CN109932629A - 一种功率循环实验中测量与控制功率vdmos器件结温的方法 - Google Patents

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魏行
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本发明公开了一种功率循环实验中测量与控制功率VDMOS器件结温的方法，该方法主要通过功率循环实验平台进行间歇性功率施加的方式来加速器件老化过程，以达到模拟功率VDMOS器件实际工况的目的。通过采集器件工作在饱和区的温度敏感电参数来计算并提取功率施加期间及功率关断期间的芯片温度波动，由反馈电路控制器件结温处于限定范围内。该方法简单易行，实验成本较低，且不会破坏功率VDMOS器件的封装，通过计算机可实现完全程控，可自行设定功率循环实验过程中器件工作的结温范围，进行长时间、多周期的功率循环实验，可准确测量与控制功率VDMOS器件的结温。

Description

一种功率循环实验中测量与控制功率VDMOS器件结温的方法
技术领域
本发明属于功率半导体器件测试领域，主要用于功率循环实验中半导体器件结温的测量与控制，具体涉及功率VDMOS(Vertical Double-Diffused Metal OxideSemiconductor Field Effect Transistor，垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管)器件在功率循环实验工作条件下，器件导通和关断时结温的测量与控制。
背景技术
功率VDMOS器件具有开关速度快、输入阻抗高、导通电阻低、开关功耗低、频率特性好等特点，广泛地应用于电子开关、电机调速、逆变器、稳压电源、汽车电器等各种领域。
为保证器件使用中的可靠性，器件在投入使用之前需抽样进行可靠性考核试验，以对其寿命及可靠性进行评估。功率循环实验/间歇寿命使用是国际标准“IEC-60747-9-2007-半导体器件-分立器件-第8部分-场效应晶体管”中规定的三种可靠性考核试验中的一种，也是器件出厂前必做的试验之一。根据阿伦尼斯模型，器件温度每升高10℃，器件寿命大概下降一半，因此在该试验中，温度控制尤为重要。
通常，在实际工程中会通过热阻计算或关断态下测量小电流对应结电压，来计算结温。器件的热阻是变量，随着工作温度、施加功率等改变而变化；因此通过热阻计算得到的温度结果多与实际结温存在误差。利用关断态下小电流对应结电压来测量结温的方法，不能测量导通态器件结温，不能避免导通态温度过高导致器件烧毁。
因此，迫切需要研究一种功率循环实验在导通和关断时，均能在线实时测量与控制结温的方法。本发明利用导通态下饱和区的电流、电压与温度的对应关系，以及关断态反向小电流对应的结电压与温度的对应关系，提出了功率循环实验在导通和关断时，均能在线实时测量与控制结温的方法。
发明内容
本发明提出了一种功率循环实验中测量与控制功率VDMOS器件结温的方法，为了模拟功率VDMOS器件在实际工作中导通和关断两种不同的工作情况，本发明设计了一个功率循环实验平台，并根据器件工作在饱和区时的漏源电流IDS与结温的关系、关断时内部体二极管的导通电压VF与结温的关系对器件的结温进行测量与控制。
本发明的技术方法如下：
一种功率循环实验中测量与控制功率VDMOS器件结温的方法，首先，将器件置于温箱内，调节温度至稳态，保持一段时间，此时认为器件的结温与温箱内部温度相同，然后给器件施加栅源电压VGS，使其处于导通状态，为避免器件长时间工作而导致的自升温，通过功率器件分析仪施加短脉冲漏源电压VP，测量器件导通时的短脉冲漏源电流IP。接下来关闭栅压，使器件处于关断状态，施加较小的恒定导通电流IF，测量器件内部体二极管导通电压VF。然后调节温箱改变温度至稳定，保持栅源电压VGS、脉冲电压VP、导通电流IF不变，在不同温度下测量器件导通时的脉冲电流IP与内部体二极管的导通电压VF。根据算法拟合出实际工作中饱和区漏源电流IDS与结温的关系、体二极管导通电压VF与结温的关系，并分别作为功率VDMOS器件导通和关断时的校温曲线库。在器件正常工作时，通过施加恒定漏源电压VDS与体二极管的导通电流IF，利用功率循环实验平台采集器件导通时的漏源电流IDS与关断时体二极管的导通电压VF，并与校温曲线库相对应。通过计算机进行数据处理并提取结温，通过功率循环实验平台给器件下达导通或关断的指令，使器件在预先设定的结温范围内正常工作，从而实现对功率VDMOS器件结温的实时测量与控制。
实现该方法的实验装置包括：功率VDMOS器件、配套夹具；功率循环实验平台(包含数据采集卡1块、FPGA控制板1块、继电器、电容、电阻若干)；计算机；提供脉冲电压VP的功率器件分析仪；提供恒定小电流IF的数字源表；提供漏源电压VDS的功率电源；提供稳定栅压VGS的线性电源；0℃～150℃可调节温箱。
具体测试方法包括以下步骤：
步骤一：将功率VDMOS器件置于温箱中，调节温箱的初始温度至稳态，保持一段时间，此时认为功率VDMOS器件结温与温箱内部温度相同。
步骤二：将功率VDMOS器件通过夹具连接线性电源与功率器件分析仪，通过线性电源施加栅源电压VGS，使功率VDMOS器件处于导通状态，通过功率器件分析仪施加短脉冲漏源电压VP(脉宽、占空比、最大脉冲电压值根据实际情况而定)测量功率VDMOS器件导通时的短脉冲漏源电流IP。
步骤三：关闭栅源电压VGS，使功率VDMOS器件处于关断状态，将功率VDMOS器件通过夹具连接数字源表，通过数字源表给功率VDMOS器件内部体二极管施加导通电流IF(IF较小)，测量体二极管导通电压VF。
步骤四：调节温箱改变温度至稳定，保持VGS、VP、IF不变，根据步骤二、步骤三测量不同温度下功率VDMOS器件的IP和VF，根据IP与温度、VF与温度之间的关系，利用算法拟合出饱和区漏源电流IDS与结温、体二极管导通电压VF与结温的关系，并分别作为功率VDMOS器件导通和关断时的校温曲线库。
步骤五：将功率VDMOS器件通过夹具连接到功率循环实验平台上，功率VDMOS器件的初始状态为关断，通过计算机设定功率VDMOS器件正常工作的结温范围。通过线性电源为功率VDMOS器件提供栅源电压VGS，使功率VDMOS器件处于导通状态。
步骤六：将功率VDMOS器件与功率电源连接，通过功率电源给器件施加恒定的漏源电压VDS，通过功率循环实验平台采集器件的漏源电流IDS，上传至计算机，根据步骤四得到的功率VDMOS器件导通时的校温曲线库计算结温，当结温高于设定的最大值时，计算机下达关断指令，关闭栅压VGS，使功率VDMOS器件处于关断状态。
步骤七：将功率VDMOS器件与数字源表连接，通过数字源表为功率VDMOS器件内部体二极管施加恒定的导通电流IF(导通电流IF较小)，通过功率循环实验平台采集器件的导通电压VF，上传至计算机，根据步骤四得到的功率VDMOS器件关断时的校温曲线库计算结温，当结温低于设定的最小值时，计算机下达开通指令，打开栅压VGS，使功率VDMOS器件处于导通状态。
步骤八：由步骤六、步骤七可得到施加到器件上的功率和功率VDMOS器件结温的变化关系。通过计算机设置循环次数，即重复步骤六、步骤七可对功率VDMOS器件进行多次功率循环实验，以实现对功率VDMOS器件结温的实时测量与控制。
本发明的有益效果是：该方法简单易行，实验成本较低，且不会破坏功率VDMOS器件的封装，通过计算机可实现完全程控，可自行设定功率循环实验过程中器件工作的结温范围，进行长时间、多周期的功率循环实验，可准确测量与控制功率VDMOS器件的结温。
附图说明
图1：功率循环实验基本原理图；
图2：功率循环实验各模块之间的控制关系图；
图3：器件DUT导通时的校温曲线库示意图；
图4：器件DUT关断时的校温曲线库示意图；
图5：单次功率循环实验中施加功率与温度的关系图；
图6：多次功率循环实验中施加功率与温度的关系图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明。功率循环实验基本原理如图1所示，包括功率器件分析仪和功率VDMOS器件、夹具，组成实验的脉冲模块，功率电源与夹具组成实验的功率模块，数字源表和夹具组成实验的测试模块，线性电源与夹具组成实验的栅压模块，采集模块由FPGA和数据采集卡组成，内嵌于功率循环实验平台上，各模块之间的控制关系如图2所示。
本发明的具体测试方法包括以下步骤：
步骤一：将型号为IRFP260N的功率VDMOS器件DUT置于温箱中，调节初始温度至稳态，保持一段时间，此时认为器件结温与温箱内部温度相同。
步骤二：将器件DUT通过夹具连接线性电源与功率器件分析仪，闭合S1、S4，断开S2、S3，通过线性电源施加栅源电压VGS＝6V，使器件处于导通状态，通过功率器件分析仪施加短脉冲漏源电压VP＝30V(脉宽100us、占空比1％)测量器件导通时的短脉冲漏源电流IP。
步骤三：闭合S3，断开S1、S2、S4，关闭栅源电压VGS，使器件DUT处于关断状态，将器件通过夹具连接数字源表，通过数字源表给器件内部体二极管施加导通电流IF＝1mA，测量体二极管导通电压VF。
步骤四：调节温箱每次升高5℃至稳定，保持VGS＝6V、VP＝30V、IF＝1mA不变，根据步骤二、步骤三测量20℃～150℃下，功率VDMOS器件的IP和VF，根据IP与温度、VF与温度之间的关系，利用算法拟合出饱和区漏源电流IDS与结温、体二极管导通电压VF与结温的关系，并分别作为器件DUT导通和关断时的校温曲线库，分别如图3、图4所示。
步骤五：将器件DUT通过夹具连接到功率循环实验平台上，如图1所示。器件的初始状态为关断，通过计算机设定器件正常工作的结温范围为50℃～100℃。闭合S2、S4，断开S1、S3，通过线性电源给器件提供栅源电压VGS＝6V，使器件处于导通状态。
步骤六：将器件DUT与功率电源连接，通过功率电源给器件施加恒定的漏源电压VDS＝30V，通过功率循环实验平台采集器件的漏源电流IDS，上传至计算机，根据步骤四得到的器件导通时的校温曲线库计算结温，当结温高于100℃时，计算机下达关断指令，闭合S3，断开S1、S2、S4，关闭栅压VGS，使器件处于关断状态。
步骤七：将器件DUT与数字源表连接，通过数字源表给器件内部体二极管施加恒定的导通电流IF＝1mA，通过功率循环实验平台采集器件的导通电压VF，上传至计算机，根据步骤四得到的器件关断时的校温曲线库计算结温，当结温低于50℃时，计算机下达开通指令，闭合S2、S4，断开S1、S3，打开栅压VGS，使器件处于导通状态。
步骤八：由步骤六、步骤七可得到施加到器件DUT上的功率和器件结温的变化关系，如图5所示。通过计算机设置循环次数为3，即重复步骤六、步骤七对器件进行3次功率循环实验，可得到功率循环3次后施加到器件DUT上的功率和器件结温变化的关系，如图6所示，以实现对功率VDMOS器件结温的实时测量与控制。
本发明的有益效果是：该方法简单易行，实验成本较低，且不会破坏功率VDMOS器件的封装，通过计算机可实现完全程控，可自行设定功率循环实验过程中器件工作的结温范围，进行长时间、多周期的功率循环实验，可准确测量与控制功率VDMOS器件的结温。

Claims (2)

1.一种功率循环实验中测量与控制功率VDMOS器件结温的方法，其特征在于：首先，将器件置于温箱内，调节温度至稳态，保持一段时间，此时认为器件的结温与温箱内部温度相同，然后给器件施加栅源电压VGS，使其处于导通状态，为避免器件长时间工作而导致的自升温，通过功率器件分析仪施加短脉冲漏源电压VP，测量器件导通时的短脉冲漏源电流IP；接下来关闭栅压，使器件处于关断状态，施加较小的恒定导通电流IF，测量器件内部体二极管导通电压VF；然后调节温箱改变温度至稳定，保持栅源电压VGS、脉冲电压VP、导通电流IF不变，在不同温度下测量器件导通时的脉冲电流IP与内部体二极管的导通电压VF；根据算法拟合出实际工作中饱和区漏源电流IDS与结温的关系、体二极管导通电压VF与结温的关系，并分别作为功率VDMOS器件导通和关断时的校温曲线库；在器件正常工作时，通过施加恒定漏源电压VDS与体二极管的导通电流IF，利用功率循环实验平台采集器件导通时的漏源电流IDS与关断时体二极管的导通电压VF，并与校温曲线库相对应；通过计算机进行数据处理并提取结温，通过功率循环实验平台给器件下达导通或关断的指令，使器件在预先设定的结温范围内正常工作，从而实现对功率VDMOS器件结温的实时测量与控制。
2.根据权利要求1所述的一种功率循环实验中测量与控制功率VDMOS器件结温的方法，实现该方法的实验装置包括：功率VDMOS器件、配套夹具；功率循环实验平台包含数据采集卡1块、FPGA控制板1块、继电器、电容、电阻若干；计算机；提供脉冲电压VP的功率器件分析仪；提供恒定小电流IF的数字源表；提供漏源电压VDS的功率电源；提供稳定栅压VGS的线性电源；0℃～150℃可调节温箱；
其特征在于：具体测试方法包括以下步骤，
步骤一：将功率VDMOS器件置于温箱中，调节温箱的初始温度至稳态，保持一段时间，此时认为功率VDMOS器件结温与温箱内部温度相同；
步骤二：将功率VDMOS器件通过夹具连接线性电源与功率器件分析仪，通过线性电源施加栅源电压VGS，使功率VDMOS器件处于导通状态，通过功率器件分析仪施加短脉冲漏源电压VP测量功率VDMOS器件导通时的短脉冲漏源电流IP；
步骤三：关闭栅源电压VGS，使功率VDMOS器件处于关断状态，将功率VDMOS器件通过夹具连接数字源表，通过数字源表给功率VDMOS器件内部体二极管施加导通电流IF，测量体二极管导通电压VF；
步骤四：调节温箱改变温度至稳定，保持VGS、VP、IF不变，根据步骤二、步骤三测量不同温度下功率VDMOS器件的IP和VF，根据IP与温度、VF与温度之间的关系，利用算法拟合出饱和区漏源电流IDS与结温、体二极管导通电压VF与结温的关系，并分别作为功率VDMOS器件导通和关断时的校温曲线库；
步骤五：将功率VDMOS器件通过夹具连接到功率循环实验平台上，功率VDMOS器件的初始状态为关断，通过计算机设定功率VDMOS器件正常工作的结温范围；通过线性电源为功率VDMOS器件提供栅源电压VGS，使功率VDMOS器件处于导通状态；
步骤六：将功率VDMOS器件与功率电源连接，通过功率电源给器件施加恒定的漏源电压VDS，通过功率循环实验平台采集器件的漏源电流IDS，上传至计算机，根据步骤四得到的功率VDMOS器件导通时的校温曲线库计算结温，当结温高于设定的最大值时，计算机下达关断指令，关闭栅压VGS，使功率VDMOS器件处于关断状态；
步骤七：将功率VDMOS器件与数字源表连接，通过数字源表为功率VDMOS器件内部体二极管施加恒定的导通电流IF(导通电流IF较小)，通过功率循环实验平台采集器件的导通电压VF，上传至计算机，根据步骤四得到的功率VDMOS器件关断时的校温曲线库计算结温，当结温低于设定的最小值时，计算机下达开通指令，打开栅压VGS，使功率VDMOS器件处于导通状态；
步骤八：由步骤六、步骤七可得到施加到器件上的功率和功率VDMOS器件结温的变化关系；通过计算机设置循环次数，即重复步骤六、步骤七可对功率VDMOS器件进行多次功率循环实验，以实现对功率VDMOS器件结温的实时测量与控制。
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