CN109815596B - 基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法，其中：模拟方法为通过补偿环节，将拟模拟的环境温度转化为散热器温度，实现环境温度工况的模拟；模拟系统包括：散热装置、测量系统、加热制冷系统、温控系统；其中，散热装置，用于放置被测系统；测量系统，用于测量各温度参数；加热制冷系统，用于加热制冷散热装置；温控系统，用于控制加热制冷系统，进而控制散热装置和功率半导体器件温度。本发明可以模拟被测功率半导体器件的多种动、静态环境温度工况，且成本较低，易于推广。

Description

基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法。

背景技术

在电力电子技术领域，功率半导体器件的寿命对于温度十分敏感，环境温度直接影响功率半导体器件的工作状态，高温环境可能导致功率半导体器件过热发生故障，环境温度波动也会降低功率半导体器件寿命，苛刻的环境温度工况对电力电子可靠性形成了巨大的挑战。此外，有效地模拟功率半导体器件环境温度工况，有助于功率半导体器件的准确测试，进而能够指导器件选型和优化设计。

电力电子技术领域传统的功率半导体器件环境温度模拟方法，采用恒温箱模拟环境温度，其局限性在于：

1)恒温箱调节时间长，无法模拟环境温度的骤升骤降

2)价格昂贵且体积庞大；

3)无法考察散热器在运行工况下的特性，而实际系统中通常都有散热器，散热器温度也会影响到器件温度特性。

因此，如何经济有效地模拟功率半导体器件在实际运行条件下的环境温度，成为亟需解决的技术挑战。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法。本发明通过可实现温度控制的散热装置，实现功率半导体器件环境温度的模拟。

本发明是通过以下技术方案实现的。

根据本发明的一个方面，提供了一种基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，包括：温控散热器以及与温控散热器连接的环境温度输入单元，所述温控散热器包括：散热装置、测量系统、加热制冷系统以及温控系统，所述散热装置与测量系统连接，所述测量系统与温控系统连接，所述温控系统与加热制冷系统连接，所述加热制冷系统与散热装置连接，所述环境温度输入单元与温控系统连接；其中：

所述散热装置：放置被测系统，并给被测系统散热或提供工作温度；

所述测量系统：测量所述散热装置和/或被测系统的各温度参数，得到温度信号，并将温度信号传递给所述的温控系统；

所述加热制冷系统：配合所述温控系统，加热或制冷所述散热装置中散热器，实现对散热器的温度控制；

所述温控系统：接收所述测量系统的温度信号及环境温度输入单元输出的拟模拟的环境温度信号，经过内部逻辑计算控制所述加热制冷系统，对散热装置中散热器进行温度控制。

优选地，所述被测系统包括由单个或多个半导体器件组成的系统。

优选地，所述温度参数包括：器件壳温、器件结温、散热器温度、散热介质温度以及环境温度中任意一个或任意多个，相应地，所述测量系统测量各温度参数的测量点包括：功率半导体测量点、散热装置测量点、散热介质测量点以及环境温度测量点中的任意一个或任意多个；其中：

所述功率半导体测量点，对功率半导体器件的单个或多个结温或封装外壳温度进行测量；

所述散热装置测量点，采用散热装置内部、散热装置表面或者散热装置与功率半导体器件接触面上任意一点或任意多点的温度进行测量；

所述介质温度测量点，对被测系统实施冷却的散热介质温度进行测量；

所述环境温度测量点，对被测系统和/或散热装置所处环境的环境温度进行测量。

优选地，所述散热介质温度包括风冷散热器出入风口空气温度或者液冷散热器出入水口冷媒温度。

优选地，所述温控系统包括：减法运算器、控制环节单元以及信号输出环节单元；其中：

所述减法运算器接收温度信号和拟模拟的环境温度信号，求差值并将差值信号传递给控制环节单元形成控制信号；所述控制环节单元输出控制信号，经过信号输出环节单元，转化为开关信号或占空比信号，从而调节所述加热制冷系统输出的加热或制冷能力。

优选地，所述测量系统采用如下任意一种或任意多种温度测量方法：

-光纤温度传感器温度测量方法；

-T型热电偶温度测量方法；

-温敏电阻温度测量方法；

-温敏参数法温度测量方法。

优选地，所述加热制冷系统包括加热装置和/或制冷装置；其中：

采用如下任意一种或任意多种加热装置：

-金属热电阻加热装置；

-陶瓷热电阻加热装置；

-水浴加热装置；

采用如下任意一种或任意多种制冷装置：

-风扇制冷装置；

-压缩机制冷装置；

-半导体制冷片制冷装置；

-液态制冷装置。

优选地，所述基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，还包括补偿环节单元，所述补偿环节单元设置于环境温度输入单元与温控系统之间，用于将拟模拟的环境温度进行补偿并转化为相应的散热器参考温度。

根据本发明的另一个方面，提供了一种基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟方法，包括如下步骤：

获取功率半导体器件的拟模拟的环境温度Ta随时间变化曲线；

确定补偿环节参数，拟模拟的环境温度Ta经补偿环节变换后得到模拟环境温度的散热器参考温度Th随时间变化曲线；

对散热器参考温度Th随时间变化曲线进行离散化处理，得到处理后的拟模拟的环境温度，并输入至温控系统；

温控系统根据测量系统得到的温度信号以及处理后的拟模拟的环境温度信号，调节加热冷却系统的加热或冷却能力，控制散热器温度，实现环境温度工况模拟。

优选地，确定补偿环节参数的方法为：获取环境温度到散热器温度的传递函数G(s)，拟模拟的环境温度Ta通过该传递函数变换，即得到模拟环境温度的散热器温度Th。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、环境温度是通过散热器传热进而影响功率半导体的壳温、结温，从而影响半导体器件工作状态，因此通过设定并控制散热器温度特性，即可有效模拟器件工作条件下的环境温度特性；本发明提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法，可以快速自由地将散热器温度作用于被测器件，并模拟器件任意环境温度工况，且调节时间短，模拟效率大大提高。

2、本发明提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法，使用多点测温，能够更快速更精确地测量温度，提高了测量系统的准确性。

3、本发明提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法，可以适用多种功率半导体器件，提高了测试的灵活性。

4、本发明提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟方法，相较于传统方法，通过对模拟系统的温度进行闭环控制，用温控散热器取代恒温箱，极大的降低了实验成本，并且可以考察散热器对功率半导体器件温度的影响。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统的结构示意图；

图2为本发明提供的温控系统的结构示意图；

图3为本发明提供的测量系统的结构示意图；

图4为本发明提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟方法流程图；

图5为本发明提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟方法的一实施例在模拟环境温度变化的温度波形图；

其中，

1-散热装置；

2-加热制冷系统；

3-温控散热器；

4-测量系统；

5-温控系统；

6-补偿环节单元；

7-环境温度输入单元

8-功率半导体模块；

9-基板；

10-导热材料；

11-散热器。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

本实施例提供了一种基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，该系统可以实现无需恒温箱的环境工况模拟，包括但不限于高温环境模拟、环境温度波动模拟、环境温度冲击模拟。

本实施例所提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，通过可实现温度控制的散热装置，实现功率半导体器件环境温度的模拟。

本实施例所采用的技术方案如下：

所述基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，包括：温控散热器3、补偿环节单元6以及环境温度输入单元7，其中所述温控散热器包括：散热装置、测量系统、加热制冷系统、温控系统。其中：

所述散热装置：用于放置被测系统(功率半导体器件或系统)，给被测系统散热或提供工作温度，所述被测系统包括由单个或多个半导体器件组成的系统；

所述测量系统：用于测量所述散热装置中散热器的各温度参数，形成温度信号，所述温度参数包括：器件壳温、器件节温、散热器温度、散热介质温度、环境温度等；并将温度信号传递给所述的温控系统；

所述加热制冷系统：配合所述温控系统，用于加热或制冷所述散热装置中散热器，从而实现散热器的温度控制；

所述温控系统：用于接收所述测量系统的温度信号及环境温度输入单元7输出的拟模拟的环境温度信号，经过内部逻辑计算并控制所述加热制冷系统，从而实现所述散热装置中散热器温度的控制；

所述补偿环节单元设置于环境温度输入单元与温控系统之间，用于将拟模拟的环境温度进行补偿并转化为相应的散热器参考温度。

进一步地，所述测量系统各温度参数的测量点，包括以下任一或任多组合：功率半导体测量点、散热器测量点、散热介质测量点、环境温度测量点等，其中：

所述功率半导体测量点，即测量功率半导体器件的单个或多个器件结温或封装外壳温度即器件壳温的点，可以用直接或间接温度测量方式获得；

所述散热器测量点，即测量安放功率半导体器件的散热器温度的点，可以是散热器内部任意一点或多点，或者可以在散热器表面与被测器件接触面；可以用直接或间接温度测量方式获得；

所述介质温度测量点，即测量对被测系统实施冷却的冷却介质的散热介质温度的点，可以是风冷散热器出风口、入风口空气温度，或者是水浴槽流过散热器出水口、入水口水温；

所述环境温度测量点，即测量被测系统及散热器所处环境的环境温度的点。

进一步地，所述测量系统使用的所述温度传感器包括任意形式的可测量温度的光纤温度传感器，和/或，T型热电偶；温敏电阻，或间接测温参数。

进一步地，所述加热制冷系统对应的加热装置包括以下任一或任多形式：金属热电阻加热装置，或者陶瓷热电阻加热装置，或者水浴加热装置；所述加热制冷系统对应的制冷装置包括以下任一形式：PWM风扇冷却装置、离心风机等各种风机冷却装置，或者半导体制冷片冷却装置，或者水浴制冷冷却装置；所述加热制冷系统可以是仅加热系统，也可以是仅制冷系统，也可以是既加热也制冷的系统。

本实施例所提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，其境温度模拟方法，包括如下步骤但不限于以下步骤顺序：

S1，获取实际功率半导体器件的所述拟模拟的环境温度Ta随时间变化曲线；

S2，确定补偿环节参数，拟模拟的环境温度Ta经所述补偿环节变换后得到模拟环境温度的散热器参考温度Th随时间变化曲线；其中，所述确定补偿环节参数的方法为：获取环境温度到散热器温度的传递函数G(s)，拟模拟的环境温度Ta通过该传递函数变换，即得到模拟环境温度的散热器参考温度Th；

S3，对散热器参考温度Th曲线进行离散化处理，得到处理后的拟模拟环境温度，并输入至所述温控系统；

S4，所述温控系统根据所述测量系统得到的温度信号及所述的处理后的拟模拟环境温度，调节所述加热冷却系统的加热或冷却能力，控制所述散热器温度，进而实现环境温度工况模拟。

下面结合附图对本发明上述实施例所提供的技术方案进一步详细描述。

如图1所示，为本实施例所提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统的结构示意图，包括：温控散热器3、补偿环节模块6以及环境温度模拟模块7，其中温控散热器3包括：散热装置1、测量系统4、加热制冷系统2以及温控系统5。其中，所述测量系统4测量所述散热装置1的各温度热参数，包括：结温、壳温、散热器温度、环境温度等，得到温度值的模拟信号，并将温度值的模拟信号即散热器温度信号传递给所述的温控系统5；所述温控系统5接收所述测量系统4的散热器温度信号及所述环境温度模拟模块7提供的拟模拟的环境温度信号，并经过内部逻辑计算控制所述加热制冷系统2，从而实现设定并控制所述散热装置1中的散热器温度，进而模拟环境工况；

具体的，散热装置1、测量系统4、加热制冷系统2以及温控系统5为本实施例所提供的温控散热器的核心结构，还可以包括一些其他辅助性质的硬件电路和/或软件计算模块，也在本发明的保护范围之内。核心结构与辅助结构之间的连接关系和/或相互作用关系，可以采用本领域的现有技术，此处不再赘述。

如图2所示，为本实施例所提供的温控系统的结构示意图，包括：减法运算器51、控制环节单元52、开关信号输出环节单元53。其中，减法运算器51接收所述测量系统4测得的实际散热器温度即散热器温度信号和所述拟模拟的环境温度信号，求差值并将差值信号传递给控制环节单元52，实现快速、小过冲地控制散热器温度，控制环节单元52输出控制信号，经过开关信号输出环节单元53，转化为开通信号的不同占空比，从而实现调节所述加热制冷系统2输出的加热或制冷能力。具体的，以加热功率为例，

式中，P_av为平均加热功率，T为一个控制周期，D为占空比，P_h为加热棒加热功率。

如图3所示，为本实施例所提供的测量系统4的结构示意图，其中以光纤多点测量功率半导体模块温度为例。图中8为功率半导体模块；9为功率半导体模块基板；10为导热材料；11为散热装置1中的散热器。41、42分别为光纤测量散热器温度Th的两种方案，41为在散热器11侧面打孔，插入光纤到模块下方测量散热器温度，42为使用光纤直接安装在散热器11表面测量散热器温度；43、44分别为光纤测量功率半导体壳温Tc的两种方案，43为将功率半导体模块基板9开槽埋入光纤测量壳温，44为在散热器11上打孔，从底部伸入光纤，抵触模块基板9，实现测量功率半导体模块的壳温。通过监测以上41、42、43、44任一或任多点，均可以实现温控效果。

进一步地，在基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统的基础上，本实施例还提出了相应的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟方法。

如图4所示，为本实施例所提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟方法流程图。其中，补偿环节6以环境温度到散热器温度的传递函数G(s)为例进行说明。

S1：根据实际需要，获取实际功率半导体器件运行环境或待模拟运行环境即拟模拟的环境温度Ta曲线；

S2：在补偿环节获取环境温度到散热器温度的传递函数G(s)，拟模拟的环境温度Ta经传递函数G(s)变换即得到模拟环境工况的散热器参考温度(Th)随时间变化曲线；

S3：对散热器参考温度(Th)随时间变化曲线进行离散化，得到散热器参考温度(Th)-不同时刻(t_n)数据表格；

S4：将散热器参考温度(Th)-不同时刻(t_n)数据表格，读取至所述温控系统5；

S5：所述温控系统5调节所述加热制冷系统2的加热或冷却能力，控制所述散热器温度，进而实现模拟环境温度工况；

如图5所示，给出了本实施例所提供的基于温控散热器的环境工况模拟方法的一实施例在模拟环境温度变化的温度波形图；其中，P1阶段对应到散热器在350s内从55℃升高至125℃，对应环境温度骤升；P2阶段对应到散热器维持125℃温度200s，对应环境温度保持高温；然后P3阶段对应到散热器在200s内从125℃降回55℃，对应环境温度骤降；图中不同曲线对应所述测量系统4中在不同的测温点(41、42)测得的温度，具有很好的稳定性、均一性。

本发明提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟方法能够在纳入并考虑散热器温度的前提下进行测试，同时在模拟环境工况时无须使用恒温箱，具有贴合实际应用、经济实用、易于实现、易于推广等优点。

需要说明的是，本实施例所提供的基于温控散热器的环境工况模拟方法中的步骤，可以利用所述基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。

本发明上述实施例所提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法，模拟方法为通过补偿环节，将拟模拟的环境温度转化为散热器温度，实现环境温度工况的模拟；模拟系统包括：散热装置、测量系统、加热制冷系统、温控系统；其中，散热装置，用于放置被测系统；测量系统，用于测量各温度参数；加热制冷系统，用于加热制冷散热装置；温控系统，用于控制加热制冷系统，进而控制散热装置和功率半导体器件温度。本发明上述实施例所提供的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统及方法，可以模拟被测器件的多种动、静态环境温度工况，且成本较低，易于推广。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，其特征在于，包括：温控散热器(3)以及与温控散热器(3)连接的环境温度输入单元(7)；所述温控散热器(3)包括：散热装置(1)、测量系统(4)、加热制冷系统(2)以及温控系统(5)，所述散热装置(1)与测量系统(4)连接，所述测量系统(4)与温控系统(5)连接，所述温控系统(5)与加热制冷系统(2)连接，所述加热制冷系统(2)与散热装置(1)连接，所述环境温度输入单元(7)与温控系统(5)连接；其中：

所述散热装置(1)：放置被测系统，并给被测系统散热或提供工作温度；

所述测量系统(4)：测量所述散热装置(1)和/或被测系统的各温度参数，得到温度信号，并将温度信号传递给所述的温控系统(5)；

所述加热制冷系统：配合所述温控系统(5)，加热或制冷所述散热装置(1)，实现对散热装置(1)的温度控制；

所述温控系统(5)：接收所述测量系统(4)的温度信号及环境温度输入单元输出的拟模拟的环境温度信号，经过内部计算控制所述加热制冷系统(2)，从而对散热装置(1)进行温度控制；

还包括补偿环节单元(6)，所述补偿环节单元(6)设置于环境温度输入单元(7)与温控系统(5)之间，用于将拟模拟的环境温度信号进行补偿，并转化为相应的散热器参考温度；

所述温度参数包括：被测系统中器件壳温、器件结温、散热装置温度、散热介质温度以及环境温度中任意一个或任意多个，相应地，所述测量系统(4)测量各温度参数的测量点包括：功率半导体测量点、散热装置测量点、散热介质测量点以及环境温度测量点中的任意一个或任意多个；其中：

所述功率半导体测量点，对功率半导体器件的单个或多个结温或封装外壳温度进行测量；

所述散热装置测量点，采用散热装置内部、散热装置表面或者散热装置与功率半导体器件接触面上任意一点或任意多点的温度进行测量；

所述介质温度测量点，对被测系统实施冷却的散热介质温度进行测量；

所述环境温度测量点，对被测系统和/或散热装置所处环境的环境温度进行测量。

2.根据权利要求1所述的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，其特征在于，所述被测系统包括由单个或多个半导体器件组成的系统。

3.根据权利要求1所述的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，其特征在于，所述散热介质温度包括风冷散热器出风口或/和入风口空气温度，或者液冷散热器出液口或/和入液口冷媒温度。

4.根据权利要求1所述的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，其特征在于，所述温控系统(5)包括：减法运算器(51)、控制环节单元(52)以及信号输出环节单元(53)；其中：

所述减法运算器(51)接收温度信号和拟模拟的环境温度信号，求差值并将差值信号传递给控制环节单元(52)形成控制信号；所述控制环节单元(52)输出控制信号，经过信号输出环节单元(53)，转化为开关信号或占空比信号，从而调节所述加热制冷系统(2)的加热或制冷能力。

5.根据权利要求1所述的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，其特征在于，所述测量系统(4)采用如下任意一种或任意多种温度测量方法：

-光纤温度传感器温度测量方法；

-热电偶温度测量方法；

-温敏电阻温度测量方法；

-温敏参数温度测量方法。

6.根据权利要求1所述的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统，其特征在于，所述加热制冷系统(2)包括加热装置和/或制冷装置；其中：

采用如下任意一种或任意多种加热装置：

-金属热电阻加热装置；

-陶瓷热电阻加热装置；

-液态加热装置；

采用如下任意一种或任意多种制冷装置：

-风扇制冷装置；

-压缩机制冷装置；

-半导体制冷片制冷装置；

-液态制冷装置。

7.一种基于权利要求1所述的基于温控散热器的半导体器件环境温度模拟系统的半导体器件环境温度模拟方法，其特征在于，包括：

获取功率半导体器件的拟模拟的环境温度Ta随时间变化曲线；

确定补偿环节参数，拟模拟的环境温度Ta经补偿环节变换后，得到模拟环境温度的散热器参考温度Th随时间变化曲线；

对散热器参考温度Th随时间变化曲线进行离散化处理，得到处理后的拟模拟的环境温度，并输入至温控系统；

温控系统根据测量系统得到的温度信号以及处理后的拟模拟的环境温度信号，调节加热冷却系统的加热或冷却能力，控制散热器温度，实现环境温度工况模拟。

8.根据权利要求7所述的半导体器件环境温度模拟方法，其特征在于，确定补偿环节参数的方法为：获取环境温度到散热器温度的传递函数G(s)，拟模拟的环境温度Ta通过该传递函数变换，即得到模拟环境温度的散热器参考温度Th。

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