PL102435B1 - Method and system for measuring thermal resistance of field-effect transistors - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób i uklad do pomiaru opornosci cieplnej tranzystorów polowych, zwlaszcza typu MOSFET.

Znane sa sposoby pomiaru opornosci cieplnej elementów pólprzewodnikowych takich jak tranzystory bipolarne, diody czy tyrystory, w których dokonuje sie pomiaru spadku na¬ piecia na zlaczu p-n spolaryzowanym w kierunku przewo¬ dzenia.

Pomiaru dokonuje sie w dwóch etapach, z których pier¬ wszym jest pomiar kajibracyjny polegajacy na znalezieniu zaleznosci temperaturowej parametru termoczulego, jakim jest w tym przypadku spadek napiecia na zlaczu p-n. Nas¬ tepnym etapem jest pomiar spadku napiecia na zlaczu p-n w warunkach zasilania elementu pólprzewodnikowego przebiegiem elektrycznym o mocy Po.

Porównujac uzyskane w obu przypadkach wyniki po¬ miaru na podstawie zaleznosci matematycznych wyznacza sie mierzona opornosc cieplna elementu pólprzewodnikowe¬ go.

Opisany sposób pomiaru nie znajduje zastosowania do badania opornosci cieplnej tranzystorów polowych typu MOSFET, poniewaz nie wszystkie tego typu tranzystory posiadaja wyprowadzone na zewnatrz doprowadzenia do zlacza p-n.

Pomiar opornosci cieplnej tranzystorów polowych, prze¬ prowadzono dotychczas w zestawach laboratoryjnych w których wykorzystuje sie pomiar spadku napiecia na zlaczu p-n.

Znane jest takze wykorzystanie do pomiaru opornosci cieplnej tranzystora typu MOSFET specjalnie przystoso- wanych mierników tranzystorów bipolarnych. Taki przy¬ stosowany miernik sklada sie z generatora impulsowego o stabilizowanej mocy, którym zasila sie badany tranzystor.

W przerwie miedzy impulsami pradowymi powodujacymi grzanie sie tranzystora, przeprowadza sie pomiar spadku napiecia na zlaczu p-n za pomoca podlaczonego do bada¬ nego tranzystora ukladu sluzacego do pomiaru jego para* metru termoczulego. Uklad pomiarowy na wyjsciu zaopa¬ trzony jest we wskaznik. Ponadto uklad pomiarowy wyposa¬ zony jest w skomplikowany zestaw przelaczania badanego tranzystora ze stanu zasilania przebiegiem o mocy powoduja* cej jego grzanie do stanu pomiarowego. Konieczne jest takze stosowanie specjalnego ukladu kluczowania punktu pracy tranzystora, a to w celu uzyskania odpowiedniej wartosci jego parametru termoczulego.

Wedlug wynalazku, pomiar opornosci cieplnej tranzysto¬ ra polowego, polegajacy na pomiarze charakterystyki cieplnej parametru termoczulego, dokonuje sie przez wy¬ korzystanie zmiany statycznej opornosci dren-zródlo tego tranzystora, która mierzy sie poprzez podanie' pomiedzy dren a zródlo przebiegu w postaci impulsów prostokatnych o polaryzacji odpowiadajacej typowi mierzonego tranzys¬ tora. Nastepnie mierzony tranzystor zasila sie przebiegiem w postaci impulsów prostokatnych o mocy powodujacej nagrzewanie sie tranzystora i na podstawie zmierzonej uprzednio charakterystyki cieplnej wyznacza sie jego opornosc cieplna.

Uklad wedlug, wynalazku sterowany z generatora im¬ pulsów prostokatnych o przelaczanym wspólczynniku wy¬ pelnienia impulsów wyjsciowych i zasilanych z ukladu 102 435102 435 3 polaryzacji mierzonego tranzystora, a na wyjsciu wyposa¬ zony we wskaznik wyjsciowy, charakteryzuje sie tym, ze generator impulsów prostokatnych polaczony jest poprzez opornik z ta z elektrod drerr-zródlo badanego tranzystora, która jest dolaczona do wejscia ukladu rózniczkujacego wyposazonego na wyjsciu w uklad obcinajacy o regulowa¬ nym poziomie obcinania i który na wyjsciu ma dolaczony uklad wzmacniajacy sterujacy poprzez uklad calkujacy wskaznikiem wyjsciowym.

Rozwiazanie wedlug wynalazku moze byc stosowane do pomiaru opornosci cieplnej kazdego ze znanych typów tranzystorów polowych. Zastosowanie w ukladzie obcinania impulsu pomiarowego pozwala znacznie wzmocnic zmiany zawarte w przebiegu pomiarowym, odzwierciedlajace zmia¬ ny cieplne badanego parametru termoczulego. Dzieki temu powieksza sie czytelnosc wskazan, co pozwala na rejestracje nawet bardzo malej zmiany parametru termoczulego.

Wprowadzone w ukladzie rózniczkowania impulsy po¬ miarowe upraszczaja proces przetwarzania sygnalu, dzieki czemu mozna stosowac uklady wzmacniajace o sprzezeniu pojemnosciowym, które nie sa obarczone bledem pomiaro¬ wym wynikajacym z nagrzania sie w trakcie pracy stopni posrednich. Uklad umozliwia obserwacje zmian parametru termoczulego badanego tranzystora w sposób ciagly, przez co unika sie klopotliwego w realizacji ukladu prze¬ laczania i kluczowania punktu pracy tranzystora dla uzys¬ kania odpowiedniej wartosci parametru termoczulego.

Ponadto, stosowane podgrzewanie badanego tranzystora nie wymaga skomplikowanej stabilizacji wartosci mocy Po, koniecznej w dotychczasowych rozwiazaniach ze wzgledu na dokladnosc pomiaru.

Wynalazek zostanie blizej objasniony na przykladzie realizacji w ukladzie przedstawionym na rysunku, na któ¬ rym fig. 1 przedstawia schemat blokowy ukladu do pomiaru opornosci cieplnej Ryja tranzystora typu MOSFET, a fig. 2 przebiegi elektryczne w poszczególnych puntkach ukladu.

Z generatora impulsów prostokatnych 1, przez przelacz¬ nik rodzaju impulsów 2 i opornik obciazenia 3, impulsy prostokatne sa podawane na dren badanego tranzystora 4, który zasilany jest z ukladu polaryzacji 5. Dren badanego tranzystora 4 polaczony jest z wejsciem ukladu rózniczku¬ jacego 6, wyposazonego na wyjsciu w uklad obcinajacy 7 o regulowanym poziomie obcinania. Uklad obcinajacy 7 ma na wyjsciu dolaczony uklad wzmacniajacy 8, który poprzez uklad calkujacy 9 steruje wskaznikiem wyjsciowym .

W celu przeprowadzenia kalibracji, czyli wyznaczenia charakterystyki cieplnej parametru termoczulego badanego tranzystora 4, na dren tego tranzystora podaje sie przebieg impulsowy o malym wspólczynniku wypelnienia — fig. 2A.

Moc impulsów jest okreslona i wynosi Po, Podczas kali¬ bracji tranzystor 4 jest podgrzewany w termostacie i wsku¬ tek zmiany jego opornosci dren-zródlo amplituda podawa¬ nych impulsów ulega zmianie. Z drenu prostokatne im¬ pulsy kalibracyjne sa podawane na uklad rózniczkujacy 6, na którego wyjsciu, ze zrózniczkowania kazdego impulsu prostokatnego, uzyskuje sie dwa impulsy szpilkowe — do¬ datni odpowiadajacy narastajacemu zboczu impulsu i ujem¬ ny odpowiadajacy zboczu opadajacemu — fig. 2B.

Z tych dwóch ciagów impulsów szpilkowych, uklad ob¬ cinajacy 7 przenosi tylko jeden rodzaj impulsów — na przyklad dodatnich i obcina na poziomie zaprogramowanego progu obciecia — fig. 2C. Zmiany bezwzgledne wierzcholka impulsu szpilkowego na wyjsciu ukladu obcinajacego 7 sa 4 takie same jak na jego wejsciu. Ulega jednak zmniejszeniu wartosc odniesienia, dzieETczemu uzyskuje sie wielokrotne wzmocnienie wzglednych zmian impulsu pomiarowego.

Po dodatkowym wzmocnieniu we wzmacniaczu 8 impulsy — fig. 2D sa poddawane calkowaniu przez uklad calkujacy 9, który przetwarza je na napiecie stale o wartosci równej amplitudzie impulsów szpilkowych — fig. 2E mierzone za pomoca miernika wyjsciowego 10. Mierzone zmiany ampli¬ tudy impulsów pomiarowych sa poszukiwanym parame¬ trem termoczulym badanego tranzystora 4.

W trakcie podgrzewania tranzystora 4 w termostacie wyznacza sie przyrosty napiecia wyjsciowego odpowiadajace zmianom temperatury i w ten sposób uzyskuje sie krzywa kalibracji, czyli zaleznosc parametru termoczulego tran¬ zystora od temperatury.

Nastepnym etapem pomiaru jest wyznaczenie wplywu mocy grzejnej Po, czyli okreslenia temperatury Tj, do jakiej podgrzeje sie zlacze, jezeli na tranzystorze tracona bedzie moc Po. Na dren badanego tranzystora 4 podaje sie wów¬ czas z generatora impulsów 1 przebieg zanegowany wzgle¬ dem przebiegu podawanego w trakcie kalibracji.

Przebieg impulsowy ma duzy wspólczynnik wypelnienia, amplituda impulsów pozostaje taka sama — fig. 2. Moc mierzona w impulsie jest takze równa Po, poniewaz jednak czas trwania impulsu jest znacznie dluzszy niz w trakcie kalibracji, tranzystor nagrzewa sie i ulega zmianie jego opornosci dren-zródlo. Powoduje to zmiany amplitudy przebiegów impulsowych na drenie, a zatem na wyjsciu ukladu rózniczkujacego 6 uzyskuje sie ponownie pary impulsów szpilkowych, które po przetworzeniu w ukladzie obcinajacym 7, wzmocnieniu i zcalkowaniu w ukladach 8 i 9 na wskazniku wyjsciowym 10 dadza wartosc napiecia wyjsciowego odpowiadajaca temperaturze zlacza. Po po¬ równaniu tak pomierzonej wartosci z wyznaczona uprzednio krzywa kalibracji oblicza sie temperature zlacza Tj przy grzaniu tranzystora mocy Po.

W przypadku powtarzalnych krzywych kalibracji i grza^ niu tranzystorów okreslona moca Po mozna wyskalowac^ wskaznik wyjsciowy 10 bezposrednio w jednostkach opor¬ nosci cieplnej.

Claims (2)

Zastrzezenia patentowe

1. Sposób pomiaru opornosci cieplnej tranzystorów po¬ lowych polegajacy na pomiarze charakterystyki cieplnej parametru termoczulego tranzystora, a nastepnie wyznacze¬ niu temperatury przy podgrzewaniu go moca, w którym badany tranzystor zasila sie przebiegiem w postaci im¬ pulsów prostokatnych, znamienny tym, ze jako parametr termoczuly wykorzystuje sie zmiany statycznej opornosci dren-zródlo tego tranzystora, mierzone poprzez podanie pomiedzy dren, a zródlo przebiegu w postaci impulsów prostokatnych o polaryzacji odpowiadajacej typowi mierzo¬ nego tranzystora.

2. Uklad do pomiaru Opornosci cieplnej tranzystorów polowych sterowany z generatora impulsów prostokatnych o przelaczanym wspólczynniku wypelnienia impulsów wyjsciowych i zasilany z ukladu polaryzacji mierzonego tranzystora, a na wyjsciu wyposazony we wskaznik wyjscio¬ wy, znamienny tym, ze generator impulsów prostokatnych (1) jest polaczony poprzez opornik (3) z ta z elektrod dren- -zródlo badanego tranzystora (4), która jest dolaczona do wyjscia ukladu rózniczkujacego (6) wyposazonego na wyjsciu w uklad obcinajacy (7) o regulowanym poziomie obcinania, i który na wyjsciu ma dolaczony uklad wzmac¬ niajacy (8) sterujacy poprzez uklad calkujacy (9) wskazni¬ kiem wyjsciowym (10). 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60102 435 *y " i hi kalibracja I pomiar ir ii n lii 1 J I i ¦ !_ L J I I Li L fe2