CN117074894B - 基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统和方法，该系统包括：动态电参数测试系统和热反射成像系统，其中，动态电参数测试系统用于为被测器件提供多种瞬态工况，并实时采集被测器件在不同瞬态工况下电参数；热反射成像系统根据材料在不同温度下表面反射率不同，实时采集被测器件在不同瞬态工况下的表面反射率，得到不同瞬态工况下被测器件表面温度分布情况。本发明解决了硅和(超)宽禁带半导体功率器件瞬态工况下同步热电特性表征方法缺乏的问题，为揭示瞬态工况下硅和(超)宽禁带半导体功率器件在实际工作过程中的热电耦合特性及机理提供更多的过程热特性细节和事实依据。
Description
技术领域
本发明属于热电特性的测量技术领域，具体涉及一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统和方法。
背景技术
(超)宽禁带半导体功率器件目前仍处于应用的初期阶段，即在原有电力方案的基础上简单地替代硅功率器件。随着(超)宽禁带半导体功率器件产业的日趋成熟和普及，通过器件级的热电协同优化设计主动发挥其热电性能优势，并缔造出许多硅器件所不能及的新型应用场景已成为能源产业发展的必然趋势。例如，典型的高温、高功率密度应用，包括深度整合的电动汽车动力总成、多电全电飞机、移动储能充电站，以及各种散热冷却方案受到严重限制的电力应用场景。1)高热电可靠性硅和(超)宽禁带半导体功率器件将大大改变电力系统设计的格局并提升功率密度潜力，为设计工程师提供全新且广阔的拓展空间。2)功率器件设计中自热效应是一个非常重要的考虑因素，因为器件峰值温度稍有升高，就可能会导致器件性能、可靠性和平均故障时间方面的巨大损失。3)过程热特性细节和事实依据是构建(超)宽禁带半导体功率器件自洽的热电耦合模型、开展基于该模型的热电数值仿真研究和器件级热电协同优化设计的重要前提。
功率器件在瞬态工况下，如短路、浪涌等工况，更容易发生器件内部瞬态的高温聚集，进一步引发器件较早的损伤和热失控，而这一过程的物理机理和稳态工况下的不尽相同，目前针对(超)宽禁带半导体功率器件瞬态工况下热电特性的表征手段还远不完善，使其热电耦合机理研究、热电协同设计和热管理技术研究受到严重阻碍。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统和方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统，包括：动态电参数测试系统和热反射成像系统，其中，
所述动态电参数测试系统用于为被测器件提供多种瞬态工况，并实时采集所述被测器件在不同瞬态工况下电参数；
所述热反射成像系统根据材料在不同温度下表面反射率不同，实时采集所述被测器件在不同瞬态工况下的表面反射率，得到不同瞬态工况下、不同时刻对应的所述被测器件的表面实时温度和温度分布情况。
在本发明的一个实施例中，所述瞬态工况包括：开关瞬态、反向恢复瞬态、导通瞬态、短路瞬态和浪涌瞬态。
在本发明的一个实施例中，所述动态电参数测试系统包括：瞬态工况电路模块和测量模块，其中，
所述瞬态工况电路模块与所述热反射成像系统和所述被测器件连接，响应于接收到所述热反射成像系统的器件偏置信号，为所述被测器件提供瞬态工况；
所述测量模块包括示波器、电压测量探头和电流测量探头，用于实时测量所述被测器件的电压、电流以及所述热反射成像系统的发出信号。
在本发明的一个实施例中，所述热反射成像系统包括，信号产生模块、CCD模块、LED光源模块和数据处理模块，其中，
所述信号产生模块，用于产生器件偏置信号、CCD信号和LED脉冲信号；
响应于接收到所述器件偏置信号，所述动态电参数测试系统控制所述被测器件工作在瞬态工况下，同时实时测量所述被测器件的电压和电流；
响应于接收到所述LED脉冲信号，所述LED光源模块发出测量光波聚焦至所述被测器件表面；
响应于接收到所述CCD信号，所述CCD模块采集所述被测器件的表面反射的光数据，将采集的光数据发送至所述数据处理模块；
所述数据处理模块对所述光数据进行处理，得到所述被测器件的表面实时温度分布图像。
本发明提供了一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征方法，适用于上述任一项实施例所述的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统，包括：
根据器件偏置信号，动态电参数测试系统控制被测器件工作在瞬态工况，实时测量所述被测器件在瞬态工况下的电参数；
根据LED脉冲信号，热反射成像系统将测量光波聚焦至工作在瞬态工况下的所述被测器件的表面；
根据CCD信号，热反射成像系统采集所述被测器件的表面反射的光数据，对采集的光数据进行处理后得到所述被测器件的表面实时温度和温度分布图像。
在本发明的一个实施例中，所述电参数包括所述被测器件工作在瞬态工况下的电压和电流。
在本发明的一个实施例中，通过调整所述器件偏置信号和所述LED脉冲信号的时序关系，以实现在瞬态工况下对所述被测器件的表面温度及温度分布的实时测量。
在本发明的一个实施例中，所述测量光波的波长为：365nm、470nm、530nm、780nm或1050nm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统和方法，解决了硅和(超)宽禁带半导体功率器件瞬态工况下同步热电特性表征方法缺乏的问题。通过热反射成像系统和动态电参数测试系统的互联，更好的用来表征器件瞬态工况下的金属表面温度变化、温度分布和峰值温度点的情况；
2.本发明的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统和方法，采用基于光学热表征的温度测量方法将主要热源区域的横向测量精度控制在200～800nm，能够满足功率器件主要热源区热特性细节的高精度测量，解决了热敏电参数法等瞬态工况下热特性测量方法的测量误差大、测量精度不高的问题，热反射成像系统和动态电参数测试系统相互独立工作，不受彼此影响。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统的测试原理框图；
图2是本发明实施例提供的一种基于热反射成像技术的瞬态热电特性测量的时序图；
图3是本发明实施例提供的一种浪涌测试电路原理图；
图4是本发明实施例提供的一种浪涌电流波形图；
图5是本发明实施例提供的一种Ga2O3 SBD浪涌瞬态热电特性测量装置实物图；
图6是本发明实施例提供的一种Ga2O3 SBD浪涌瞬态热电特性测量温度波形图；
图7是本发明实施例提供的一种双脉冲测试电路原理图；
图8是本发明实施例提供的一种短路测试电路原理图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统和方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
第一方面，请结合参见图1所示的本发明实施例提供的一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统的测试原理框图。本实施例提供了一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统，包括：动态电参数测试系统和热反射成像系统，其中，动态电参数测试系统用于为被测器件提供多种瞬态工况，并实时采集被测器件在不同瞬态工况下电参数；热反射成像系统根据材料在不同温度下表面反射率不同，实时采集被测器件在不同瞬态工况下的表面反射率，得到不同瞬态工况下、不同时刻所对应的被测器件表面的实时温度和温度分布情况。
在一个可选地实施方式中，瞬态工况包括：开关瞬态、反向恢复瞬态、导通瞬态、短路瞬态和浪涌瞬态等电力电子应用中器件所经历的各种瞬态电气场景。
在一个可选的实施方式中，动态电参数测试系统包括：瞬态工况电路模块和测量模块，其中，瞬态工况电路模块与热反射成像系统连接，热反射成像系统发出的器件偏置信号为瞬态工况电路模块提供瞬态工况的开关触发信号。响应于接收到器件偏置信号，瞬态工况电路模块为被测器件提供瞬态工况；测量模块包括示波器、电压测量探头和电流测量探头等电信号测量装置，用于实时测量被测器件的电压和电流和所述热反射成像系统的发出信号。
可选地，瞬态工况电路模块可以由不同的电器电路组成，为被测器件提供不同的瞬态工况应力，示例性地，可采用如图3、图7和图8所示的浪涌测试电路原理图、双脉冲测试电路原理图和短路测试电路原理图。
在一个可选地实施方式中，热反射成像系统包括，信号产生模块、CCD(chargecoupled device，电荷耦合器件)模块、LED光源模块和数据处理模块。
其中，信号产生模块用于产生器件偏置信号、CCD信号和LED脉冲信号；响应于接收到器件偏置信号，动态电参数测试系统控制被测器件工作在瞬态工况下，同时实时测量被测器件的电压和电流；响应于接收到LED脉冲信号，LED光源模块发出测量光波聚焦到被测器件表面；响应于接收到CCD信号，CCD模块采集被测器件的表面反射光数据，将采集的光数据发送至数据处理模块；数据处理模块对光数据进行处理，得到被测器件的表面实时温度和温度分布图像。
在本实施例中，热反射成像系统测温是基于光学热表征的温度测量方法，材料在不同温度下，表面反射率不同，通过实时采集被测器件检测区域反射光的变化，结合已知的材料的热反射系数Cth来表征待测区域表面温度提升，从而实现对功率器件瞬态工况下不同区域的温度分布和峰值温度点的表征，其中，表征待测区域表面温度提升的计算公式如下：
式中，ΔT为温度变化，为光强度变化，Cth为材料的热反射系数。
需要说明的是，所选用的测量光波的波长应取决于被表征区域材料。可选地，可以使用不同波长的测量光波来表征器件表面金属温度，如：365nm、470nm、530nm、780nm或1050nm等。
本实施例的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统，通过动态电参数测试系统为被测器件提供多种瞬态工况，而且实现了被测器件在不同瞬态工况下电参数的实时采集，同时通过热反射成像系统对瞬态工况下的被测器件的表面温度图进行实时测量，从而实现率器件在瞬态工况下热电特性的同步测量表征。
第二方面，本实施例还提供了一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征方法，适用于第一方面所述的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统。该方法包括：
步骤1：根据器件偏置信号，动态电参数测试系统控制被测器件工作在瞬态工况，实时测量被测器件在瞬态工况下的电参数；
其中，电参数包括所述被测器件工作在瞬态工况下的电压和电流。
步骤2：根据LED脉冲信号，热反射成像系统将测量光波聚焦至工作在瞬态工况下的被测器件的表面；
步骤3：热反射成像系统采集被测器件的表面反射的光数据，数据处理模块对采集的光数据进行处理后得到被测器件的表面实时温度和温度分布图像。
在本实施例中，通过调整器件偏置信号和LED脉冲信号的时序关系，可以实现在瞬态工况下所述被测器件的表面温度及温度分布的实时测量。
需要说明的是，在实际测量过程中，需要通过对被测器件进行多次测量，以获取多个测量周期的瞬态工况热电特性，提升测量精度，在相邻两个测量周期之间需要预留一定的关断时间，使被测器件冷却至初始温度后，再进行下一个周期的测量。
进一步地，以浪涌瞬态为例对本发明的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统和方法进行说明。
请结合参见图3、图4、图5和图6，图3是本发明实施例提供的一种浪涌电路原理图，图4是本发明实施例提供的一种浪涌电流波形图，图5是本发明实例提供的一种测量Ga2O3SBD装置图，图6是本发明实施例提供的一种Ga2O3 SBD浪涌瞬态热电特性测量温度波形图，具体的图6中11波形是Ga2O3 SBD肖特基表面区域的引线键合区在浪涌瞬态工况下实测温度变化情况，12波形、13波形分别为Ga2O3 SBD肖特基表面1区域和Ga2O3SBD肖特基表面2区域在浪涌瞬态工况下实测温度变化情况。本实施例中的动态电参数测试系统为浪涌电测试系统，在本实施例中，浪涌电测试系统通过如图3所示的电路结构为被测器件(图中的DUT器件)提供浪涌瞬态工况，其中浪涌电流如图4所示的半正弦的脉冲电流，在本实施例中，通过在Ga2O3 SBD器件的测量端外接的电压探头和电流探头以及示波器，实时测量Ga2O3 SBD器件的电压和浪涌电流的电参数变化情况。
请参见图2所示的本发明实施例提供的一种基于热反射成像技术的瞬态热电特性测量的时序图，本实施例的热反射成像系统(图1中所示的TTI测量系统)产生三个信号，包括器件偏置信号、CCD信号和LED脉冲信号。其中，CCD信号控制CCD模块开启，以采集被测器件的表面反射的光数据，从而获得被测器件表面的实时温度分布情况。器件偏置信号作为动态电参数测试系统的开关触发信号控制被测器件工作在相应的瞬态工况下。在本实例中，浪涌电测试系统响应于接收到器件偏置信号，使被测器件工作在瞬态浪涌工况下产生自热从而使器件温度发生变化。LED脉冲信号控制LED光源模块的开关，以提供不同时间点聚焦于被测器件表面的测量光波，热反射成像系统通过收集反射光波的变化并基于公式(1)计算出器件的实时表面温度变化情况。
在本实施例中，将器件偏置信号作为激励输入至浪涌电测试系统中的被测器件的驱动端，通过调节LED脉冲信号本身的脉冲检测频率、以及与浪涌电测试系统中器件开启伊始之间的延迟，即可实现相应瞬态工况下不同时间点、被测器件表面温度实时采集；同时，浪涌电测试系统实时记录器件在每个瞬态工况下的电流、电压等电参数的变化情况。从而实现对(超)宽禁带半导体功率器件在瞬态工况下热电特性的同步测量表征。
如图2所示，器件偏置信号作为激励输入给动态电参数测试系统(即，浪涌电测试系统)中的被测器件驱动端，浪涌电测试系统收到驱动信号后，产生一个10ms的半正弦的脉冲电流信号使被测器件导通，器件产生自热表面温度发生变化，电压信号为被测器件在导通时间内的电压变化情况。在器件偏置信号发出后，通过调整LED脉冲信号的开关频率和占空比，实时采集每个LED脉冲信号下被测器件温度的变化情况。
其中，第一次脉冲(图2中的第一个脉冲)记录的是被测器件温度上升伊始的初始温度，测量结果为t1时刻器件的伊始温度T1，每个导通周期内的最后一个LED脉冲(图2中的第二个脉冲)记录的是器件在经历一个10ms半正弦脉冲电流后的温度，记录为t2时刻器件峰值温度T2。每个测量周期之间需要预留一定的关断时间(Toff)，使被测器件冷却至初始温度T1，才能进行下一个周期的测量。
在本实施例中，使用示波器对CCD信号、LED信号、器件偏置信号、待测器件的电压、电流信号进行收集校准，以提高测试精度。
在本实施例中，通过调整LED脉冲信号的开关频率和占空比，在一个测量周期内，获取多个时刻下的器件的表面温度。
本发明实施例的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统和方法，采用基于光学热表征的温度测量方法将主要热源区域的横向测量精度控制在200～800nm，能够满足功率器件主要热源区热特性细节的高精度测量，解决了热敏电参数法等瞬态工况下热特性测量方法的测量误差问题，热反射成像系统和动态电参数测试系统相互独立工作，不受彼此影响。
应当说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统，其特征在于，包括：动态电参数测试系统和热反射成像系统，其中，所述动态电参数测试系统与所述热反射成像系统连接；
所述动态电参数测试系统用于为被测器件提供多种瞬态工况，并实时采集所述被测器件在不同瞬态工况下电参数；
所述热反射成像系统根据材料在不同温度下表面反射率不同，实时采集所述被测器件在不同瞬态工况下的表面反射率，得到不同瞬态工况下、不同时刻对应的所述被测器件的表面实时温度和温度分布情况；
所述热反射成像系统包括，信号产生模块、CCD模块、LED光源模块和数据处理模块，其中，所述信号产生模块，用于产生器件偏置信号、CCD信号和LED脉冲信号；响应于接收到所述器件偏置信号，所述动态电参数测试系统控制所述被测器件工作在瞬态工况下，同时实时测量所述被测器件的电压和电流；响应于接收到所述LED脉冲信号，所述LED光源模块发出测量光波聚焦至所述被测器件表面；响应于接收到所述CCD信号，所述CCD模块采集所述被测器件的表面反射的光数据，将采集的光数据发送至所述数据处理模块；所述数据处理模块对所述光数据进行处理，得到所述被测器件的表面实时温度分布图像。
2.根据权利要求1所述的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统，其特征在于，所述瞬态工况包括：开关瞬态、反向恢复瞬态、导通瞬态、短路瞬态和浪涌瞬态。
3.根据权利要求2所述的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统，其特征在于，所述动态电参数测试系统包括：瞬态工况电路模块和测量模块，其中，
所述瞬态工况电路模块与所述热反射成像系统和所述被测器件连接，响应于接收到所述热反射成像系统的器件偏置信号，为所述被测器件提供瞬态工况；
所述测量模块包括示波器、电压测量探头和电流测量探头，用于实时测量所述被测器件的电压、电流以及所述热反射成像系统的发出信号。
4.一种基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征方法，其特征在于，适用于权利要求1-3任一项所述的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征系统，包括：
根据器件偏置信号，动态电参数测试系统控制被测器件工作在瞬态工况，实时测量所述被测器件在瞬态工况下的电参数；
根据LED脉冲信号，热反射成像系统将测量光波聚焦至工作在瞬态工况下的所述被测器件的表面；
根据CCD信号，热反射成像系统采集所述被测器件的表面反射的光数据，对采集的光数据进行处理后得到所述被测器件的表面实时温度和温度分布图像。
5.根据权利要求4所述的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征方法，其特征在于，所述电参数包括所述被测器件工作在瞬态工况下的电压和电流。
6.根据权利要求4所述的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征方法，其特征在于，通过调整所述器件偏置信号和所述LED脉冲信号的时序关系，以实现在瞬态工况下对所述被测器件的表面温度及温度分布的实时测量。
7.根据权利要求4所述的基于热反射成像技术的瞬态工况热电特性表征方法，其特征在于，所述测量光波的波长为：365nm、470nm、530nm、780nm或1050nm。
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