CN111257718A - 一种测量mosfet功率模块热阻的装置和方法 - Google Patents

一种测量mosfet功率模块热阻的装置和方法 Download PDF

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王宝友
张玉芹
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高立
闫美存
赵雅君
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Abstract

一种测量MOSFET功率模块热阻的装置和方法，属于半导体器件热阻测量技术领域。主要利用了MOSFET功率模块中的MOSFET饱和区的漏源电压(VDS)和漏源电流(IDS)作为温敏参数来测量MOSFET功率模块的结温(TJ)。在MOSFET功率模块热阻测试时首先建立VDS‑IDS‑TJ的三维关系曲线簇；然后通过器件正常工作时施加的VDS和IDS对比三维关系曲线簇获得模块的TJ；同时通过压簧式热电偶对其壳温(TC)进行采集；最终通过理论公式计算获得模块的热阻。本方法有效解决由于MOSFET功率模块中反并联续流二极管的存在而导致无法测量MOSFET结温及模块热阻的问题。

Description

一种测量MOSFET功率模块热阻的装置和方法
技术领域
本发明属于半导体器件热阻测量技术领域，特别涉及一种测量MOSFET功率模块热阻的装置和方法，通过本方法有效测得MOSFET功率模块中主要发热源MOSFET的结温，进而得出模块的热阻。
背景技术
由于工程中对电流容量的要求，MOSFET经常与和反并联续流二极管封装成MOSFET功率模块使用，MOSFET功率模块原理使得反向时电流只经过反并联续流二极管而不会流经MOSFET。常规MOSFET的热阻是通过正向加热，反向测寄生体二极管的结电压获得其温敏参数及结温。但是由于模块的工作原理使得反向时电流只经过反并联续流二极管而不会流经MOSFET，从而导致反向测得的结电压会是反并联续流二极管的而不是MOSFET寄生体二极管的，最终使得其结温及热阻测试结果错误。
发明内容
针对现有技术所存在的局限性，本发明提供了一种针对MOSFET功率模块的热阻测量方法，主要利用了MOSFET功率模块中MOSFET的VDS-IDS-TJ三者的一一对应关系，可在正向工作时获得MOSFET的结温，从而可以有效地避开前面的问题，实现对MOSFET功率模块真实热阻的测量。
一种测量MOSFET功率模块热阻的方法及装置。实现该方法的热阻测试系统包括：
包括：MOSFET功率模块即DUT(1)、计算机、高温箱(2)、提供小电流IF恒流源并监测其VF的监测模块(4)、提供稳定栅压VGS电源的栅压模块(3)、提供脉冲漏源电压VDS信号源的脉冲模块(6)、测量脉冲漏源电压下漏源电流IDS的示波器(7)、提供工作功率的功率模块(5)，带压簧式热电偶的控温平台(8)；
栅压模块(3)采用开关S1与DUT(1)的栅极-源极(GS)连接，提供稳定栅压VGS电源使DUT(1)工作在导通状态；
监测模块(4)采用开关S2与DUT(1)的源极-漏极(SD)连接，给高温箱中DUT(1)的反并联续流二极管提供小电流IF并监测其VF，以判断DUT(1)温度是否稳定；
脉冲模块(6)采用开关S4与DUT(1)的漏极-源极(DS)连接，给DUT(1)提供窄脉冲电压VDS，且示波器接入DUT(1)源极(S)，通过示波器监测IDS；
功率模块(5)采用开关S3与DUT(1)的漏极-源极(DS)连接，在DUT(1)正常工作时给其提供功率即对应的工作电压VH和电流IH；
监测模块(4)、栅压模块(3)、脉冲模块(6)、功率模块(5)、测量脉冲漏源电压下漏源电流IDS的示波器(7)均与计算机连接；单独的控温平台(8)。
开始时DUT(1)先置于高温箱(2)内，计算机、监测模块(4)、栅压模块(3)、脉冲模块(6)、功率模块(5)均位于高温箱(2)外；测量脉冲漏源电压下漏源电流IDS的示波器(7)或与脉冲模块(6)组装在一起即组装到脉冲模块(6)中。
最后DUT(1)转移到带压簧式热电偶的控温平台上。
测试方法具体包括以下步骤，在测试之前S1-S4均为断开的。
步骤一：通过配套电连接夹具将能够提供IF恒流源的监测模块(4)采用开关S2连接到DUT(1)的源漏(SD)，将能够提供稳定栅压VGS电源的栅压模块(3)采用S1连接到DUT(1)的栅源(GS)、信号源连接到DUT(1)漏源(DS)、示波器接入DUT(1)源极(S)，置入高温箱(7)中；
步骤二：将高温箱的温度设置到热阻测试所需的温度，闭合S2给DUT(1)源漏施加电流IF，待其VF稳定后，断开S2；闭合S1、S4对DUT(1)施加VGS使其工作在饱和区，通过信号源给DUT(1)漏源施加脉冲漏源电压VDS，并用示波器测量其窄脉冲漏源电流IDS；
步骤三：改变窄脉冲漏源电压VDS并重复步骤二，测量不同VDS下的IDS；
步骤四：以5℃为梯度增加高温箱温度直至热阻测试最高温度，每增加一次温度并重复步骤二和步骤三，记录高温箱不同温度TA、VDS及IDS并上传至计算机，即DUT(1)在不同结温TJ下的不同VDS对应的IDS；
步骤五：通过步骤二、步骤三和步骤四，采用最小二乘法进行拟合建立VDS-IDS-TJ的三维关系曲线簇；断开S1、S2和S4；
步骤六：将DUT(1)转移安装在带压簧式热电偶的控温平台上，分别连通S1、S3；
步骤七：通过栅压模块给DUT(1)施加同步骤二的VGS，并通过功率模块施加漏源电压VH，待稳定后记录其漏源电流IH，所述的稳定即为通过控温平台上测得DUT(1)的壳温TC稳定不变；
步骤八：将步骤七中的VH和IH上传至计算机，并结合步骤五中的VDS-IDS-TJ三维关系曲线簇可获得DUT(1)结温TJ，即VH对应找VDS-IDS-TJ三维关系曲线簇中的VDS，IH即对应找VDS-IDS-TJ三维关系曲线簇中的IDS，从而得到DUT(1)结温TJ；
步骤九：结合步骤七中的VH、IH、TC和步骤八中的TJ，即可通过热阻理论公式获得DUT(1)的热阻，其中热阻计算公式为：RthJC＝(TJ-TC)/(VH×IH)。
在步骤二、三中所述，DUT(1)漏源间施加的脉冲电压VDS的脉宽应足够小，以不会使DUT(1)产生自升温。
在步骤二中所述，高温箱中的DUT(1)可通过连通S2给DUT(1)源漏间施加电流IF，并测量其VF也就是反并联续流二极管两端的正向电压，通过监测VF是否稳定来确定DUT(1)温度是否达到稳定，此时DUT(1)结温TJ即为高温箱温度TA。
在步骤三所述的漏源电压VDS，如果热阻测试的漏源电压可为固定值，则可省略步骤三。
本发明主要利用了MOSFET功率模块中的MOSFET饱和区的漏源电压(VDS)和漏源电流(IDS)作为温敏参数来测量MOSFET功率模块的结温(TJ)。MOSFET功率模块主要由MOSFET和反并联续流二极管组成，正常工作时其发热源主要为MOSFET。在MOSFET功率模块热阻测试时首先建立VDS-IDS-TJ的三维关系曲线簇；然后通过器件正常工作时施加的VDS和IDS对比三维关系曲线簇获得模块的TJ；同时通过热电偶对其壳温(TC)进行采集；最终通过理论公式计算获得模块的热阻。本方法有效解决由于MOSFET功率模块中反并联续流二极管的存在而导致无法测量MOSFET结温及模块热阻的问题，具有良好的实用价值和经济效益，适用于推广应用。
本发明的有益效果是：
1.该方法可有效解决MOSFET功率模块热阻无法测量的问题；
2.实施方法简单、易行、适合工程应用；
3.测试原理简单，没有复杂的电路及软件要求，对测量设备及程序依赖程度较低。
附图说明
图1为MOSFET功率模块热阻测量基本原理示意图。
图2为转移到控温平台上的示意图。
注：G为DUT的栅极，D为DUT的漏极，S为DUT的源极。计算机及有关计算机的连接在图1和图2中没有画出；
DUT(1)、高温箱(2)、栅压模块(3)、监测模块(4)、功率模块(5)、脉冲模块(6)、示波器(7)。
图3为窄脉冲电压源输出波形示意图。
图4为VDS-IDS-TJ的三维关系曲线簇示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作更详细的说明。
实施例1
1)结温测量系统的搭建
图1是本实施例所述搭建的MOSFET功率模块热阻测量基本原理示意图，主要包括：栅压模块、脉冲模块、功率模块、高温箱及带压簧式热电偶的控温平台。其中，栅压模块的栅压电源给DUT提供VGS使其工作在导通状态；监测模块的IF恒流源给高温箱中的DUT提供小电流IF并监测VF，以判断DUT温度是否稳定；脉冲模块的信号源给DUT提供窄脉冲电压VDS，并通过示波器监测其IDS；功率模块的功率电源在DUT正常工作时给其提供功率；高温箱用于建立VDS-IDS-TJ三维关系曲线簇；带压簧式热电偶的控温平台用于控温及测量DUT的壳温。
具体MOSFET功率模块热阻测量步骤如下：
步骤一：通过配套电连接夹具将IF恒流源连接到DUT源漏(SD)、栅压电源连接到DUT栅源(GS)、信号源连接到DUT漏源(DS)、示波器接入DUT源极(S)，将DUT置入高温箱中；
步骤二：设置高温箱的温度(将高温箱的初始温度设置在60℃)，闭合S2给DUT源漏施加恒定10mA电流IF，待其VF稳定后，断开S2，闭合S1、S4对DUT施加VGS使其工作在饱和区，通过信号源给DUT漏源施加脉宽100μs、占空比1％的窄脉冲漏源电压VDS，并用示波器测量其窄脉冲漏源电流IDS，如图3所示；
步骤三：改变窄脉冲漏源电压VDS并重复步骤二，测量不同VDS下的IDS；
步骤四：以5℃为梯度增加高温箱温度直至120℃，每增加一次温度并重复步骤二和步骤三；
步骤五：通过步骤二、步骤三和步骤四，采用最小二乘法进行拟合建立VDS-IDS-TJ的三维关系曲线簇，如图4所示；
步骤六：将DUT安装在带压簧式热电偶的控温平台上；
步骤七：闭合S1、S3，给其施加同步骤二的VGS，通过功率模块施加漏源电压VH，待稳定后(DUT的壳温TC不变，并记录)记录其漏源电流IH。
步骤八：将步骤六中的VH和IH上传至计算机，并结合步骤五中的VDS-IDS-TJ三维关系曲线簇可获得DUT结温TJ。
步骤九：结合步骤七中的VH、IH、TC和步骤八中的TJ，即可通过热阻理论公式获得DUT的热阻，其中热阻计算公式为：RthJC＝(TJ-TC)/(VH×IH)。
最后应说明的是：以上所述的实例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行同等替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种测量MOSFET功率模块热阻的装置，其特征在于，包括：MOSFET功率模块即DUT(1)、计算机、高温箱(2)、提供电流IF恒流源并监测其VF的监测模块(4)、提供稳定栅压VGS电源的栅压模块(3)、提供脉冲漏源电压VDS信号源的脉冲模块(6)、测量脉冲漏源电压下漏源电流IDS的示波器(7)、提供工作功率的功率模块(5)，带压簧式热电偶的控温平台(8)；
栅压模块(3)采用开关S1与DUT(1)的栅极-源极(GS)连接，提供稳定栅压VGS电源使DUT(1)工作在导通状态；
监测模块(4)采用开关S2与DUT(1)的源极-漏极(SD)连接，给高温箱中DUT(1)的反并联续流二极管提供小电流IF并监测其VF，以判断DUT(1)温度是否稳定；
脉冲模块(6)采用开关S4与DUT(1)的漏极-源极(DS)连接，给DUT(1)提供窄脉冲电压VDS，且示波器接入DUT(1)源极(S)，通过示波器监测IDS；
功率模块(5)采用开关S3与DUT(1)的漏极-源极(DS)连接，在DUT(1)正常工作时给其提供功率即对应的工作电压VH和电流IH；
监测模块(4)、栅压模块(3)、脉冲模块(6)、功率模块(5)、测量脉冲漏源电压下漏源电流IDS的示波器(7)均与计算机连接；单独的控温平台(8)。
2.按照权利要求1所述的一种测量MOSFET功率模块热阻的装置，其特征在于，开始时DUT(1)先置于高温箱(2)内，计算机、监测模块(4)、栅压模块(3)、脉冲模块(6)、功率模块(5)均位于高温箱(2)外；测量脉冲漏源电压下漏源电流IDS的示波器(7)或与脉冲模块(6)组装在一起即组装到脉冲模块(6)中。
3.按照权利要求1所述的一种测量MOSFET功率模块热阻的装置，其特征在于，最后DUT(1)转移到带压簧式热电偶的控温平台上。
4.采用权利要求1-3任一项所述的装置测试MOSFET功率模块热阻的方法，其特征在于，包括以下步骤：在测试之前S1-S4均为断开的；
步骤一：通过配套电连接夹具将能够提供IF恒流源的监测模块(4)采用开关S2连接到DUT(1)的源漏(SD)，将能够提供稳定栅压VGS电源的栅压模块(3)采用S1连接到DUT(1)的栅源(GS)、信号源连接到DUT(1)漏源(DS)、示波器接入DUT(1)源极(S)，置入高温箱(7)中；
步骤二：将高温箱的温度设置到热阻测试所需的温度，闭合S2给DUT(1)源漏施加电流IF，待其VF稳定后，断开S2；闭合S1、S4对DUT(1)施加VGS使其工作在饱和区，通过信号源给DUT(1)漏源施加脉冲漏源电压VDS，并用示波器测量其窄脉冲漏源电流IDS；
步骤三：改变窄脉冲漏源电压VDS并重复步骤二，测量不同VDS下的IDS；
步骤四：以5℃为梯度增加高温箱温度直至热阻测试最高温度，每增加一次温度并重复步骤二和步骤三，记录高温箱不同温度TA、VDS及IDS并上传至计算机，即DUT(1)在不同结温TJ下的不同VDS对应的IDS；
步骤五：通过步骤二、步骤三和步骤四，采用最小二乘法进行拟合建立VDS-IDS-TJ的三维关系曲线簇；断开S1、S2和S4；
步骤六：将DUT(1)转移安装在带压簧式热电偶的控温平台上，分别连通S1、S3；
步骤七：通过栅压模块给DUT(1)施加同步骤二的VGS，并通过功率模块施加漏源电压VH，待稳定后记录其漏源电流IH，所述的稳定即为通过控温平台上测得DUT(1)的壳温TC稳定不变；
步骤八：将步骤七中的VH和IH上传至计算机，并结合步骤五中的VDS-IDS-TJ三维关系曲线簇可获得DUT(1)结温TJ，即VH对应找VDS-IDS-TJ三维关系曲线簇中的VDS，IH即对应找VDS-IDS-TJ三维关系曲线簇中的IDS，从而得到DUT(1)结温TJ；
步骤九：结合步骤七中的VH、IH、TC和步骤八中的TJ，即可通过热阻理论公式获得DUT(1)的热阻，其中热阻计算公式为：RthJC＝(TJ-TC)/(VH×IH)。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤二、三中所述，DUT(1)漏源间施加的脉冲电压VDS的脉宽应足够小，以不会使DUT(1)产生自升温。
6.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤二中所述，高温箱中的DUT(1)可通过连通S2给DUT(1)源漏间施加恒定小电流IF，并测量其VF也就是反并联续流二极管两端的正向电压，通过监测VF是否稳定来确定DUT(1)温度是否达到稳定，此时DUT(1)结温TJ即为高温箱温度TA。
7.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，在步骤三所述的漏源电压VDS，如果热阻测试的漏源电压可为固定值，则可省略步骤三。
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