JP5911450B2 - Power semiconductor device temperature characteristic calculation device - Google Patents
Power semiconductor device temperature characteristic calculation device Download PDFInfo
- Publication number
- JP5911450B2 JP5911450B2 JP2013113662A JP2013113662A JP5911450B2 JP 5911450 B2 JP5911450 B2 JP 5911450B2 JP 2013113662 A JP2013113662 A JP 2013113662A JP 2013113662 A JP2013113662 A JP 2013113662A JP 5911450 B2 JP5911450 B2 JP 5911450B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- temperature
- semiconductor device
- power semiconductor
- voltage
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims description 89
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 title claims description 28
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 45
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims description 25
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 12
- 238000012886 linear function Methods 0.000 claims description 7
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 5
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 4
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000012790 confirmation Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Description
本発明は、大電流を扱うＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）などのパワー半導体デバイスについて、その温度特性を求めるための温度特性演算装置に関する。 The present invention relates to a temperature characteristic calculation device for obtaining temperature characteristics of power semiconductor devices such as MOSFET (field effect transistor) and IGBT (insulated gate bipolar transistor) that handle a large current.
パワーサイクル試験では、パワー半導体デバイスの信頼性評価のために大きなストレス電流の印加を行う。この試験では、パワー半導体内接合部（ジャンクション）の温度が一定となるように加熱と冷却を行う。この場合に、接合部温度を求めるには、ゲート‐ソース間電圧Ｖgs（ＦＥＴの場合）またはコレクタ‐エミッタ間電圧Ｖce（ＩＧＢＴの場合）についての温度特性をあらかじめ計測しておく必要がある。これに用いられるのが温度特性演算装置である。 In the power cycle test, a large stress current is applied to evaluate the reliability of the power semiconductor device. In this test, heating and cooling are performed so that the temperature of the power semiconductor junction (junction) is constant. In this case, in order to obtain the junction temperature, it is necessary to measure in advance the temperature characteristics of the gate-source voltage Vgs (in the case of FET) or the collector-emitter voltage Vce (in the case of IGBT). A temperature characteristic calculation device is used for this.
図５は従来の温度特性演算装置を示す。直流電源回路２１に電界効果型のトランジスタ２２とシャント抵抗を用いた電流検出回路２３が接続されている。電流検出回路２３による検出電流は差動アンプ２４によって検出電圧のかたちに変換され、誤差アンプ２５の反転入力端子（−）に入力される。誤差アンプ２５の非反転入力端子（＋）にはコントローラ２６から目標値の設定電圧が印加される。これで、トランジスタ２２、電流検出回路２３、差動アンプ２４、誤差アンプ２５のループでフィードバック系が形成されている。トランジスタ２２のゲート端子、ソース端子を接続する端子間電圧計測回路２７は、コントローラ２６に対してゲート‐ソース間電圧Ｖgsを送出するようになっている。
FIG. 5 shows a conventional temperature characteristic calculation device. A
トランジスタの温度特性を計測するには、ドレイン電流Ｉｄが規定の微小電流（０．１ｍＡ〜１０ｍＡ）になるように、トランジスタのゲート電圧を制御する。また、恒温設備を用いてパワー半導体デバイスの温度を所定値になるように管理する。トランジスタの温度特性演算の精度を上げるには、トランジスタの接合部温度を温度特性演算での指標となる第１、第２の基準温度に正確に保つ必要がある。例えば、第１の基準温度Ｔ１は２５℃とされ、第２の基準温度は９０℃とされる。 In order to measure the temperature characteristics of the transistor, the gate voltage of the transistor is controlled so that the drain current Id becomes a specified minute current (0.1 mA to 10 mA). In addition, the temperature of the power semiconductor device is managed to be a predetermined value using a constant temperature facility. In order to increase the accuracy of the temperature characteristic calculation of the transistor, it is necessary to accurately maintain the junction temperature of the transistor at the first and second reference temperatures that are indices in the temperature characteristic calculation. For example, the first reference temperature T1 is 25 ° C., and the second reference temperature is 90 ° C.
従来、トランジスタの接合部温度を正確に第１の基準温度または第２の基準温度に保つために恒温槽や温度プレートのような外的な恒温設備を用いていた。すなわち、被試験体であるパワー半導体デバイスの温度特性を求めるに際して、パワー半導体デバイスの温度を温度特性演算指標の基準温度（第１と第２の２つがある）に正確に保持する必要があり、そのために恒温槽や温度プレートなどの特殊な恒温化設備を必要としており、装置設備が大掛かりで設備費の高騰を招いていた。 Conventionally, an external thermostatic device such as a thermostatic bath or a temperature plate has been used to accurately maintain the junction temperature of the transistor at the first reference temperature or the second reference temperature. That is, when determining the temperature characteristics of the power semiconductor device that is a device under test, it is necessary to accurately maintain the temperature of the power semiconductor device at the reference temperature of the temperature characteristic calculation index (the first and second are two), For this purpose, special thermostatic equipment such as a thermostatic bath and a temperature plate is required, and the equipment is large and the equipment cost is soaring.
本発明は、このような事情に鑑みて創作したものであり、恒温槽や温度プレートなどの大掛かりで設備費の高い特殊な恒温化設備を用いなくても、パワー半導体デバイスの温度特性を高精度かつ容易に求めることができる温度特性演算装置を提供することを目的としている。 The present invention was created in view of such circumstances, and the temperature characteristics of the power semiconductor device are highly accurate without using a large-scale and high-cost equipment such as a thermostat or temperature plate. Another object of the present invention is to provide a temperature characteristic calculation device that can be easily obtained.
上記の課題を解決するため、本発明は次の手段を講じる。 In order to solve the above problems, the present invention takes the following measures.
本発明によるパワー半導体デバイスの温度特性演算装置は、
被試験体としてのパワー半導体デバイスに直流電流を供給する直流電源回路と、
前記パワー半導体デバイスが前記直流電源回路に接続される主回路において、この主回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路による検出電流に対応した検出電圧を目標電圧と比較し、その偏差を最小化するように前記パワー半導体デバイスの制御端子を駆動制御するフィードバック回路と、
前記パワー半導体デバイスの温度を検出する温度センサと、
前記パワー半導体デバイスにおいて温度特性に関係する端子間電圧を計測する端子間電圧計測回路と、
前記温度センサによる検出温度と前記端子間電圧計測回路による計測端子間電圧とに基づいて前記フィードバック回路を制御するもので、前記検出温度が温度特性演算指標の第１の基準温度に到達した時点および第２の基準温度に到達した時点でそれぞれ、前記計測端子間電圧の値を前記検出温度の値とセットで取得し、これら２組の検出温度値・計測端子間電圧値に基づいて、温度‐端子間電圧相互関係の温度特性を求める演算制御回路とを備えている。
The temperature characteristic calculation device for a power semiconductor device according to the present invention is:
A DC power supply circuit for supplying a DC current to a power semiconductor device as a device under test;
In a main circuit in which the power semiconductor device is connected to the DC power supply circuit, a current detection circuit that detects a current flowing in the main circuit;
A feedback circuit for driving and controlling the control terminal of the power semiconductor device so as to minimize the deviation by comparing a detection voltage corresponding to a detection current by the current detection circuit with a target voltage;
A temperature sensor for detecting a temperature of the power semiconductor device;
An inter-terminal voltage measurement circuit for measuring an inter-terminal voltage related to temperature characteristics in the power semiconductor device;
Controlling the feedback circuit based on a temperature detected by the temperature sensor and an inter-terminal voltage measured by the inter-terminal voltage measuring circuit, and when the detected temperature reaches a first reference temperature of a temperature characteristic calculation index; and When the second reference temperature is reached, the value of the voltage between the measurement terminals is obtained as a set together with the value of the detected temperature, and based on these two sets of detected temperature value and voltage value between the measurement terminals, And an arithmetic control circuit for obtaining a temperature characteristic of the inter-terminal voltage correlation.
上記の構成においては、温度センサで得られる検出温度が温度特性演算指標の基準温度に向かって近づくように、パワー半導体デバイスに流す電流を制御しつつパワー半導体デバイスの加熱制御を行う。そして、検出温度が基準温度に到達したときに加熱のための電流を遮断した上で、温度特性計測のもとになる端子間電圧を取得する。 In the above configuration, heating control of the power semiconductor device is performed while controlling the current flowing through the power semiconductor device so that the detected temperature obtained by the temperature sensor approaches the reference temperature of the temperature characteristic calculation index. Then, when the detected temperature reaches the reference temperature, the current for heating is interrupted, and then the terminal voltage that is the basis of the temperature characteristic measurement is acquired.
直流電源回路は被試験体であるパワー半導体デバイスに駆動電力を供給する。パワー半導体デバイスを直流電源回路に接続する主回路では、電流検出回路によってパワー半導体デバイスを流れる電流を検出する。その検出電流は検出電圧のかたちでフィードバック回路に与えられる。フィードバック回路では検出電圧を目標電圧と比較し、その偏差をもってパワー半導体デバイスの制御端子を駆動制御する。駆動されるパワー半導体デバイスは、時間経過とともに温度上昇してゆく。パワー半導体デバイスの温度はパワー半導体デバイスの直近に配置した温度センサによって継続的（連続的または断続的）に検出される。その温度センサによるパワー半導体デバイスの検出温度は、被試験体であるパワー半導体デバイスについて求めようとする温度特性演算に関する指標となる第１の基準温度と継続的に比較される。検出温度が第１の基準温度に到達した時点でパワー半導体デバイスの温度特性に関係する端子間電圧を計測する。これで第１の計測ポイントでの温度データと端子間電圧データとのセットとしての（第１の基準温度、第１の端子間電圧）＝（Ｔ１，Ｖ１）のデータが得られる。同様のことを第２の計測ポイントについても行う。すなわち、検出温度が第２の基準温度に到達した時点でパワー半導体デバイスの温度特性に関係する端子間電圧を計測する。これで第２の計測ポイントでの温度データと端子間電圧データとのセットとしての（第２の基準温度、第２の端子間電圧）＝（Ｔ２，Ｖ２）のデータが得られる。これらの２つの計測データ（Ｔ１，Ｖ１）および（Ｔ２，Ｖ２）が得られると、温度特性を同定するための係数が確定する。したがって、２つの計測データ（Ｔ１，Ｖ１）および（Ｔ２，Ｖ２）に基づいて温度特性を同定するための係数を算出し、温度特性を確定する。 The DC power supply circuit supplies driving power to a power semiconductor device which is a device under test. In the main circuit that connects the power semiconductor device to the DC power supply circuit, the current flowing through the power semiconductor device is detected by the current detection circuit. The detected current is given to the feedback circuit in the form of a detected voltage. In the feedback circuit, the detected voltage is compared with the target voltage, and the control terminal of the power semiconductor device is driven and controlled with the deviation. The driven power semiconductor device rises in temperature with time. The temperature of the power semiconductor device is detected continuously (continuously or intermittently) by a temperature sensor disposed in the immediate vicinity of the power semiconductor device. The detected temperature of the power semiconductor device by the temperature sensor is continuously compared with a first reference temperature that serves as an index for temperature characteristic calculation to be obtained for the power semiconductor device that is the device under test. When the detected temperature reaches the first reference temperature, the terminal voltage related to the temperature characteristic of the power semiconductor device is measured. Thus, (first reference temperature, first inter-terminal voltage) = (T1, V1) data as a set of temperature data and inter-terminal voltage data at the first measurement point is obtained. The same is done for the second measurement point. That is, the inter-terminal voltage related to the temperature characteristic of the power semiconductor device is measured when the detected temperature reaches the second reference temperature. Thus, data of (second reference temperature, second inter-terminal voltage) = (T2, V2) as a set of temperature data and inter-terminal voltage data at the second measurement point is obtained. When these two measurement data (T1, V1) and (T2, V2) are obtained, a coefficient for identifying the temperature characteristic is determined. Therefore, a coefficient for identifying the temperature characteristic is calculated based on the two measurement data (T1, V1) and (T2, V2), and the temperature characteristic is determined.
以上において、温度の監視につき、本発明ではパワー半導体デバイスに対するフィードバック回路にパワー半導体デバイスの検出温度を組み込んだ形態をとっている。それゆえに、従来例で必要としていた恒温槽や温度プレートのような外的な恒温設備についてこれを省略することが可能となっている。 As described above, for temperature monitoring, the present invention takes a form in which the detected temperature of the power semiconductor device is incorporated in the feedback circuit for the power semiconductor device. Therefore, it is possible to omit this for external temperature-controlled equipment such as a temperature-controlled bath and a temperature plate required in the conventional example.
上記の構成における本発明の好ましい一態様として、前記の温度センサがパワー半導体デバイスに接合された放熱器に取り付けられているという態様がある。パワー半導体デバイスは大電流を流す関係で発熱量が大きいことから、一般的に放熱器を接合している。この放熱器に温度センサを取り付けておけば、パワー半導体デバイスの温度を精度高く検出することができる。 As a preferable aspect of the present invention in the above configuration, there is an aspect in which the temperature sensor is attached to a radiator bonded to a power semiconductor device. Since a power semiconductor device generates a large amount of heat due to the flow of a large current, a radiator is generally joined. If a temperature sensor is attached to this radiator, the temperature of the power semiconductor device can be detected with high accuracy.
また別の態様として、前記の演算制御回路については、温度‐端子間電圧相互関係の温度特性として一次関数の傾きを表す係数と切片とを算出するようにするのが好ましい。 As another aspect, the arithmetic control circuit preferably calculates a coefficient representing the slope of a linear function and an intercept as temperature characteristics of the temperature-terminal voltage correlation.
上記の構成において、前記のパワー半導体デバイスがＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である場合に、端子間電圧計測回路の温度特性に関係する端子間電圧をゲート‐ソース間電圧とするのが好ましい態様である。 In the above configuration, when the power semiconductor device is an FET (field effect transistor), it is preferable that the terminal-to-terminal voltage related to the temperature characteristics of the terminal-to-terminal voltage measurement circuit is the gate-source voltage. .
あるいは、前記のパワー半導体デバイスがＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である場合に、端子間電圧計測回路の温度特性に関係する端子間電圧をコレクタ‐エミッタ間電圧とするのでもよい。 Alternatively, when the power semiconductor device is an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor), the terminal-to-terminal voltage related to the temperature characteristics of the terminal-to-terminal voltage measurement circuit may be used as the collector-emitter voltage.
本発明によれば、恒温槽や温度プレートなどの大掛かりで設備費の高い特殊な恒温化設備を用いなくても、パワー半導体デバイスの温度特性を高精度かつ容易に求めることができる。 According to the present invention, the temperature characteristics of the power semiconductor device can be obtained with high accuracy and easily without using a large-scale, constant temperature equipment such as a thermostatic bath or a temperature plate, which has a large equipment cost.
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は本発明の実施形態におけるパワー半導体デバイスがＦＥＴの場合の温度特性演算装置の構成を示す回路図である。図１において、１は汎用型の定電圧／定電流モード電源装置（ＣＶ／ＣＣ電源）からなる直流電源回路、２は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）よりなるパワー半導体デバイス、３はシャント抵抗からなる電流検出回路、４は差動アンプ、５は演算制御回路（コントローラ）、６はＤ／Ａコンバータ、７は誤差アンプ、８は端子間電圧計測回路、９は熱電対などの温度センサ、１０は温度計測アンプ、１１は差動アンプ４、Ｄ／Ａコンバータ６および誤差アンプ７からなるフィードバック回路である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a temperature characteristic calculation apparatus when a power semiconductor device according to an embodiment of the present invention is an FET. In FIG. 1, 1 is a DC power supply circuit comprising a general-purpose constant voltage / constant current mode power supply (CV / CC power supply), 2 is a power semiconductor device comprising a field effect transistor (FET), and 3 is a current comprising a shunt resistor. Detection circuit, 4 is a differential amplifier, 5 is an arithmetic control circuit (controller), 6 is a D / A converter, 7 is an error amplifier, 8 is a voltage measurement circuit between terminals, 9 is a temperature sensor such as a thermocouple, 10 is a temperature
直流電源回路１の正極負極間にパワー半導体デバイス２と電流検出回路３が接続されている。すなわち、パワー半導体デバイス２のドレイン端子Ｄが直流電源回路１の正極に接続され、パワー半導体デバイス２のソース端子Ｓが電流検出回路３の一端に接続され、電流検出回路３の他端が直流電源回路１の負極に接続されている。電流検出回路３であるシャント抵抗の両端が差動アンプ４の非反転入力端子（＋）と反転入力端子（−）とに接続され、差動アンプ４の出力端子が誤差アンプ７の反転入力端子（−）に接続されている。演算制御回路５の出力端子が信号ラインＳｇ１を介してＤ／Ａコンバータ６の入力端子に接続され、Ｄ／Ａコンバータ６の出力端子が誤差アンプ７の非反転入力端子（＋）に接続され、誤差アンプ７の出力端子がパワー半導体デバイス２のゲート端子Ｇに接続されている。演算制御回路５の別の出力端子が信号ラインＳｇ２を介して直流電源回路１の入力端子に接続されている。演算制御回路５は直流電源回路１を定電流モードと定電圧モードとに切り替えできるようになっている。端子間電圧計測回路８はパワー半導体デバイス２の各端子と接続されている。すなわち、端子間電圧計測回路８は第１の差動アンプ８ａと第２の差動アンプ８ｂとを有し、第１の差動アンプ８ａの非反転入力端子（＋）がパワー半導体デバイス２のドレイン端子Ｄに接続され、その反転入力端子（−）がソース端子Ｓに接続され、第２の差動アンプ８ｂの非反転入力端子（＋）がゲート端子Ｇに接続され、その反転入力端子（−）がソース端子Ｓに接続されている。第１の差動アンプ８ａの出力端子はドレイン‐ソース間電圧Ｖdsを演算制御回路５へ送出し、第２の差動アンプ８ｂの出力端子はゲート‐ソース間電圧Ｖgsを演算制御回路５へ送出するようになっている。端子間電圧計測回路８と演算制御回路５とは信号ラインＳｇ３を介して接続されている。
A
そして、パワー半導体デバイス２の直近に熱電対（サーモカップル）などの温度センサ９が配置され、この温度センサ９が温度計測アンプ１０および信号ラインＳｇ４を介して演算制御回路５に接続されている。
A
図２に示すように、温度センサ９はパワー半導体デバイス２に接合されている放熱器（放熱フィン）１２に取り付けられている。図中、１３はパワー半導体デバイス２を被覆保護する樹脂モールドである。
As shown in FIG. 2, the
次に、上記のように構成された温度特性演算装置の動作を説明する。 Next, the operation of the temperature characteristic calculation apparatus configured as described above will be described.
まず、パワー半導体デバイス２がＦＥＴ（電界効果トランジスタ）の場合の動作を説明する。
First, the operation when the
（１）パワー半導体デバイス２の加熱に必要な電力を求める。この電力は、パワー半導体デバイス２に流すドレイン電流Ｉｄと、パワー半導体デバイス２のドレイン端子Ｄ‐ソース端子Ｓ間に印加する電圧Ｖdsとの積（Ｉｄ×Ｖds）によって決まる。
(1) The electric power required for heating the
（２）演算制御回路５は直流電源回路１に対してドレイン‐ソース間電圧Ｖdsの設定を行い、直流電源回路１の出力を開始する。 (2) The arithmetic control circuit 5 sets the drain-source voltage Vds for the DC power supply circuit 1 and starts output of the DC power supply circuit 1.
（３）演算制御回路５はドレイン電流Ｉｄに相当する目標電圧ＶｏをＤ／Ａコンバータ６に設定する。Ｄ／Ａコンバータ６はその目標電圧Ｖｏを誤差アンプ７の非反転入力端子（＋）に出力する。 (3) The arithmetic control circuit 5 sets the target voltage Vo corresponding to the drain current Id in the D / A converter 6. The D / A converter 6 outputs the target voltage Vo to the non-inverting input terminal (+) of the error amplifier 7.
（４）電流検出回路３を構成するシャント抵抗に流れるドレイン電流Ｉｄとシャント抵抗値Ｒshと差動アンプ４のゲインＧとの積の電圧Ｖａ（＝Ｉｄ×Ｒsh×Ｇ）が誤差アンプ７の反転入力端子（−）に印加される。誤差アンプ７、パワー半導体デバイス２、電流検出回路３および差動アンプ４のフィードバックループでは、電圧Ｖａがドレイン電流Ｉｄについての目標電圧Ｖｏに等しくなるように制御が行われる。この条件（Ｖａ＝Ｖｏ）の下で回路が安定化する。このとき、被試験体としてのパワー半導体デバイス２にはドレイン‐ソース間電圧Ｖdsが印加され、さらにゲートによってドレイン電流Ｉｄが制御され、パワー半導体デバイス２は一定の電力を消費する。この電力の消費により、時間経過とともにパワー半導体デバイス２の温度が上昇してゆく。これで第１の計測ポイントでの計測が開始される。
(4) The voltage Va (= Id × Rsh × G) of the product of the drain current Id flowing through the shunt resistor constituting the current detection circuit 3, the shunt resistance value Rsh, and the gain G of the differential amplifier 4 is inverted by the error amplifier 7. Applied to the input terminal (-). In the feedback loop of the error amplifier 7, the
（５）演算制御回路５は温度センサ９、パワー半導体デバイス２の温度を温度計測アンプ１０、信号ラインＳｇ４の経路で常時監視しており、目的の温度すなわちパワー半導体デバイスについて求めようとする温度特性演算での指標となる第１の基準温度Ｔ１に到達したとき、演算制御回路５はＤ／Ａコンバータ６の出力を計測電流である１ｍＡ（一例）に相当する目標電圧Ｖｏに切り替える。その結果、誤差アンプ７の出力がダウンし、パワー半導体デバイス２は１ｍＡの定電流制御状態となり、引き続いての温度上昇はいったん停止される。演算制御回路５は、直ちにこのときのパワー半導体デバイス２のゲート‐ソース間電圧Ｖgsを端子間電圧計測回路８の第２の差動アンプ８ｂから信号ラインＳｇ３を介して取り込む。そして、演算制御回路５は、そのゲート‐ソース間電圧Ｖgsをそのときのパワー半導体デバイス２の検出温度Ｔ１とともに記録する。すなわち、（Ｔ１，Ｖgs１）のかたちで関連づけて記録する。以上により、第１の計測ポイントでの計測が完了することになる。
(5) The arithmetic control circuit 5 constantly monitors the temperature of the
次いで第２の計測ポイントでの計測に移り、上記の（２）〜（５）の動作を繰り返す。ただし、第１の基準温度Ｔ１に代えて第２の基準温度Ｔ２を用いるものとする。結果として、データ（Ｔ２，Ｖgs２）が得られる。 Next, the process moves to the measurement at the second measurement point, and the above operations (2) to (5) are repeated. However, the second reference temperature T2 is used instead of the first reference temperature T1. As a result, data (T2, Vgs2) is obtained.
演算制御回路５は上記のようにして取得した２つの計測データ（Ｔ１，Ｖgs１）および（Ｔ２，Ｖgs２）に基づいて、被試験体としてのパワー半導体デバイス２の温度特性を求める。すなわち、温度特性を一次関数で表現するものとして、その一次関数の傾きである係数αと切片β（検出温度Ｔが０のときの端子間電圧Ｔの値）とを求める。
The arithmetic control circuit 5 obtains the temperature characteristics of the
ここで、上記した２つの計測データすなわち第１の計測ポイントでのデータ（Ｔ１，Ｖgs１）と第２の計測ポイントでのデータ（Ｔ２，Ｖgs２）とに基づいて温度特性を同定するための係数を算出する論理を数式的に説明する。 Here, a coefficient for identifying a temperature characteristic based on the above-described two measurement data, that is, the data (T1, Vgs1) at the first measurement point and the data (T2, Vgs2) at the second measurement point is obtained. The logic to be calculated will be described mathematically.
温度変化に対する端子間電圧の関係を、
Ｖgs＝α・Ｔ＋β
とする。この方程式は一次関数であり、Ｔは温度、Ｖgsは端子間電圧、αは１次係数（傾き）、βは切片である。α，βはともに定数である。上の方程式に計測データ（Ｔ１，Ｖgs１）および（Ｔ２，Ｖgs２）を代入すると、
Ｖgs１＝α・Ｔ１＋β
Ｖgs２＝α・Ｔ２＋β
となる。これを解法すると、
α＝（Ｖgs２−Ｖgs１）／（Ｔ２−Ｔ１）
β＝（Ｖgs１・Ｔ２−Ｖgs２・Ｔ１）／（Ｔ２−Ｔ１）
となり、２つの計測データ（Ｔ１，Ｖgs１），（Ｔ２，Ｖgs２）から係数αと切片βを求めることができる。そして、得られた温度特性は、
Ｖgs＝（Ｖgs２−Ｖgs１）・Ｔ／（Ｔ２−Ｔ１）＋（Ｖgs１・Ｔ２−Ｖgs２・Ｔ１）／（Ｔ２−Ｔ１）
となる。
The relationship between terminal voltage and temperature change
Vgs = α ・ T + β
And This equation is a linear function, T is temperature, Vgs is a voltage between terminals, α is a linear coefficient (slope), and β is an intercept. α and β are both constants. Substituting measurement data (T1, Vgs1) and (T2, Vgs2) into the above equation,
Vgs1 = α ・ T1 + β
Vgs2 = α ・ T2 + β
It becomes. Solving this,
α = (Vgs2-Vgs1) / (T2-T1)
β = (Vgs1, T2-Vgs2, T1) / (T2-T1)
Thus, the coefficient α and the intercept β can be obtained from the two measurement data (T1, Vgs1) and (T2, Vgs2). And the obtained temperature characteristics are
Vgs = (Vgs2−Vgs1) · T / (T2−T1) + (Vgs1 · T2−Vgs2 · T1) / (T2−T1)
It becomes.
図３は求められた温度特性のグラフである。このグラフでは第１の基準温度Ｔ１を２５℃に選んでいてＴ１→Ｔ25と表記し、第２の基準温度Ｔ２を９０℃に選んでいてＴ２→Ｔ90と表記している。併せて、Ｖgs１→Ｖ25と表記し、Ｖgs２→Ｖ90と表記している。 FIG. 3 is a graph of the obtained temperature characteristics. In this graph, the first reference temperature T1 is selected as 25 ° C. and expressed as T1 → T25, and the second reference temperature T2 is selected as 90 ° C. and expressed as T2 → T90. In addition, Vgs1 → V25 and Vgs2 → V90.
図４はパワー半導体デバイス２をＩＧＢＴに替えた場合の温度特性演算装置の構成を示す回路図である。直流電源回路１と電流検出回路３との間に接続されるパワー半導体デバイス２がＩＧＢＴとなっているほかは図１と同様である。ＩＧＢＴはＦＥＴに対してコレクタ端子がドレイン端子に相当し、エミッタ端子がソース端子に相当することから、Ｉｄ＝Ｉｃ、Ｖds＝Ｖce、Ｖgs＝Ｖgeのように置き換えてよい。
FIG. 4 is a circuit diagram showing the configuration of the temperature characteristic calculation apparatus when the
次に、パワー半導体デバイス２がＩＧＢＴの場合の動作を説明する。
Next, the operation when the
〔１〕パワー半導体デバイス２の加熱に必要な電力を求める。この電力は、パワー半導体デバイス２に流すコレクタ電流Ｉｃと、パワー半導体デバイス２のコレクタ端子Ｃ‐エミッタ端子Ｅ間に印加する電圧Ｖceとの積（Ｉｃ×Ｖce）によって決まる。
[1] The electric power required for heating the
〔２〕演算制御回路５は直流電源回路１に対してコレクタ‐エミッタ間電圧Ｖceの設定を行い、直流電源回路１の出力を開始する。 [2] The arithmetic control circuit 5 sets the collector-emitter voltage Vce for the DC power supply circuit 1 and starts the output of the DC power supply circuit 1.
〔３〕演算制御回路５はコレクタ電流Ｉｃに相当する目標電圧ＶｏをＤ／Ａコンバータ６に設定する。Ｄ／Ａコンバータ６はその目標電圧Ｖｏを誤差アンプ７の非反転入力端子（＋）に出力する。 [3] The arithmetic control circuit 5 sets the target voltage Vo corresponding to the collector current Ic in the D / A converter 6. The D / A converter 6 outputs the target voltage Vo to the non-inverting input terminal (+) of the error amplifier 7.
〔４〕電流検出回路３を構成するシャント抵抗に流れるコレクタ電流Ｉｃとシャント抵抗値Ｒshと差動アンプ４のゲインＧとの積の電圧Ｖｂ（＝Ｉｃ×Ｒsh×Ｇ）が誤差アンプ７の反転入力端子（−）に印加される。誤差アンプ７、パワー半導体デバイス２、電流検出回路３および差動アンプ４のフィードバックループでは、電圧Ｖｂがコレクタ電流Ｉｃについての目標電圧Ｖｏに等しくなるように制御が行われる。この条件（Ｖｂ＝Ｖｏ）の下で回路が安定化する。このとき、被試験体としてのパワー半導体デバイス２にはコレクタ‐エミッタ間電圧Ｖceが印加され、さらにゲートによってコレクタ電流Ｉｃが制御され、パワー半導体デバイス２は一定の電力を消費する。この電力の消費により、時間経過とともにパワー半導体デバイス２の温度が上昇してゆく。これで第１の計測ポイントでの計測が開始される。
[4] The voltage Vb (= Ic × Rsh × G) of the product of the collector current Ic flowing through the shunt resistor constituting the current detection circuit 3, the shunt resistance value Rsh, and the gain G of the differential amplifier 4 is inverted by the error amplifier 7. Applied to the input terminal (-). In the feedback loop of the error amplifier 7, the
〔５〕演算制御回路５は温度センサ９、パワー半導体デバイス２の温度を温度計測アンプ１０、信号ラインＳｇ４の経路で常時監視しており、目的の温度すなわちパワー半導体デバイス２について求めようとする温度特性演算での指標となる第１の基準温度Ｔ１に到達したとき、演算制御回路５は直流電源回路１の出力電流を計測電流である１ｍＡ（一例）に相当する目標電圧Ｖｏに切り替える。この状態では、コレクタ電流Ｉｃは１ｍＡより大きいので（Ｉｃ＞１ｍＡ）、電流不足を解消しようとしてゲート電圧Ｖｇが増大し、それでも解消されないために制御状態を外れてしまい、ゲート電圧Ｖｇは制御系の最大電圧に飽和する。この場合、演算制御回路５は、直ちにこのときのパワー半導体デバイス２のコレクタ‐エミッタ間電圧Ｖceを端子間電圧計測回路８の第１の差動アンプ８ａから信号ラインＳｇ３を介して取り込む。そして、演算制御回路５は、そのコレクタ‐エミッタ間電圧Ｖceをそのときのパワー半導体デバイス２の検出温度Ｔ１とともに記録する。すなわち、（Ｔ１，Ｖce１）のかたちで関連づけて記録する。以上により、第１の計測ポイントでの計測が完了することになる。
[5] The arithmetic control circuit 5 constantly monitors the temperature of the
次いで第２の計測ポイントでの計測に移り、上記の〔２〕〜〔５〕の動作を繰り返す。ただし、第１の基準温度Ｔ１に代えて第２の基準温度Ｔ２を用いるものとする。結果として、データ（Ｔ２，Ｖce２）が得られる。 Next, the measurement at the second measurement point is started, and the above operations [2] to [5] are repeated. However, the second reference temperature T2 is used instead of the first reference temperature T1. As a result, data (T2, Vce2) is obtained.
演算制御回路５は上記のようにして取得した２つの計測データ（Ｔ１，Ｖce１）および（Ｔ２，Ｖce２）に基づいて、被試験体としてのパワー半導体デバイス２の温度特性を求める。すなわち、温度特性を一次関数で表現するものとして、その一次関数の傾きである係数αと切片β（検出温度Ｔが０のときの端子間電圧Ｔの値）とを求める。
The arithmetic control circuit 5 obtains the temperature characteristics of the
求められた温度特性のグラフは図３と同様である。このグラフでは、Ｔ１→Ｔ25、Ｔ２→Ｔ90、Ｖce１→Ｖ25、Ｖce→Ｖ90のように表記している。 The graph of the obtained temperature characteristic is the same as that of FIG. In this graph, T1 → T25, T2 → T90, Vce1 → V25, and Vce → V90.
以上のように、本発明の場合は第１の基準温度Ｔ１、第２の基準温度Ｔ２の到達確認について、その情報が温度特性演算装置の系内に属したものとなっている。従来例の場合は恒温槽や温度プレートのような専用の恒温設備は系外の要素であり、電流・電圧のフィードバック制御のほかに恒温設備での常時的な温度監視を余儀なくされている。これに対して、本発明の場合は温度情報がフィードバック制御系の系内にすでに取り込まれており、外部には恒温槽や温度プレートのような恒温設備は必要とはしない。したがって、設備費や設備空間の面で大幅な負担軽減を実現できる。 As described above, in the case of the present invention, the information regarding the arrival confirmation of the first reference temperature T1 and the second reference temperature T2 belongs to the system of the temperature characteristic calculation device. In the case of the conventional example, a dedicated thermostatic equipment such as a thermostatic bath or a temperature plate is an element outside the system, and in addition to current / voltage feedback control, constant temperature monitoring is required in the thermostatic equipment. On the other hand, in the case of the present invention, the temperature information has already been taken into the feedback control system, and no constant temperature equipment such as a constant temperature bath or a temperature plate is required outside. Therefore, it is possible to realize a significant reduction in burden in terms of equipment cost and equipment space.
併せて、電流・電圧のフィードバック制御と同時進行的に温度情報取得が行われるため、データの信頼性が高く、高精度な温度特性を手に入れることができる。 In addition, since temperature information is acquired simultaneously with current / voltage feedback control, data reliability is high and highly accurate temperature characteristics can be obtained.
本発明は、パワーＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴのようなパワー半導体デバイスの温度特性計測において、高価で設置空間の負担が大きく制御もむずかしい恒温設備（恒温槽や温度プレートなど）の必要性を解消し、高精度な温度特性を安価にして迅速容易に取得する技術として有用である。 The present invention eliminates the need for constant temperature equipment (such as a constant temperature bath or temperature plate) that is expensive, burdensome on the installation space, and difficult to control in measuring temperature characteristics of power semiconductor devices such as power MOSFETs and IGBTs. It is useful as a technique for acquiring a simple temperature characteristic at low cost and quickly and easily.
１ 直流電源回路
２ パワー半導体デバイス（被試験体）
３ 電流検出回路
５ 演算制御回路
８ 端子間電圧計測回路
９ 温度センサ
１０ 温度計測アンプ
１１ フィードバック回路
1 DC
DESCRIPTION OF SYMBOLS 3 Current detection circuit 5 Operation control circuit 8 Voltage measurement circuit between
Claims (6)
前記パワー半導体デバイスが前記直流電源回路に接続される主回路において、この主回路に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路による検出電流に対応した検出電圧を目標電圧と比較し、その偏差を最小化するように前記パワー半導体デバイスの制御端子を駆動制御するフィードバック回路と、
前記パワー半導体デバイスの温度を検出する温度センサと、
前記パワー半導体デバイスにおいて温度特性に関係する端子間電圧を計測する端子間電圧計測回路と、
前記温度センサによる検出温度と前記端子間電圧計測回路による計測端子間電圧とに基づいて前記フィードバック回路を制御するもので、前記検出温度が温度特性演算指標の第１の基準温度に到達した時点および第２の基準温度に到達した時点でそれぞれ、前記計測端子間電圧の値を前記検出温度の値とセットで取得し、これら２組の検出温度値・計測端子間電圧値に基づいて、温度‐端子間電圧相互関係の温度特性を求める演算制御回路とを備えているパワー半導体デバイスの温度特性演算装置。 A DC power supply circuit for supplying a DC current to a power semiconductor device as a device under test;
In a main circuit in which the power semiconductor device is connected to the DC power supply circuit, a current detection circuit that detects a current flowing in the main circuit;
A feedback circuit for driving and controlling the control terminal of the power semiconductor device so as to minimize the deviation by comparing a detection voltage corresponding to a detection current by the current detection circuit with a target voltage;
A temperature sensor for detecting a temperature of the power semiconductor device;
An inter-terminal voltage measurement circuit for measuring an inter-terminal voltage related to temperature characteristics in the power semiconductor device;
Controlling the feedback circuit based on a temperature detected by the temperature sensor and an inter-terminal voltage measured by the inter-terminal voltage measuring circuit, and when the detected temperature reaches a first reference temperature of a temperature characteristic calculation index; and When the second reference temperature is reached, the value of the voltage between the measurement terminals is obtained as a set together with the value of the detected temperature, and based on these two sets of detected temperature value and voltage value between the measurement terminals, An apparatus for calculating temperature characteristics of a power semiconductor device, comprising a calculation control circuit for obtaining temperature characteristics of inter-terminal voltage correlation.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013113662A JP5911450B2 (en) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Power semiconductor device temperature characteristic calculation device |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2013113662A JP5911450B2 (en) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Power semiconductor device temperature characteristic calculation device |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2014232062A JP2014232062A (en) | 2014-12-11 |
| JP5911450B2 true JP5911450B2 (en) | 2016-04-27 |
Family
ID=52125530
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2013113662A Active JP5911450B2 (en) | 2013-05-30 | 2013-05-30 | Power semiconductor device temperature characteristic calculation device |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP5911450B2 (en) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101785417B1 (en) | 2016-04-25 | 2017-10-16 | 이상훈 | RF Power Device capable of monitoring Temperature and RF Characteristics at Wafer Level |
| CN106353665B (en) * | 2016-08-29 | 2019-12-06 | 河北工业大学 | IGBT transient thermal characteristic testing device and operation method thereof |
| EP3657186B1 (en) | 2017-07-18 | 2024-03-27 | Sang-Hun Lee | Rf power device capable of monitoring temperature and rf characteristics at wafer level |
| JP7109196B2 (en) * | 2018-01-23 | 2022-07-29 | 三菱電機株式会社 | Power cycle test circuit |
| CN113939983A (en) | 2019-06-04 | 2022-01-14 | 阔智有限公司 | Semiconductor element testing device and semiconductor element testing method |
| JP7343180B2 (en) * | 2019-08-07 | 2023-09-12 | 株式会社クオルテック | Electrical element testing equipment |
Family Cites Families (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS5832177A (en) * | 1981-08-20 | 1983-02-25 | Nec Corp | Measuring method for temperature in mosfet channel part |
| JPH06281693A (en) * | 1992-08-28 | 1994-10-07 | Fuji Electric Co Ltd | Measuring method for thermal resistance of semiconductor device |
| JPH11148961A (en) * | 1997-09-11 | 1999-06-02 | Fuji Electric Co Ltd | Device for measuring temperature for testing power semiconductor module |
| JP5045325B2 (en) * | 2007-09-14 | 2012-10-10 | トヨタ自動車株式会社 | Transistor inspection method and inspection apparatus |
-
2013
- 2013-05-30 JP JP2013113662A patent/JP5911450B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2014232062A (en) | 2014-12-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5911450B2 (en) | Power semiconductor device temperature characteristic calculation device | |
| KR101601363B1 (en) | Apparatus and method for power cycle test | |
| CN105699775B (en) | Discrete square wave extraction method and device for IGBT coupling thermal impedance | |
| US6812722B2 (en) | On-chip temperature detection device | |
| US9601404B2 (en) | Thermal resistance measuring method and thermal resistance measuring device | |
| CN111812479B (en) | IGBT on-state voltage drop on-line measuring circuit and junction temperature detection method | |
| CN107314830B (en) | Equipment for correcting temperature measurement signal | |
| CN110658435B (en) | IGBT junction temperature monitoring device and method | |
| JP6934071B2 (en) | Power converter | |
| KR101526680B1 (en) | Temperature sensing circuit for igbt module | |
| Bahun et al. | Estimation of insulated-gate bipolar transistor operating temperature: simulation and experiment | |
| US11368150B2 (en) | Reliabtility monitor for field effect transistor devices | |
| Sharma et al. | A robust approach for characterization of junction temperature of SiC power devices via quasi-threshold voltage as temperature sensitive electrical parameter | |
| CN104933308A (en) | Reliability assessment method oriented to domestic military IGBT (Insulated Gate Bipolar Translator) module | |
| US9608558B1 (en) | Calculation of MOSFET switch temperature in motor control | |
| EP2821799B1 (en) | Highly accurate current measurement | |
| CN111066234A (en) | Switching element control circuit and power module | |
| JP6616699B2 (en) | Power converter and thermal resistance measurement method for power module | |
| CN104076265A (en) | Method and device for rapidly measuring electrical parameter temperature variation coefficient of semiconductor device | |
| JP6824271B2 (en) | A semiconductor device including a first temperature measuring element and a method for determining a current flowing through the semiconductor device. | |
| CN105098730A (en) | Device and method for detecting overcurrent of IGBT (insulated gate bipolar transistor) | |
| TW201504604A (en) | Power device temperature monitor | |
| Soldati et al. | Device-sensor assembly FEA modeling to support kalman-filter-based junction temperature monitoring | |
| CN103677017A (en) | High-precision temperature control system | |
| CN114152853B (en) | IGBT junction temperature calibration method and device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20150119 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20151217 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20151222 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20160315 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20160329 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 5911450 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |