CN116940816A - 用于测量功率半导体和热沉之间的热阻的退化的方法和用于功率半导体的控制装置 - Google Patents
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Abstract
提供了一种用于测量功率模块组件中的功率半导体与所述功率模块组件的热沉之间的热阻RTh的退化的方法，其中所述功率半导体具有内部栅极电阻，该方法包括：在稳定操作温度下测量与功率半导体结温有关的第一初始参数K0；加热内部栅极电阻并且在所述加热之后测量与结温有关的第二初始参数K1；以及将第一初始参数K0和第二初始参数K1保存在存储器中，在功率模块组件的寿命期间在离散时间间隔d1、…、dn之后，在稳定操作温度T0d1、…、T0dn下测量与功率半导体结温有关的第一后续参数K0d、…、K0dn，加热内部栅极电阻并在所述加热之后测量与结温T1d1、…T1dn有关的第二后续参数K1d、…、K1dn，并且利用与结温有关的后续参数以及从存储器读取的初始参数来计算热阻退化ΔRTh并比较ΔRTh与极限值ΔRThmax，并且在ΔRTh高于所述极限值的情况下提升故障标志。
Description
技术领域
本发明涉及通过测量功率半导体(例如，功率转换器开关半导体)与其热沉之间的热阻来监测这种功率半导体与其热沉之间的热阻的退化。这种退化是在诸如功率转换器的功率装置的操作期间要测量以增加这种装置对过热的鲁棒性并对这种功率装置的功率模块应用条件监测功能的关键参数。
背景技术
目前可用的识别热阻变化的方法大多基于离线测量。
在这些测量中，功率半导体模块与其热沉端子之间的热阻可使用诸如ASTME1225-13的一般热阻测量标准来测量，其中热源被置于热阻的第一端子上，热通量探针被置于热阻的第二端子上。这种技术足以测量异质结构的热阻，然而它没有提供关于内部结构的细节的信息，例如模块的不同部件的热阻贡献。此外，热源和热通量测量的需求需要功率半导体模块上的附加装置，这些附加装置不与这种模块的操作下的热阻测量兼容。
第二种技术包括在已知漏极/源极或发射极/集电极功率耗散损失下操作功率半导体以及测量功率半导体与这种功率半导体的基板之间的温度差。功率半导体的主要电路径(漏极-源极或集电极-发射极)用于生成热，并且功率半导体上的耗散损失与电源所供应的电力有关。需要用准确的功率测量仪器测量电力，并且操作条件应该稳定。这强加了对何时可执行测量的约束以及对用于监测操作条件和结温的电路的约束，并且需要精确的功率和温度测量系统。此外，对于功率半导体模块被安装在功率转换器上的在线监测或者对于具有并联管芯的功率半导体模块，这种方法不可换位。可使用功率半导体的电特性来估计耗散的功率，但是由于芯片到芯片的显著可变性，这需要生产线中的各个功率半导体的温度相关电特性的精确校准。
测量半导体装置与其热沉端子之间的热阻的另一技术包括测量功率半导体的结温的瞬态响应。使用半导体中耗散的功率使半导体的温度增加至特定值，然后在装置关闭之后以快速采样率记录瞬态温度信号。此方法使得能够识别功率半导体模块的异质结构的细节，然而这种测量需要与模块操作期间的在线热阻估计不兼容的特定控制过程和测量时间尺度。此外，使半导体温度增加所需的热需要高电流，而高电流并非始终可用，取决于应用。
然后，根据现有技术，为了测量在线条件下的热阻退化或者当功率半导体模块已经安装在功率转换器上时，需要附加精确传感器以提供精确功率和结温测量和/或需要预先校准的热敏电参数(TSEP)。另外，关于TSEP，考虑到由于制造可变性而引起的功率半导体模块之间的电参数(例如，米勒平台或内部栅极电阻)的散布，每单个装置均需要校准。
关于操作中的测量，文献US9689754 B2描述了一种估计操作中的功率半导体装置(例如，IGBT功率模块)中容纳的半导体芯片的温度的方法，该方法包括以下步骤：在功率半导体装置在操作中的同时，针对所施加的负载电流的值确定功率半导体装置上的电压降；以及通过基于半导体芯片温度模型评估所确定的电压降与所施加的负载电流的值之间的关系来估计半导体芯片的温度。
关于老化的测量，文献WO2017102262A1提供了一种方法，其中使用激励信号来使得激励电流流过功率半导体以便在这种功率半导体中引入功率损失，并且读取温度信号以确定功率半导体的老化。
在这种文献中，激励电流在这种功率半导体的集电极-发射极结或源极-漏极结之间流动。
发明内容
鉴于现有技术，本发明旨在提供一种功率半导体与其热沉之间的热阻的退化的在线测量方法，其允许在这种功率半导体的操作期间测量功率半导体装置与热沉之间的热阻的演变，而无需功率半导体的电特性的事先校准，也无需附加温度传感器。
更确切地，本发明涉及一种用于测量功率模块组件中的功率半导体与所述功率模块组件的热沉之间的热阻RTh的退化的方法，其中所述功率半导体具有内部栅极电阻，该方法包括：
-在稳定操作温度下测量与功率半导体结温有关的第一初始参数K0，
-通过在所述功率半导体的栅极/源极结上以频率f1施加AC源的AC电压VAC来加热内部栅极电阻，并且在所述加热之后测量与结温有关的第二初始参数K1，以及
-将第一初始参数K0和第二初始参数K1保存在存储器中，
包括在功率模块组件的寿命期间在至少一个离散时间间隔d∈{d1,...,dn}之后：
-在稳定操作温度T0d∈{T0d1,...T0dn}下测量与功率半导体结温有关的第一后续参数K0d∈{K0d1,...,K0dn}，以及
-通过在所述功率半导体的栅极/源极结上以频率f1施加AC电压VAC来加热内部栅极电阻，并且在所述加热之后测量与结温T1d∈{T1d1,...T1dn}有关的第二后续参数K1d∈{K1d1,...,K1dn}，
并且其中，所述方法包括：
-利用与结温有关的后续参数K0d∈{K0d1,...,K0dn}和K1d∈{K1d1,...,K1dn}以及从存储器读取的初始参数K0和K1计算热阻退化ΔRTh，其中其中其中/>其中d＝d1,...,dn，并且其中PR是内部栅极电阻在所述AC电压VAC下耗散的功率，
-比较ΔRTh与极限值ΔRThmax，以及
-在ΔRTh高于所述极限值的情况下，提升故障标志。
所提出的方法提供了一种简单方式来在除了功率模块中的可用传感器和电路之外没有或有限的附加传感器和电路的情况下调查功率半导体的健康。此外，在功率半导体的寿命期间功率半导体上由栅极电阻耗散的功率始终相同。另外，由于功率端子不用于在半导体中生成热，所以考虑到仅半导体装置的控制焊盘用于在半导体装置上生成热，因此没有引入可能使功率半导体装置的开关行为退化的任何附加寄生元件(例如，寄生电感器、引线)，加热系统的复杂度降低。
在实施方式中，选择热阻测量之间的时间间隔d∈{d1,...,dn}，使得第一参数K0d相对于K0保持在指定范围K0+/-k内。
该方法可包括：针对这种功率半导体在操作中的多个稳定结温T1...Tn，存储在功率半导体寿命的指定初始部分中的初始第一参数K0(T)和第二参数K1(T)的表，并且其中，针对间隔d的结束处的测量在最接近K0(T)的规定范围内选择初始值K0d。
这提供了功率半导体在操作时的多个温度的参考值。此外，可在功率半导体装置的任何操作温度下测量Rth退化，从而实现完全操作中的热阻退化监测。
功率半导体寿命的指定初始部分可取自半导体操作时间的前1000至1500小时之前。
这提供了大的参考寿命。
该表可包括加热持续时间h，并且可参考所述功率半导体和所述热沉之间的层的不同时间常数针对多个所述加热持续时间h测量第一初始参数K0(T,h)和第二初始参数K1(T,h)。
这提供了可用于检测管芯和热沉之间的退化深度的参考测量。
AC电压可具有DC分量以将功率半导体的栅极对源极极化，并且具有低于或等于功率半导体的平带电压的峰值电压。
这可允许将VGE或VGS限制为漏极/源极或集电极/发射极不导通状态并且独立于功率半导体装置的负载操作条件，并且避免该方法对各个操作功率半导体装置操作点的预校准。
频率f1可低于功率半导体的近似栅极输入功率半导体电时间常数的倒数。
在这种情况下，f1的近似值可为f1＝(2·π·Cin·R)-1。频率f1可被选为功率半导体的输入谐振频率。在这种情况下，f1的近似值可为f1＝(2·π·Lin·Cin)-2。
这可允许以低的相对误差独立于寄生元件Cin和Lin计算热阻退化。
为了提供足够的信号/噪声比，频率f1也可高于0.1·(2·π·Cin·R)-1。
与功率半导体结温有关的参数KXy可以是所述功率半导体的内部栅极电阻RXy，其中X等于0或1，y为空或d。
这允许仅使用功率半导体的控制端子来确定热阻退化。此外，由于使用差分值来计算热阻退化并且参数KXy依赖于结温而变化，所以不需要基于TSEP的方法的初步校准。
该方法可包括：在无需施加所述AC电压的情况下，通过所述功率半导体的内部栅极电阻注入方形DC电流，以获取内部栅极电阻的信息。
这为内部栅极电阻提供了不加热所述电阻的测量手段，从而增加了测量精度。此外，结温测量与加热手段分离，并且可独立地用于诸如过温保护的其它提案。
在这种情况下，可施加具有第一峰峰电平的第一AC电压Vac1以获取R0或R0d值，并且施加具有高于第一峰峰值的第二峰峰值的第二AC电压VAC以加热所述功率半导体的栅极电阻并获取R1或R1d值。
该方法可包括：在包括功率半导体的栅极/发射极或栅极/源极和AC源的电路中提供具有值Rmeas的电阻；将所述AC电压VAC作为5V至40V之间的脉冲注入，以加热内部栅极电阻；在AC源的第一峰值电平下测量所述电阻末端处的第一电压Vmeas作为第一参数Kv0并且将R0值计算为在AC源的最后峰值电平下测量所述电阻末端处的第二电压Vmeas作为第二参数Kv1并且将R1值计算为/>重复所述测量和计算以获得R0d和R1d值。
与功率半导体结温有关的所述参数KXy可以是所述功率半导体的结温TXy，其中X等于0或1，y为空或d。
电压VAC可从以加热信号调制的功率部件的控制信号发出。
这提供了计算热阻退化的手段，而无需改变栅极驱动器的经典结构。
本发明还涉及一种用于功率半导体的控制装置，所述控制装置包括：用于在所述功率半导体的栅极/源极结或栅极/发射极结上以高于使所述功率半导体能够换向的频率的频率f1生成和注入AC电压VAC的装置；用于在功率半导体的寿命的所选时刻测量所述功率半导体的温度或热敏参数的装置；以及用于通过本发明的方法计算贯穿所述功率半导体的寿命所得的热阻变化ΔRTh的计算机装置。
在有利的实现模式中，所述热敏参数是所述功率半导体的内部栅极电阻，所述控制装置在所述AC电压VAC注入电路的源支路中包括电压感测装置。
以下将参照附图讨论本发明的示例性实施方式的详细描述。
附图说明
[图1]图1是热阻退化的功率模块组件的示例。
[图2A]图2A是热测量装置的示意图。
[图2B]图2B是热测量装置的示意图。
[图3]图3是TSEP测量电路的简化示意图。
[图4]图4是组合栅极驱动器和热阻测量电路的简化示意图。
[图5A]图5A示出图4的实施方式中的信号的波形。
[图5B]图5B示出图4的实施方式中的信号的波形。
[图5C]图5C示出另选实施方式的波形。
[图6A]图6A示出所描述的处理中使用的波形的示例。
[图6B]图6B示出所描述的处理中使用的波形的示例。
[图7A]图7A是TSEP测量实施方式的简化示意图。
[图7B]图7B是TSEP测量实施方式的简化示意图。
[图7C]图7C是TSEP测量实施方式的简化示意图。
[图8]图8是所公开的方法的实施方式的流程图。
[图9]图9是初始测量的实施方式的流程图。
具体实施方式
本发明涉及用于监测功率半导体组件或功率模块组件中功率半导体与其热沉之间的热阻以便检测这种热阻的退化的方法和装置。图1提供了诸如MOS型晶体管、IGBT、MOSFET等的功率半导体1的示意图。功率半导体组件由功率半导体1和这些元件中的至少两个的层叠组成：管芯附接层3a、由金属结构4、电绝缘结构5和另一金属结构6组成的衬底、衬底附接层3b、基板7、热界面3c和热沉8。
这种层叠的热阻的退化可能主要是由管芯附接层3a、附接层3b或热界面3c中的裂纹3k导致的，这些裂纹限制了功率半导体和热沉8之间的热流动。
在本公开中，该方法的第一实施方式使用与第一管芯附接层3a的功率半导体结处的热阻的第一端子处的直接温度测量。此实施方式的原理描绘于图2A中，并且使用连接到栅极端子G和源极或发射极端子S/E的交流电压源VAC 11和连接到计算机化计算装置13的温度传感器12，以便提供在功率模块的寿命期间在施加电压VAC之前的温度测量以及在施加这种电压并计算温差T1-T0之后的测量，以计算热阻退化ΔRTh。
AC源是低电压或低电流AC源(即，正弦或方形波形)，其特征在于峰峰电压幅度VAC介于5V至40V之间或者峰峰电流幅度IAC介于2A至10A之间，并且频率介于400kHz和8MHz之间，足以在栅极/源极或栅极/发射极结中注入电流，而无需触发或修改源极/漏极或发射极/集电极结导通。AC源可具有DC电压分量。AC源可利用通过PWM信号生成的方形波形来制造。经典栅极驱动电路可用于生成AC源。经典栅极驱动包括DC电源和放大PWM信号的推挽放大器。
图2B中示出该方法的第二实施方式，其使用基于热敏电参数(以下TSEP)的测量的间接温度测量。在此实施方式中，AC源11也连接到栅极和源极或发射极，但测量模块14(将稍后讨论)用于结合计算机化模块15测量热敏电参数以提供退化ΔRTh的测量。
图2A、图2B中植入的温度传感器12或TSEP方法块14获取与功率半导体结温有关的参数K，这种参数直接是温度T或热敏电参数以便计算热阻。
考虑结温T1和T0，可通过以下表达式来计算初始热阻，其中PR是在AC激励下内部栅极电阻耗散的功率。
在功率半导体的寿命期间以定义的间隔d进行测量，并且热阻退化可被定义为以下表达式。
因此，使PR贯穿测量保持恒定，我们得到以下表达式。
图6A和图6B示出结温Tj相对于时间的温度波形100、用于通过对栅极/发射极结施加上述AC电压VAC来加热内部栅极电阻的AC源的波形110、120。
关于温度，在功率半导体的寿命期间在第一测量M0中以及后续测量M1、...Mn中，在施加波形信号110或120之前进行Tj的直接测量以获取初始温度T0，在施加这种波形信号之后或期间进行Tj的直接测量以获取温度T1。
对于TSEP方法，施加AC电压的原理相同，但是测量依赖于响应于温度Tj的热敏参数K的幅度的测量。
在第一测量M0中，在AC源被启用之前或在结温处于平台状态101(热稳态)时的AC源的第一周期中获取与温度有关的第一参数K0，在AC源启用之后获取第二参数K1。在AC源启用之前，在功率半导体中不耗散功率，或者通过发射极和集电极之间流过的电流在功率半导体中耗散恒定功率。
在图6A中描绘的TSEP方法中，可生成通过图7A的dc电流源142和开关141由电流阶跃生成的幅度减小的电压脉冲111以获取第一个K0。K0被取为与脉冲的初始时刻对应的TSEP电压。
然后，施加AC电压VAC 110，并且耗散的功率开始加热功率半导体的内部栅极电阻，并且栅极温度100增加至特定水平102。在特定持续时间h之后，可利用脉冲112以与K0相同的方式获取与功率半导体温度T1有关的参数K1，以获得电参数。
在100μs至2秒之间选择该持续时间h，因此可识别异质结构的特定层的退化。重要的是，在该第一测量阶段期间，功率半导体不耗散由内部栅极电阻生成的损失以外的任何其它功率损失，或者在发射极或源极与集电极或漏极之间耗散恒定功率损失。
在温度测量或TSEP方法二者中，在功率半导体的初始寿命周期期间测量可重复多次，以在功率半导体的多个工作状态下在持续时间h内获得T0和T1或K0和K1的多个值。在时间间隔d1(可为例如100小时或2000小时，取决于应用)之后，在测量阶段Md1中重复测量以通过直接温度测量获得T0d1和T1d1或通过TSEP测量获得K0d1和K1d1。结温可处于与初始测量不同的平台状态。贯穿功率半导体的寿命重复测量。差分热退化测量不取决于诸如环境温度或半导体功率损失水平的外部因素。可在此阶段结束时输出总热阻的第一值或功率半导体的管芯与热沉之间的子结构之一(例如，焊料层)的热阻。根据应用需求重复此阶段，以便刷新热阻退化测量。
下面的描述涉及内部栅极电阻用作热敏电参数TSEP。内部栅极电阻是第一端子连接到功率半导体的栅极焊盘并且第二端子连接到MOS半导体型管芯的栅电极的电阻，例如IGBT或MOSFET的内部栅极电阻。
内部栅极电阻是独立于功率装置的操作点(电压、强度、频率)并且唯一取决于温度的参数。另外，内部栅极电阻可方便地位于功率半导体装置的表面或功率模块组件的表面，因此可通过内部栅极电阻中耗散的功率生成大小可控的热量。流过热阻的第一端子的热可在离散的时间间隔生成，以根据这种内部栅极电阻在功率被耗散时的温度上升提供这种电阻的变化。重要的点在于，内部栅极电阻在功率模块的寿命期间不遭受退化，因此可通过从半导体模块产品寿命开始到半导体模块寿命结束施加相同的AC电压或电流来实现通过热阻的可控功率耗散和热流，以通过电阻值的测量提供所得温度增加的测量。
因此有利地，不需要附加功率或热通量测量探针，因为内部栅极电阻所耗散的功率贯穿功率模块组件的寿命保持相同。如上所述，为了提供测量，可简单地通过使用功率半导体的可用控制端子(例如，功率半导体晶体管的栅极和源极/发射极端子)来生成热，因此测量系统不需要高电压或高电流结(集电极/发射极或漏极/源极结)的操纵。最终，可针对功率半导体的任何温度操作测量RTh退化，从而能够在线热阻退化监测。
返回图6A，基于TSEP的方法可以是通过半导体的栅极的脉冲电流110和电压测量电路的组合，以测量取决于内部栅极电阻(进而取决于结温)的电压演变。在图6A中，在施加AC电压110前后以梯形脉冲111、112进行电压测量。此实施方式可使用如图7A中公开的电流发生器来生成梯形脉冲111、112。梯形脉冲是通过图7B的等效电路注入电流阶跃信号的方形电流发生器的结果。
在根据图6B和图7C的另选实施方式中，TSEP方法可包括：使AC电压源与测量电阻器串联，并且获取测量电阻器两端的电压，这种电压取决于内部栅极电阻，进而取决于结温。然后可在信号120的第一峰值电平121和最后峰值电平123处进行测量。这种实现方式减少了RTh退化测量所需的额外装置的数量。
如将示出的，通过与结温具有线性关系的TSEP(例如，通常内部栅极电阻就是这种情况)，不需要对精确结温的初步校准以测量热阻退化。使用这种方法消除了结温传感器的需求。
在TSEP方法中，内部栅极电阻是温度敏感电参数，并且也是热源。内部栅极电阻与结温Tj的依赖性可被写成以下表达式。
Rx＝δRg·Tjx+Rg0
其中δRg是随温度的线性电阻变化，通常为0.5mΩ/℃至50mΩ/℃。Rg0是0℃下的内部栅极电阻(例如，介于0.5Ω至50Ω之间)。在权利要求2中，与功率半导体结温Tx(x＝0,1,0d,1d)有关的参数被取为Rx。因此，如通过基于TSEP的方法所测量的，Tjx与Rx成比例，Rx也与Kx或Kvx成比例。
进一步给出示例，以AC源作为RMS值为VAC的电压源。内部栅极电阻上耗散的功率PR由以下方程表示。
其中ω＝2·π·f1。
作为示例，取RTh＝(Tj1-Tj0)/PR，并且Rx与Kx或Kvx成比例。因此，可作为以下方程计算RTh。
由于构成热阻的一个或多个子结构的退化，热阻从值RTh改变为值RThd。先前定义为的热阻退化因此可被表示为以下方程。
可针对每种类型的功率半导体测量元素Lin和Cin的值。它们通常描述于功率半导体功率模块的数据表中。要注意的是，该方程不包括校准参数δR。这表明不需要TSEP校准过程来测量热阻的变化。
关于AC源的生成，图3示出可能实现方式，其中AC源利用由PWM信号21生成的方形波形、由两个电压源20a和20b组成的双极DC电源以及放大PWM信号的推挽放大器22、23完成。在这种实现方式中，当离线进行测量时或在功率半导体的非导通状态期间，可参考DC电源20a、20b以便将栅极/源极或栅极/发射极电压保持1V以下，以避免漏极/源极或发射极/集电极结的导通。
关于AC源的生成，图4示出可能实现方式，其中AC源利用具有栅极驱动器开关22、23的正37和负38极化的经典栅极驱动电路来完成。具有高频f1的三角形信号发生器31的加热PWM发生器通过比较器32与加热占空比30(通常介于0.05和0.2之间)进行比较，比较器输出生成AC信号34作为加热命令，其通过或门36与用户的控制信号33组合。
所获得的信号表示在图5A和图5B中。在图5A中示出用户的控制信号33的波形51、比较器32的输出Vheating信号32的波形52、栅极到源极/发射极半导体端子处的驱动器输出信号的波形53、栅极到源极/发射极电压Vgs或Vge的波形54以及功率Rg(在内部栅极电阻中耗散的功率)的波形55。
图5B示出图5A的放大W窗口中的相同信号，并且示出在Vcontrol 56的低逻辑期间，Vheating脉冲57提供Vdriver脉冲58，Vdriver脉冲58导致Vgs或Vge脉冲59足够窄(由加热占空比30控制)，以避免漏极/源极或发射极/集电极结的导通，从而仅允许功率半导体的内部栅极电阻中的功率耗散。此外，遵守用户的控制信号33所请求的功率半导体的截止状态。有利地，加热阶段对于用户而言是透明的。
或门替换为异或门的设计也是可能的，并且在这种情况下，如图5C中描绘的，相同的用户控制51伴随Vheating信号52以提供Vdriver信号53’，并且在Vgs 54’的正和负值处存在f1的高频脉冲串，因此在脉冲串的上部54’a提供漏源导通阶段，而在下部脉冲串54’b没有漏极/源极导通。在波形55’中，栅极电阻中耗散的功率沿着整个段耗散，但与漏极/源极结中耗散的功率保持独立。此外，用户控制信号33所请求的半导体的状态遵守开状态和关状态。可在开状态和关状态期间对加热占空比30进行调节，以便将Vgs电压保持在相应电平。有利地，加热阶段对于用户而言是透明的。
所植入的温度传感器或TSEP方法块获取与功率半导体结温有关的参数。
关于以基于TSEP的方法测量取决于内部栅极电阻(进而取决于结温)的电压演变的电压测量电路，图7A和图7C中给出测量电路的示例，而图7B是图7A的电路的等效门输入电路。
在图7A中，dc电流源142与开关141并联连接。在通过加热命令30停用AC源11的同时，开关141通过测量命令143断开，以在功率半导体的栅极/源极焊盘中注入阶跃电流波形形式的具有峰峰电流幅度Im的电流，然后直到内部栅极电阻。由于AC源被停用，所以在电流源两端测量的电压(K0和K1)是内部栅极电阻乘以注入的电流峰峰幅度Im。
图7B中示出MOS门输入阻抗的等效输入电路，其中Lin是寄生电感，R是内部栅极电阻，Cin是MOS的寄生输入电容。
在图7C中，具有值Rmeas的电阻器144连接在功率晶体管的源极/发射极与AC源11之间。栅极发射极结上作为图6B中的脉冲120的高电平VAC(介于5V至40V之间)用于加热内部栅极电阻。这些脉冲提供从Vmeas 122采样的测量电压Kv0和Kv1。在图6B的脉冲120期间，首先使用AC源的第一峰值电平121VAC来捕获Kv0值和相关栅极电阻，其计算为其中Kv0取值Vmeas 122。然后，使用最后峰值电平123来捕获Kv1值和相关栅极电阻，其计算为/> 其中Kv1取值Vmeas 124。在后续测量中使用相同过程来确定ΔRTh，如先前公式中所描述的。在此示例中，中间参数Kv0和Kv1允许获得电阻R0、R1(热敏参数)。这种实现方式减少了RTh退化测量所需的额外装置的数量。
关于AC源的频率和图7B的等效门输入电路，多个实施方式可提供优点：
通过选择频率如f1<0.33·(2·π·Cin·R)-1，热阻退化可被写成以下表达式。
该表达式可用于在功率半导体的完整温度范围内以低于5％相对的估计误差(使用诸如δR/R0<1000ppm/℃的典型值)计算热阻退化。
如该表达式中所示，仅需要测量内部栅极电阻的绝对值以确定热阻退化。因此，不需要测量或估计结温，并且不需要TSEP校准过程。
在另一实施方式中，频率f1被选为功率半导体的输入谐振频率，f1＝(2·π·Lin·Cin)-2。
因此，测量不受与电压源有关的寄生阻抗(例如寄生连接电感)的负面影响，并且与温度有关的参数的灵敏度最大限度地增加。
然后，可通过以下方程估计热阻退化。
对于等于(2*π*Lin*Cin)-2的频率，热阻退化可由以下表达式描述。
在另一实施方式中，由于当频率减小时，在内部栅极电阻中耗散较少的功率，导致对于给定VAC，温度增加较低，并且最终，RTh退化测量的信号/噪声比较低。为了保持在足够的信号/噪声比，可选择值f1，使得内部栅极电阻的信号/噪声比高于指定检测极限。在示例中，f1可为诸如f1>M·(2·π·Cin·R)-1，其中M为0.1。
热阻退化计算可在具有CPU或特定FPGA的模块13、15中进行，其具有存储器(包括程序存储器、计算存储器和存储存储器)和通信装置，并且具有足够的处理能力以获取与功率半导体结温有关的参数(例如，Tj传感器值或TSEP值)，计算差值，比较测量，并且输出热阻变化。
图8示出用于测量功率模块组件中的功率半导体与所述功率模块组件的热沉之间的热阻RTh的退化的方法的原理，其中所述功率半导体具有内部栅极电阻。
该方法包括在功率半导体寿命的初始部分中：
-在稳定操作温度下测量200与功率半导体结温101有关的第一初始参数K0，
-通过在所述功率半导体的栅极/源极结上以频率f1施加AC源的AC电压VAC 11、110、120来加热210内部栅极电阻，并且在所述加热之后测量220与结温102有关的第二初始参数K1，并且
-将第一初始参数K0和第二初始参数K1保存230在存储器中。
这允许获得初始参数(可以是温度或温度敏感电参数)的参考值。如下所述，这可多次进行以获得多个参考值。在这种初始阶段之后，该方法可包括在功率模块组件240的寿命期间在至少一个离散时间间隔d∈{d1,...,dn}之后的后续处理：
-在稳定操作温度T0d∈{T0d1,...T0dn}(101d1,...,101dn)下测量250与功率半导体结温有关的第一后续参数K0d∈{K0d1,...,K0dn}，并且
-通过在所述功率半导体的栅极/源极结上以频率f1施加AC电压VAC来加热260内部栅极电阻，并且在所述加热之后测量270与结温T1d∈{T1d1,...T1dn}(102d1,...,102dn)有关的第二后续参数K1d∈{K1d1,...,K1dn}。
这在功率半导体的寿命期间提供相同参数的测量，其允许利用与结温有关的后续参数K0d∈{K0d1,...,K0dn}和K1d∈{K1d1,...,K1dn}以及从存储器读取的初始参数K0和K1来计算热阻退化ΔRTh，其中其中/>其中/> 其中d＝d1,...,dn，并且其中PR是内部栅极电阻在所述AC电压VAC下耗散的功率。
一旦完成计算，该方法可包括比较ΔRTh与极限值ΔRThmax，并且包括在ΔRTh高于所述极限值的情况下提升故障标志310。
在ΔRTh保持在所述极限值以下的情况中，该方法包括以相同的d时间间隔或新的d时间间隔重复所述后续处理。
在示例中，d可随ΔRTh值调整，例如，如果ΔRTh低于+10％，则d间隔可增加，而如果ΔRTh增加(例如，高于+10％)，则d间隔可减小。
当故障标志提升时，可提供附加测试，例如用于通过针对栅极/源极或栅极/集电极结的加热具有不同持续时间h的测量来检测管芯与热沉之间的层中的故障位置的测试。
如上所述，当通过温度传感器进行测量时，与功率半导体结温有关的参数KXy与所述功率半导体的结温TXy成比例，其中X等于0或1，y为空或d，并且当测量是基于内部栅极电阻测量的TSEP方法时，与功率半导体结温有关的参数KXy是所述功率半导体的内部栅极电阻RXy，其中X等于0或1，y为空或d。
在特定实施方式中，后续测量可按照适于使内部栅极电阻值R0d在特定范围+/-k内等于初始内部栅极电阻R0的时间间隔进行。因此，对于任何频率f1并且误差低于5％，可估计热结电阻退化而无需功率半导体参数的任何先验知识。
例如，k为0.1*R0。
在另一实施方式中，为了避免等待特定温度以发起测量，可在功率半导体的寿命的初始部分期间构建表示温度T0(T)或电阻R0(T)的初始参数K0(T)和表示温度T1(T)或电阻R1(T)的对应初始第二参数K1(T)的表，以便当进行后续T0d或R0d和T1d或R1d测量时，取该表的最接近初始温度T0(T)或初始电阻R0(T)来计算ΔT或ΔR值并将其与初始值进行比较以确定热阻的退化。
作为这种实现方式的示例，当功率模块组件的使用低于1000小时时在各种负载和工作温度下针对这种功率半导体在操作(T)中的多个稳定结温T1...Tn构建下面的温度表T0(T)、T1(T)并将其保存在存储器中。
这种表可如下表中以温度表示。
| T0(T1) | T1(T1) |
| T0(T2) | T1(T2) |
| … | … |
| T0(Tn) | T1(Tn) |
通过这种表，在延迟d之后测量的温度T0d与最接近T0(T)进行比较，作为加热之后的温度T1d与初始T1(T)比较的基础，以便计算热阻退化。这简化了在各种负载下测试功率半导体时的测量。在示例中，可针对环境至150℃之间的温度以10℃或更好的步长构建该表。该表可在功率半导体的操作的初始1000h期间构建。
这种实施方式描绘于图9中，其中测量温度T替换为通用参数p，该处理包括对于各个p值400，测量K0(p)410，以电压VAC加热420，测量430K1(p)，并且在440中针对参数p1,...,pn的列表创建K0和K1值的表。
当创建表时，该处理返回到图8的步骤240，并且在计算280ΔRTh之前在测量250、加热260和测量270的序列之后，引入给定K0(p)和K1(p)选择p的值(例如，与K0d的差小于最小值)的步骤275。
以类似方法并且为了改进检测功率模块组件的哪一层在功率半导体的管芯与热沉之间的能力，第二表包括参考所述功率半导体与所述热沉之间的层的不同时间常数的多个加热持续时间h，并且包括针对所述加热持续时间h测量的初始第一参数K0(T,h)和第二参数K1(T,h)。在这种情况下，周期d之后的测量以表的最大h持续时间完成，并且当ΔRTh被检测为大于指定值时，进行h的值递减的测试，以检测哪一层显示出RTh的最大增加。
关于AC源，AC电压源优选DC电压分量或极化，以便最大Vge或Vgs电压值不高于功率半导体的平带电压(例如，对于图5A上的Vgs，-3V)。
因此，测量不改变功率半导体的电流开关状态，并且栅极电容Cin不取决于总线电压。有利地，可在总线电压施加在功率半导体装置的源极/漏极或发射极/集电极之间或更一般地施加在安装有功率半导体装置的功率转换器端子上的同时进行测量。
关于温度传感器的定位，应该注意的是，包括在半导体组件中的关键层很少以非均匀方式退化。例如，在一些情况下，裂纹可从层的边缘向层的中心传播，在其它情况下，层优选在最热位置(通常在半导体芯片下方的层的中心)处退化。这些退化机制与材料选择有关，并且通常是模块设计所特定的。
那么优选的是，所实现的温度传感器被定位为使得退化的发起位置在所实现的温度传感器与热沉之间的热路中，以改进测量方法的灵敏度并在模块寿命期间在早期阶段检测退化。因此，可提前通过实验室测试知道退化的传播类型。在实验室测试时，选择所实现的温度传感器的最优位置，使得退化的发起位置位于所实现的温度传感器与热沉之间的热路中。例如，当半导体芯片下方的互连层的退化是要监测的最关键的层时，当退化包括从半导体的边缘下方的位置向半导体的中心或半导体芯片的中心下方的位置传播的裂纹时，当退化在最热位置(即，半导体的中心下方的位置)处开始时，该位置可在半导体芯片的边缘处。
本发明不限于所描述的示例，在另外的实施方式中，图7C的实施方式中的串联电阻的位置可改变，因为功率半导体的栅极侧(即，管芯的边界上或管芯的中心部分中)的串联电阻可由位于管芯上的各种地方的多个串联或并联电阻制成。
Claims (17)
1.一种用于测量功率模块组件中的功率半导体与所述功率模块组件的热沉之间的热阻RTh的退化的方法，其中所述功率半导体具有内部栅极电阻，该方法包括以下步骤：
-在稳定操作温度下测量与所述功率半导体的结温有关的第一初始参数K0，
-通过在所述功率半导体的栅极/源极结上以频率f1施加AC源的AC电压VAC来加热所述内部栅极电阻，并且在所述加热之后测量与所述结温有关的第二初始参数K1，以及
-将所述第一初始参数K0和所述第二初始参数K1保存在存储器中，
所述方法包括在所述功率模块组件的寿命期间在至少一个离散时间间隔d∈{d1,...,dn}之后的以下后续处理：
-在稳定操作温度T0d∈{T0d1,...T0dn}下测量与所述功率半导体的结温有关的第一后续参数K0d∈{K0d1,...,K0dn}，
-通过在所述功率半导体的所述栅极/源极结上以频率f1施加所述AC电压VAC来加热所述内部栅极电阻，并且在所述加热之后测量与结温T1d∈{T1d1,...T1dn}有关的第二后续参数K1d∈{K1d1,...,K1dn}，
-利用与结温有关的后续参数K0d∈{K0d1,...,K0dn}和K1d∈{K1d1,...,K1dn}以及从所述存储器读取的初始参数K0和K1来计算热阻退化ΔRTh，其中其中/>其中/>其中d＝d1,...,dn，并且其中PR为所述内部栅极电阻在所述AC电压VAC下耗散的功率，
-比较ΔRTh与极限值ΔRThmax，并且
-在ΔRTh高于所述极限值的情况下提升故障标志，或者在ΔRTh保持在所述极限值以下的情况下重复所述后续处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，选择所述热阻的测量之间的时间间隔d∈{d1,...,dn}，使得第一参数K0d相对于K0保持在指定范围K0+/-k内。
3.根据权利要求1或2所述的方法，该方法包括：针对这种功率半导体在操作中的多个稳定结温T1...Tn，存储在功率半导体寿命的指定初始部分中的初始第一参数K0(T)和第二参数K1(T)的表，并且其中，针对间隔d的结束处的测量在最接近K0d(T)的规定范围内选择初始值K0(T)和K1(T)。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述功率半导体寿命的所述指定初始部分在半导体操作时间的前1000至1500小时之前。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其中，所述表包括加热持续时间h，并且其中，参考所述功率半导体与所述热沉之间的层的不同时间常数针对多个所述加热持续时间h测量第一初始参数K0(T,h)和第二初始参数K1(T,h)。
6.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述AC电压具有DC分量以将所述功率半导体的栅极对源极或发射极极化，并且所述AC电压具有低于或等于所述功率半导体的平带电压的峰值电压。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述频率f1低于所述功率半导体的近似栅极输入功率半导体电时间常数的倒数(2·π·Cin·R)-1。
8.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述频率f1被选为所述功率半导体的输入谐振频率f1＝(2·π·Lin·Cin)-2。
9.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述频率f1高于0.1·(2·π·Cin·R)-1。
10.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，与所述功率半导体的结温有关的参数KXy是所述功率半导体的所述内部栅极电阻RXy，其中X等于0或1，并且y为空或d。
11.根据权利要求10所述的方法，该方法包括：在无需施加所述AC电压的情况下，通过所述功率半导体的所述内部栅极电阻注入方形DC电流，以获取所述内部栅极电阻的信息。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，施加具有第一峰峰电平的第一AC电压Vac1以获取R0或R0d值，并且施加具有高于第一峰峰值的第二峰峰值的第二AC电压VAC以加热所述功率半导体的所述内部栅极电阻并获取R1或R1d值。
13.根据权利要求10所述的方法，该方法包括：在包括所述功率半导体的栅极/发射极或栅极/源极和所述AC源的电路中提供具有值Rmeas的电阻，注入所述AC电压VAC作为介于5V至40V之间的脉冲以加热所述内部栅极电阻，在所述AC源的第一峰值电平下测量电阻末端处的第一电压Vmeas作为第一参数Kv0并将R0值计算为在所述AC源的最后峰值电平下测量所述电阻末端处的第二电压Vmeas作为第二参数Kv1并将R1值计算为/>重复所述测量和计算以获得R0d和R1d值。
14.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，与所述功率半导体的结温有关的参数KXy是所述功率半导体的结温TXy，其中X等于0或1，y为空或d。
15.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述电压VAC从以加热信号调制的功率部件的控制信号发出。
16.一种用于功率半导体的控制装置，该控制装置包括用于在所述功率半导体的栅极/源极结或栅极/发射极结上以高于使所述功率半导体能够换向的频率的频率f1生成和注入AC电压VAC的装置、用于在所述功率半导体的寿命的所选时刻测量所述功率半导体的温度或热敏参数的装置以及用于通过前述权利要求中的任一项所述的方法贯穿所述功率半导体的寿命计算所得的热阻变化ΔRTh的计算机装置。
17.根据权利要求16所述的用于功率半导体的控制装置，其中，所述热敏参数是所述功率半导体的内部栅极电阻，所述控制装置包括在AC电压VAC注入电路的源支路中的电压感测装置。
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