CN114217198A - 基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于短脉冲大电流的碳化硅MOSFET模块热阻测量方法，可用于碳化硅MOSFET模块或者分立器件的热阻准确测量。所述测量方法的适用条件为，(1)给定了施加栅压的区间；(2)给定了加热栅压与测试栅压的施加条件；(3)给定了测试电流的选取范围；(4)给定了脉冲宽度的选取标准。首先，根据适用条件做出特定测试脉冲电流等级下的校温曲线，得到温敏系数K值，利用测试源表及散热平台先进行碳化硅MOSFET分立器件的热阻测量，通过数据手册上的热阻值验证该测试条件的可行性，并用碳化硅MOSFET模块进行热阻测量的验证。利用该适用条件，可在短脉冲大电流正向导通压降法的基础上，无需增加额外设备，即可实现碳化硅MOSFET模块结温及热阻的测量。

Description

基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量方法

技术领域

本发明涉及SiC MOSFET模块在短脉冲大电流法测热阻下的适用条件，属于功率半导体器件测试领域。

背景技术

碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料，其优势被广泛应用于各大生产厂家，其优良的电学和热学特性，非常适合应用于大功率领域，SiC MOSFET模块多应用于新能源汽车、铁路运输、风力发电、高压输配电等。当下在大功率设备运行的过程中，需要关注的问题之一是由于功耗所产生的热量将模块或器件烧毁，最终影响整个系统，所以准确测量出模块或器件的结温尤为重要。

作为测温所利用的电学参数例如体二极管压降、阈值电压、栅极内阻、饱和电流、导通压降、导通电阻、栅极峰值电流等有很多，但由于SiC MOSFET栅氧化层的陷阱、缺陷数量约为Si基器件的3倍，正向电学参数受影响较大。对于不同的测温方法，只有选对了测试条件，才能达到准确测温的效果。对于不同的电学参数，在不同的测温方法下都会有最佳的测试条件，使其准确反映出温度的变化。而对于同一电学参数，研究使其重复性好、稳定性好的测试条件是测温环节中最关键的一步。

由于SiC MOSFET栅氧化层的可靠性差，因此选用负栅压下寄生体二极管压降从侧面得出随温度变化的关系，利用电场直接屏蔽陷阱及缺陷的影响。但SiC MOS与SBD并联的模块中，SBD的阈值电压小于寄生体二极管的压降，故施加负栅压的方法不适用。为了测量SiC MOSFET模块的热阻，选用正向测试法，但需要尽可能降低陷阱、缺陷对电学参数的影响。

目前，对于单个半导体器件的结温测量已有成熟的方法和体系，而在SiC MOSFET模块中，由于芯片并联封装在一起，难以实现单个测量，针对现有对SiC MOSFET结温及热阻测量的方法，尤其是无损电学测试方法，短脉冲大电流可以在瞬间将陷阱、缺陷填满，但尚无合适的测试条件来运用该方法进行SiC MOSFET结温及热阻的准确测量。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量的适用条件，该条件(1)给定了栅压的范围在高栅压区间(13V～额定电压，例如选取18V，但不限于此)；(2)给定了加热栅压与测试栅压相等的关系；(3)给定测试电流的选取范围(模块例如10A～额定电流但不限于此；分立器件例如3A～10A但不限于此)；(4)给定脉冲宽度的选取标准(所选脉宽应避免测试过程受自升温的影响)。

以正向导通压降作为电学温敏参数，在小电流压降法的基础上，将测试电流更换为短脉冲的形式，增大电流的等级，利用上述的适用条件，通过校温曲线的制作，实现对SiCMOSFET模块及分立器件的结温测量。该条件方法无需增加额外的测试电路，利用现有成熟体系下的测试设备即可进行校温曲线的测定以及结温的测量。

本发明采用的技术方案如下：

(1)在不同温度、测试电流、测试时间下，对SiC MOSFET模块或分立器件的电学参数进行测量，得到其与时间的波形图以及其与温度的校温曲线，从温敏性、稳定性、重复性以及抗干扰性的角度去分析评定电学参数是否合适，故选定使用的电学参数为导通压降；

(2)根据转移特性曲线得出导通电阻的特性需分开从低栅压区与高栅压区讨论，通过校温曲线的制作，得出在低栅压区导通电阻为负温度特性，温度越高，I_DS越大，越容易烧毁，故选定栅压施加的区间为高栅压区；

(3)为模拟加热的过程，需加一段时间的加热栅压，固定测试栅压，施加不同加热栅压，由于陷阱的充放电，起始阶段V_DS变化不一，当加热栅压＝测试栅压时，V_DS-t图像最平稳，几乎无变化，故选定加热栅压＝测试栅压作为测试的条件；

(4)根据施加不同等级的脉冲测试电流(固定脉宽)，利用上述条件进行V_DS-t图像及V_DS-T的校温曲线的测定，得出针对分立器件，当电流等级过大时，会有明显的自升温现象；

(5)对相同等级的脉冲测试电流设定不同的脉宽，根据V_DS-t图像，选定其在稳定过程中避免产生自升温现象的脉宽作为测试条件；

(6)根据所选定的测试条件，进行重复性实验，比较不同测试电流、不同测试时间对校温曲线重复性的影响，进而得出最适合SiC MOSFET结温/热阻准确测量的条件。

实现该测试条件的设备包括：1)半导体参数测试仪(例如但不限于Keysight公司生产的B1505)；2)被测SiC MOSFET分立器件及模块；3)温箱或温控平台；4)水冷散热平台；5)测试源表；所述3)温箱或温控平台用于对所述2)SiC MOSFET分立器件及模块加温，所述4)水冷散热平台为分立器件或模块提供一个恒定的温度，即得出准确的壳温，所述5)测试源表用于给所述2)碳化硅MOSFET分立器件及模块施加不同的电流，测量导通压降。

本发明的特征在于，该发明还包括以下步骤：

步骤一：将分立器件或模块放置于温箱或温控平台上，将器件或模块与半导体参数测试仪上的接口通过高温导线相连，利用1)半导体参数测试仪给2)分立器件或模块测出对应温度下的转移特性曲线，得出适用条件(1)；

步骤二：设置温箱的初始温度，使器件或模块温度稳定在温箱或温控平台设定的温度后，通过B1505自带模块施加加热栅压及测试栅压，测出特定温度下的V_DS-t图像，给温箱或温控平台升温，重复上述操作，分析得出适用条件(2)；

步骤三：设置温箱的初始温度，使器件或模块温度稳定在温箱或温控平台设定的温度后，通过B1505自带模块施加加热栅压及测试栅压，施加不同等级且固定脉宽的短脉冲大电流，测试得到不同设定温度下分立器件或模块的V_DS-t图像，分析得出适用条件(3)；

步骤四：重复步骤三，但施加相同等级且不同脉宽的短脉冲大电流，测试得到不同设定温度下分立器件或模块的V_DS-t图像，分析得出适用条件(4)；

步骤五：根据适用条件，将按上述步骤测得的正向导通压降的数据，制作校温曲线，得到在特定脉冲测试电流下的温敏系数K值；

步骤六：将分立器件或模块放置于水冷散热平台上，待温度稳定(即视作T_壳)，通过源表施加恒定的高栅压(保持加热阶段V_GS与测试阶段V_GS相等)的同时，施加一定时间的加热大电流，待稳定后，断开加热电流，施加特定的测试电流，待源表上的导通压降值达到稳定，记录之，记录三次稳定状态下的导通压降值，求其均值；

步骤七：根据2)分立器件或模块的基于特定测试电流的正向导通压降均值，跟步骤五得到的校温曲线上的数值进行比对，获取对应导通压降的温度值，即为当前2)分立器件或模块的结温；

步骤八：根据上述得到的壳温、结温、工作中产生的功耗，代入热阻公式，计算得到分立器件或模块的热阻值。

【步骤解释说明】

步骤三所述的加热栅压与测试栅压相等，且均为高栅压，脉冲测试电流为施加在分立器件漏源两端的电流或模块的干路总电流，由于根据测量分立器件给出的固定脉宽，模块产生的自温升可忽略；

步骤六所述的施加高栅压以及一定时间的加热大电流，大电流的等级不能超过数据手册中的额定电流等级范围，且加热时间不能过长，避免功耗过大，产生的热量烧毁器件或模块；

在源表上的数值趋于稳定时，取三个电压值再求均值，提高所测的正向导通压降值的准确性；

步骤八所述的热阻公式如下：

其中所需计算的热阻值为R_TH，源表测试的正向导通压降通过校温曲线对出的温度为T_j，测试过程温控平台所设定恒定的温度为T_壳，测试总功率为P。

本发明的有益效果是：本发明所述的方法及测试条件简单、操作方便，针对现有的SiC MOSFET结温测量，在短脉冲大电流测温法的基础上提出一种适用的条件实现碳化硅MOSFET模块或器件的结温及热阻测量。

附图说明

图1：为本发明所涉及测试装置图，图中：1-Keysight公司B1505半导体参数测试仪，2-器件或模块，3-温箱或恒温平台，4-测试源表。

图2：本发明所涉及测试过程的流程图。

图3：不同温度下的转移特性曲线。

图4：测试条件施加过程示意图。

图5：温度-导通压降校温曲线图。

图6：不同测试条件的自升温现象比对。

图7：适用的测试条件的重复性检验。

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。

以SiC MOSFET分立器件为示例，本发明所涉及的测试装置如图1所示。包括半导体参数测试仪、SiC MOSFET器件、温箱、测试源表。被测SiC MOSFET器件为绝缘栅场效应晶体管共3个，型号为CREE C2M0080120D,封装形式为T0-247-3，其最大工作电压为1200V，最大工作电流为36A。

本发明所涉及方法的流程图如图2所示，包括以下步骤：

步骤一：将被测SiC MOSFET器件放入温箱中，通过高温导线，将器件三端外接至B1505A对应器件测试端口。利用温箱加热器件，加热温度从40℃开始，每次提高10℃，即测试温度为40℃、50℃、…、110℃。

步骤二：当温箱达到设定温度40℃，稳定10分钟，认为此时器件与温箱设定温度一致，利用B1505A提供固定栅压V_GS＝18V，保持器件栅开通，并提供测试电流的范围3A～20A，均为脉宽为500us的脉冲形式的电流，得到该温度下，不同测试电流对应导通压降V_DS；

步骤三：温箱升温10℃，达到设定值后，重复步骤二，依次得到50℃、60℃、…、110℃下，不同脉冲测试电流I_DS对应的导通压降V_GS；最后得到不同脉冲测试电流下的温度-导通压降的校温曲线；

步骤四：设定测试时间，t＝1min/t＝100min，重复上述步骤二、步骤三，得到测试时间分别为1min和100min的校温曲线；

步骤五：改变测试电流的脉宽，重复上述操作；

步骤六：通过比较不同温度、测试时间、测试电流、脉冲电流脉宽下得到的V_DS-t波形图或者V_DS-T的校温曲线，找到使其V_DS波动幅度最小且校温曲线重合度最好的测试条件。

Claims (7)

1.基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量方法，该测量方法的适用条件包括：(1)给定了栅压的范围在高栅压区间；(2)给定加热栅压与测试栅压相等的关系；(3)给定测试电流的选取范围；(4)给定脉冲宽度的选取标准；

其特征在于，所述测试方法包括以下步骤：

步骤一：将分立器件或模块放置于温箱或温控平台上，将器件或模块与半导体参数测试仪上的接口通过高温导线相连，利用半导体参数测试仪给分立器件或模块测出对应温度下的转移特性曲线，得出适用条件(1)；

步骤二：设置温箱的初始温度，使器件或模块温度稳定在温箱或温控平台设定的温度后，通过半导体参数测试仪施加加热栅压及测试栅压，测出特定温度下的V_DS-t图像，给温箱或温控平台升温，重复上述操作，分析得出适用条件(2)；

步骤三：设置温箱的初始温度，使器件或模块温度稳定在温箱或温控平台设定的温度后，通过半导体参数测试仪施加加热栅压及测试栅压，施加不同等级且固定脉宽的短脉冲大电流，测试得到不同设定温度下分立器件或模块的V_DS-t图像，分析得出适用条件(3)；

步骤四：重复步骤三，但施加相同等级且不同脉宽的短脉冲大电流，测试得到不同设定温度下分立器件或模块的V_DS-t图像，分析得出适用条件(4)；

步骤五：根据适用条件，将按上述步骤测得的正向导通压降的数据，制作校温曲线，得到在特定脉冲测试电流下的温敏系数K值；

步骤六：将分立器件或模块放置于水冷散热平台上，待温度稳定即视作T_壳，通过源表施加恒定的高栅压的同时，施加一定时间的加热大电流，待稳定后，断开加热电流，施加特定的测试电流，待源表上的导通压降值达到稳定，记录之，记录三次稳定状态下的导通压降值，求其均值；

步骤七：根据2)分立器件或模块的基于特定测试电流的正向导通压降均值，跟步骤五得到的校温曲线上的数值进行比对，获取对应导通压降的温度值，即为当前2)分立器件或模块的结温；

步骤八：根据上述得到的壳温、结温、工作中产生的功耗，代入热阻公式，计算得到分立器件或模块的热阻值。

2.根据权利要求1所述的基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量方法，其特征在于：步骤六中，通过源表施加恒定的高栅压即保持加热阶段V_GS与测试阶段V_GS相等。

3.根据权利要求1所述的基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量方法，其特征在于：步骤三中通过半导体参数测试仪施加的恒定高栅压，在加热阶段与测试阶段，该高栅压均不断开，保持栅导通的状态。

4.根据权利要求1所述的基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量方法，其特征在于：步骤四中通过半导体参数测试仪施加的测试电流为短脉冲大电流，针对单独的分立器件，电流等级不要超过10A，以避免测试过程中的自升温现象；针对模块则需要使用半导体参数测试仪大电流扩展模块，模块内部芯片处于并联状态，施加的电流通过干路分散至各支路。

5.根据权利要求1所述的基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量方法，其特征在于：步骤六中，通过一个源表对碳化硅MOSFET分立器件或模块的栅极施加18V高栅压，再用另一个源表施加加热电流及测试电流，针对单独的分立器件，加热电流设定为10A，加热时间为20s～1min；针对模块则视所加的测试电流的等级设定加热电流的等级，加热时间为20s～1min。

6.根据权利要求1所述的基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量方法，其特征在于：步骤六所述的根据稳定状态下所测的导通压降值，需要测定三次，求得最终的平均值，这样提高了测试的准确性。

7.根据权利要求1所述的基于短脉冲大电流SiC MOSFET模块热阻测量方法，其特征在于：利用稳态热阻的公式计算出当前器件或模块的热阻值，公式如下：

其中所需计算的热阻值为R_TH，源表测试的正向导通压降通过校温曲线对出的温度为T_j，测试过程温控平台所设定恒定的温度为T_壳，测试总功率为P。

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