPGA配合作为控制中心201，完成时序控制；计算机搭载人机交互界面；计算机与FPGA单元通过通讯接口或共用的存储器实现数据的交互传输。加热电源300的输出电流通过耐大电流的导线连接依次经过加热电源开关206、工作电压电流采集单元205、被测IGBT的集电极103和发射极105，最后流至地面。控制中心201控制测试电流源204输出的测试电流，该测试电流通过同轴线接至加热电源开关206与工作电压电流采集单元205之间或直接通过同轴线接至被测IGBT的集电极。
测量时，控制中心201发出指令，测试电流源204产生与测量被测IGBT的温度系数相同的测试电流，接入被测IGBT的集电极103和发射极105两端，控制中心201通过时序信号与DA参数设置，控制栅极驱动203。
在此状态下被测IGBT工作电压电流采集单元205采集被测IGBT在未加载加热功率下的集电极-N-漏区寄生二极管101的结电压V0。然后，控制中心201通过时序信号与DA参数设置，控制栅极驱动203，在被测IGBT的栅极102和发射极105两端施加栅压。同时，控制中心201控制加热电源开关206打开，使得加热电源300的电压施加在被测IGBT的集电极103和发射极105两端。
经过足够被测IGBT的温度稳定的时间后，被测IGBT工作电压电流采集单元207采集此时被测IGBT的工作电压VCE和工作电流ICE，得到功率P＝VCE×ICE。
然后，控制中心201控制加热电源开关206关断，同时控制中心201控制栅极驱动203，使被测IGBT处于前述一种冷却状态，电压电流采集单元205采集被测IGBT在小测试电流下，结电压随时间的降温曲线，直到V(t)不再变化。则此时[V(t)-V0]/α就是被测IGBT温度随时间变化过程曲线。再除以功率P，可得到被测IGBT的热阻，即热阻对其曲线实施热阻测试仪中的结构函数处理功能，即得到从被测IGBT的热阻构成曲线。

Claims (3)

1.一种IGBT温升和热阻构成测试装置，由恒温平台、控制中心、加热电源、加热电源开关、栅极驱动、测试电流源、工作电压电流采集单元构成，其特征在于：
被测IGBT放置在可调温度的恒温平台上；连接好被测IGBT的栅极、集电极、发射极导线，计算机和FPGA配合作为控制中心，完成时序控制；计算机搭载人机交互界面；计算机与FPGA单元通过通讯接口或共用的存储器实现数据的交互传输；加热电源的输出电流通过导线连接依次经过加热电源开关、工作电压电流采集单元、被测IGBT的集电极和发射极，最后流至地面；控制中心控制测试电流源输出的测试电流，该测试电流通过同轴线接至加热电源开关与工作电压电流采集单元之间或直接通过同轴线接至被测IGBT的集电极；测量时，控制中心发出指令，测试电流源产生与测量被测IGBT的温度系数相同的测试电流，接入被测IGBT的集电极和发射极两端，控制中心通过时序信号与DA参数设置控制栅极驱动，栅极驱动的输出端连接到IGBT的栅极。
2.应用权利要求1所述装置测量IGBT温升和热阻的方法，其特征在于，一次测量包括以下步骤I-III：
I.设定恒温平台温度为T，由控制中心设置测试电流源的电流值，电流方向为从测试电流源内部朝向输出端，该值小于被测IGBT所加载加热功率的集电极-发射极的电流值的1％，关闭加热电源开关，采集被测IGBT集电极-发射极的电压A；
II.设定恒温平台温度为T，由控制中心设置测试电流源的电流值，该值等于步骤I所述的测试电流源的电流值；打开加热电源开关，使被测IGBT加载前述加热功率，经过能够使被测IGBT结温稳定的加热时间后，关闭加热电源开关，采集IGBT集电极-发射极电压的变化曲线；
III.根据步骤I和II中所述的加热功率、被测IGBT集电极-发射极的电压A和被测IGBT集电极-发射极电压的变化曲线，结合被测IGBT温度系数、周围环境温度，由控制中心计算得到温升和热阻或温升，前述热阻也就是IGBT的热阻构成。
3.应用权利要求1所述装置测量被测IGBT温度系数的方法，其特征在于：
由控制中心设置测试电流源的电流值，使其等于测试电流源的电流值，测量三组以上不同温度Ti下被测IGBT集电极-发射极的电压Vi，使用最小二乘法计算得到被测IGBT温度系数。
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