CN116520052A - 真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，包括加热控制单元、检测控制单元、数据采集模块、置于真空环境中的第一待测器件DUT1以及置于常压环境中的第二待测器件DUT2；加热控制单元与检测控制单元并联，第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2串联后与加热控制单元和检测控制单元并联；数据采集模块分别与第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2连接，用于采集第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2的实验数据。本发明能够同时在真空和常压环境下对SiC MOSFET器件进行加速老化，且保证了散热方式、加热和测量电流等其它变量的一致性，保证了试验数据的可对比性，确保最终能够准确的分析真空环境对SiC MOSFET器件老化的影响。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台。
背景技术
随着半导体器件的发展，以SiC MOSFET为首的宽禁带半导体器件逐渐替代原来的Si器件，占据市场和科技前沿。但目前由于封装限制，SiC MOSFET承受的热应力作用更大，由此面临的可靠性问题也更为严峻。尤其在太空、高海拔、高原等真空或低气压特种环境下，SiC MOSFET的可靠性也会受到制约。SiC MOSFET器件作为新一代功率半导体器件，其发展的时间较短，在真空环境下的老化失效机理尚不明确。因此，如何研究和提升真空环境下SiC MOSFET的可靠性成为电力电子领域亟待解决的关键问题之一。
目前常用的功率半导体器件可靠性测试方法是功率循环试验，通过控制被测器件所流过电流的导通和关断，实现被测器件的升温和降温过程，从而加速被测器件的老化进程，以此反映器件在实际工作条件下的老化。
现有的功率半导体器件的加速老化试验只在常压环境下进行，而没有考虑真空环境对功率半导体器件老化的影响。在真空环境下由于空气密度很低，影响了功率半导体器件的对流散热作用，同时器件的热膨胀系数也与常压环境下有所不同，因此功率半导体器件在低气压环境下的老化进程可能会与常压环境有所不同。当前需要加快对真空环境下SiC MOSFET器件的老化失效进程，研究真空环境下SiC MOSFET器件的可靠性。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，以解决现有真空环境下SiC MOSFET器件的老化失效进程不明确，器件在真空环境下运行可靠性低的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，包括加热控制单元、检测控制单元、数据采集模块、置于真空环境中的第一待测器件DUT1以及置于常压环境中的第二待测器件DUT2；加热控制单元与检测控制单元并联，第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2串联后与加热控制单元和检测控制单元并联；数据采集模块分别与第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2连接，用于分别采集第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2的实验数据。
进一步地，加热控制单元包括加热电流源V1和加热电流控制开关；加热控制开关包括第一晶体管Q1和第二晶体管Q2，第一晶体管Q1的集电极与加热电流源V1的正极连接，第一晶体管Q1的发射极与第一待测器件DUT1的漏极连接；第二晶体管Q2的集电极与加热电流源V1的正极连接，第二晶体管Q2的发射极分别与加热电流源V1的负极和第二待测器件DUT2的源极连接。
进一步地，加热控制单元还包括串联在加热电流源V1的负极的第一开关保护电路，第一开关保护电路包括并联连接的电感L和第一二极管D1，第一二极管D1的阴极与加热电流源V1的正极连接。
进一步地，检测控制单元包括测量电流源V2和测量控制开关；测量控制开关包括第三晶体管Q3，第三晶体管Q3的集电极与测量电流源V2的正极连接，第三晶体管Q3的发射极与第二待测器件DUT2的源极连接，测量电流源V2的负极与第一待测器件DUT1的漏极连接。
进一步地，测量控制单元还包括第二开关保护电路；第二开关保护电路包括串联在第三晶体管Q3的发射极的第二二极管D2，第二二极管D2的阳极与第三晶体管Q3的发射极连接。
进一步地，数据采集模块包括与第一待测器件DUT1连接的第一数据采集电路以及与第二待测器件DUT2连接的第二数据采集电路；第一数据采集电路包括第一运算放大器A1；第一运算放大器A1的正输入端与第一待测器件DUT1的漏极连接，第一运算放大器A1的负输入端与第一待测器件DUT1的源极连接；第二数据采集电路包括第二运算放大器A2；第二运算放大器A2的正输入端与第二待测器件DUT2的漏极连接，第二运算放大器A2的负输入端与第二待测器件DUT2的源极连接；第一运算放大器A1的输出端和第二运算放大器A2的输出端分别与数据采集卡的输入端连接。
进一步地，第一待测器件DUT1的漏极与源极之间设有并联有第一开关SP1，第二待测器件的漏极与源极之间设有并联有第二开关SP2。
进一步地，数据采集模块还包括用于分别采集第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2的壳温的温度采集电路；温度采集电路包括安装在第一待测器件DUT1上的第一热电偶与第一热电偶连接的温度变送器，以及安装在第二待测器件DUT2上的第二热电偶与第二热电偶连接的温度变送器。
进一步地，该实验平台还包括用于为第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2散热的散热系统，散热系统包括第一水冷散热板和第二水冷散热板，第一待测器件DUT1安装在第一水冷散热板上，第二待测器件DUT2安装在第二水冷散热板上；第一水冷散热板和第二水冷散热板分别通过水管与水冷泵连接。
进一步地，数据采集卡通过采集第一数据采集电路和第二数据采集电路的数据并上传至上位机；上位机通过DSP向加热控制单元、检测控制单元、第一待测器件DUT1、第二待测器件DUT2和散热系统下发驱动指令。
本发明的有益效果为：能够同时在真空和常压环境下对SiC MOSFET器件进行加速老化，且保证了散热方式、加热和测量电流等其它变量的一致性，保证了试验数据的可对比性，确保最终能够准确的分析真空环境对SiC MOSFET器件老化的影响。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，在这些附图中使用相同的参考标号来表示相同或相似的部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明的电路原理图；
图2为本发明的平台安装示意图；
图3是本发明中采集模块的壳温测量原理图；
图4是主电路控制开关时序图；
图5是器件结温波动和老化数据采集示意图图；
图6是本发明中体二极管压降和结温的对应关系图。
具体实施方式
如图1所示的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，包括加热控制单元、检测控制单元、数据采集模块、置于真空环境中的第一待测器件DUT1(即SiC MOSFET器件)以及置于常压环境中的第二待测器件DUT2(即SiC MOSFET器件)；加热控制单元与检测控制单元并联，第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2串联后与加热控制单元和检测控制单元并联；数据采集模块分别与第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2连接，用于分别采集第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2的实验数据。
下面分别对各个组件进行详细描述：
第一待测器件DUT1配置有第一继电器J1；第一继电器J1的第一常开脚与第一待测器件DUT1的漏极连接，第一继电器J1的第二常开脚和第一公共脚与第一待测器件DUT1的栅极连接；第二待测器件DUT2配置有第二继电器J2；第二继电器J2的第一常开脚与第二待测器件的漏极连接，第二继电器J2的第二常开脚和第一公共脚与第二待测器件DUT2的栅极连接；通过在第一继电器J1的第一常闭脚与第一待测器件DUT1的源极之间以及第二继电器J2的第一常闭脚与第二待测器件DUT2的源极之间施加驱动电压Vgs，驱动第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2工作。
控制开关包括第一晶体管Q1和第二晶体管Q2，第一晶体管Q1的集电极与加热电流源V1的正极连接，第一晶体管Q1的发射极与第一待测器件DUT1的漏极连接；第二晶体管Q2的集电极与加热电流源V1的正极连接，第二晶体管Q2的发射极分别与加热电流源V1的负极和第二待测器件DUT2的源极连接；第一晶体管Q1的门极和第二晶体管Q2的门极均与DSP的输出端连接；第一晶体管Q1和第二晶体管Q2为互补导通，避免加热电流源V1启停时的过渡时间。试验过程中通过DSP向第一晶体管Q1的门极和第二晶体管Q2的门极发送驱动指令控制第一晶体管Q1和第二晶体管Q2的关断和导通实现开关功能。
上述加热控制单元还包括串联在加热电流源V1的负极的第一开关保护电路，第一开关保护电路包括并联连接的电感L和第一二极管D1，第一二极管D1的阴极与加热电流源V1的正极连接。第一开关保护电路能够对加热电流控制开关进行保护，以延长加热电流控制开关寿命并提高可靠性。
上述检测控制单元包括测量电流源V2和测量控制开关；测试电流源的输出波形为方波。测量控制开关包括第三晶体管Q3，第三晶体管Q3的集电极与测量电流源V2的正极连接，第三晶体管Q3的发射极与第二待测器件DUT2的源极连接，测量电流源V2的负极与第一待测器件DUT1的漏极连接；第三晶体管Q3的门极与DSP的输出端连接；试验过程中通过DSP向第三晶体管Q3的门极发送驱动指令控制第三晶体管Q3的关断和导通实现开关功能。
上述测量控制单元还包括第二开关保护电路；第二开关保护电路包括串联在第三晶体管Q3的发射极的第二二极管D2，第二二极管D2的阳极与第三晶体管Q3的发射极连接；第二二极管D2能够对加热测量控制开关进行保护，以延长测量控制开关寿命并提高可靠性。
上述数据采集模块包括与第一待测器件DUT1连接的第一数据采集电路以及与第二待测器件DUT2连接的第二数据采集电路；第一数据采集电路包括第一运算放大器A1；第一运算放大器A1的正输入端与第一待测器件DUT1的漏极连接，第一运算放大器A1的负输入端与第一待测器件DUT1的源极连接；第二数据采集电路包括第二运算放大器A2；第二运算放大器A2的正输入端与第二待测器件DUT2的漏极连接，第二运算放大器A2的负输入端与第二待测器件DUT2的源极连接；第一运算放大器A1的输出端和第二运算放大器A2的输出端分别与数据采集卡的输入端连接；采集卡在采集到第一运算放大器A1和第二运算放大器A2输出的数据后上传至上位机。
该试验平台的工作原理为：
1、当第一晶体管Q1导通，第二晶体管Q2和第三晶体管Q3关断时，加热电流流过SiCMOSFET器件(第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2)进行加热，器件升温，在该阶段数据采集模块对SiC MOSFET器件的导通压降进行采集；
2、当第一晶体管Q1关断，第二晶体管Q2和第三晶体管Q3导通时，测量电流反向流过SiC MOSFET器件(第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2)，器件降温，在该阶段对SiCMOSFET器件的体二极管压降进行采集；
3、当第一晶体管Q1关断、第二晶体管Q2导通、第三晶体管Q3关断时，控制继电器从K1位置拨到K2位置，在该阶段对SiC MOSFET器件的阈值电压进行测量，测量完成后继电器从K2位置拨回K1位置。
数据采集顺序为先采集器件的导通压降，第一晶体管Q1关断、第三晶体管Q3导通时立即测量器件的体二极管压降和壳温信息，第一晶体管Q1关断、第三晶体管Q3关断后控制继电器拨到K2位置并测量器件的阈值电压。
第一待测器件DUT1的漏极与源极之间设有并联有第一开关SP1，第二待测器件DUT2的漏极与源极之间设有并联有第二开关SP2。当监测到某一第一待测器件DUT1老化失效后，闭合其对应的开关SP，使剩余待测器件继续老化。
数据采集模块还包括用于分别采集第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2的壳温的温度采集电路；温度采集电路包括安装在第一待测器件DUT1上的第一热电偶与第一热电偶连接的温度变送器，以及第二待测器件DUT2上的第二热电偶以及与第二热电偶连接的温度变送器，如图3示。通过温度采集电路可便于实时对待测器件的壳温进行监测。
该实验平台还包括用于为第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2散热的散热系统，散热系统包括第一水冷散热板52和第二水冷散热板82，第一待测器件DUT1安装在第一水冷散热板52上，第二待测器件DUT2安装在第二水冷散热板82上；第二水冷散热板52和第二水冷散热板82分别通过水管与水冷泵7连接。水冷泵7在待测器件处于降温阶段时导通，使器件快速降温；通过设置散热系统可对待测器件进行快速散热，水冷泵在SiC MOSFET器件处于降温阶段时导通。
如图2示，第一待测器件DUT1置于真空箱1中，真空箱1上配置有用于测量真空箱1中气压的真空压力表2和用于抽取真空箱中其空气的真空泵3，真空泵通过进气管31与真空箱1连通，进气管31上设有进气阀32，真空箱1还连接有排气管，排气管上设有排气阀4；真空箱1内设有第一试验台5，第一水冷散热板52和第一数据采集模块51安装在第一试验台5上，数据采集模块通过导线与上位机10；真空箱1的导线出口设有线材密封口；水管出口设有管材密封口。第二待测器件DUT2和第二数据采集模块81安装在真空箱外的第二试验台2，第二试验台2处于常压环境中。
数据采集卡通过采集第一数据采集电路和第二数据采集电路的发出的数据并上传至上位机；在老化过程中上位机接收到导通压降、体二极管压降、壳温、阈值电压后会计算各个器件的热阻，并将每个器件的导通压降和热阻以波形的形式显示。本实施例中，在老化过程中上位机接收到体二极管压降后根据图6预先标定的体二极管压降和结温的对应关系转换为结温信息，并与导通压降、壳温一同计算各个器件的热阻，并将每个器件的导通压降、热阻、阈值电压以波形的形式显示。其中热阻根据GB/T4586-94《半导体器件分立器件第八部分：场效应晶体管》标准计算，公式如下：
其中，Iload为将器件加热至稳态的电流，Vds为器件的正向导通压降。
上位机通过DSP向加热控制单元、检测控制单元、第一待测器件DUT1、第二待测器件DUT2和水冷泵下发驱动指令，控制加热控制单元、检测控制单元、第一待测器件DUT1、第二待测器件DUT2和水冷泵7工作运行。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，包括加热控制单元、检测控制单元、数据采集模块、置于真空环境中的第一待测器件DUT1以及置于常压环境中的第二待测器件DUT2；所述加热控制单元与检测控制单元并联，所述第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2串联后与所述加热控制单元和检测控制单元并联；所述数据采集模块分别与第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2连接。
2.根据权利要求1所述的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，所述加热控制单元包括加热电流源V1和加热电流控制开关；加热控制开关包括第一晶体管Q1和第二晶体管Q2，所述第一晶体管Q1的集电极与加热电流源V1的正极连接，第一晶体管Q1的发射极与第一待测器件DUT1的漏极连接；第二晶体管Q2的集电极与加热电流源V1的正极连接，第二晶体管Q2的发射极分别与加热电流源V1的负极和第二待测器件DUT2的源极连接。
3.根据权利要求2所述的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，所述加热控制单元还包括串联在加热电流源V1的正极的第一开关保护电路，所述第一开关保护电路包括并联连接的电感L和第一二极管D1，第一二极管D1的阴极与加热电流源V1的正极连接。
4.根据权利要求1所述的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，所述检测控制单元包括测量电流源V2和测量控制开关；所述测量控制开关包括第三晶体管Q3，第三晶体管Q3的集电极与测量电流源V2的正极连接，第三晶体管Q3的发射极与第二待测器件DUT2的源极连接，测量电流源V2的负极与第一待测器件DUT1的漏极连接。
5.根据权利要求4所述的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，所述测量控制单元还包括第二开关保护电路；所述第二开关保护电路包括串联在第三晶体管Q3的发射极的第二二极管D2，第二二极管D2的阳极与第三晶体管Q3的发射极连接。
6.根据权利要求1所述的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，所述数据采集模块包括与第一待测器件DUT1连接的第一数据采集电路以及与第二待测器件DUT2连接的第二数据采集电路；所述第一数据采集电路包括第一运算放大器A1；第一运算放大器A1的正输入端与第一待测器件DUT1的漏极连接，第一运算放大器A1的负输入端与第一待测器件DUT1的源极连接；所述第二数据采集电路包括第二运算放大器A2；第二运算放大器A2的正输入端与第二待测器件DUT2的漏极连接，第二运算放大器A2的负输入端与第二待测器件DUT2的源极连接；所述第一运算放大器A1的输出端和第二运算放大器A2的输出端分别与数据采集卡的输入端连接。
7.根据权利要求1所述的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，所述第一待测器件DUT1的漏极与源极之间设有并联有第一开关SP1，第二待测器件的漏极与源极之间设有并联有第二开关SP2。
8.根据权利要求6所述的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，所述数据采集模块还包括用于分别采集第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2的壳温的温度采集电路。
9.根据权利要求1所述的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，该实验平台还包括用于为所述第一待测器件DUT1和第二待测器件DUT2散热的散热系统。
10.根据权利要求9所述的真空和常压环境SiC MOSFET器件加速老化试验平台，其特征在于，所述数据采集卡通过采集第一数据采集电路和第二数据采集电路的数据并上传至上位机；上位机通过DSP向加热控制单元、检测控制单元、第一待测器件DUT1、第二待测器件DUT2和散热系统下发驱动指令。
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| Lai et al. | Low $\Delta T_ {j} $ Stress Cycle Effect in IGBT Power Module Die-Attach Lifetime Modeling | |
| Ugur et al. | A new complete condition monitoring method for SiC power MOSFETs | |
| Yang et al. | A fast IGBT junction temperature estimation approach based on ON-state voltage drop | |
| Tinschert et al. | Possible failure modes in press-pack IGBTs | |
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| Shao et al. | On the junction temperature extraction approach with a hybrid model of voltage-rise time and voltage-rise loss | |
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| Xu et al. | Investigation of performance degradation in thermally aged cascode GaN power devices | |
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| Huang et al. | IGBT Condition Monitoring Drive Circuit Based on Self-Excited Short-circuit Current | |
| Weimer et al. | Thermal Impedance Calibration for Rapid and Non-Invasive Calorimetric Soft-Switching Loss Characterization | |
| Baba et al. | Estimation of thermal network models parameters based on particle swarm optimization algorithm | |
| WO2022178857A1 (en) | SYSTEM AND METHOD FOR MEASURING INTERMITTENT OPERATING LIFE OF GaN-BASED DEVICE | |
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| Ruppert et al. | Utilizing the Electroluminescence of SiC MOSFETs as Degradation Sensitive Optical Parameter | |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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