СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОД-КОРПУС ТРАНЗИСТОРОВ С ПОЛЕВЫМ УПРАВЛЕНИЕМ

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров компонентов силовой электроники, в частности силовых полупроводниковых приборов, включающих в себя МДП-транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором, и может быть использовано для контроля их качества.

Известен способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении, заключающийся в том, что полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока I₀ заданной амплитуды и в процессе нагревания измеряют значение его термочувствительного параметра, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле U_П и одновременно измеряют температуру основания корпуса T_C прибора в выбранной точке. Запоминают эти значения, получая их зависимости от времени t. Прекращают нагрев полупроводникового кристалла при достижении температуры T_C заданного значения и в режиме естественного охлаждения при подаче на кристалл коротких измерительных импульсов тока с амплитудой, равной значению постоянного греющего тока I₀, и скважностью, не влияющими на тепловое равновесие прибора, измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра и температуры основания корпуса, получая зависимости U_П(t) и T_C(t) на интервале охлаждения. При этом длительность интервала охлаждения выбирают из условия безусловного выполнения t>3τ, где τ - наибольшая тепловая постоянная конструкция прибора, определяют момент динамического равновесия на интервале нагрева и по полученным зависимостям вычисляют тепловое сопротивление переход-корпус (RU 2240573, МПК G01R 31/26, опубл. 20.11.2004).

Недостатками известного способа являются:

1. Сложное техническое решение реализации способа, обусловленное необходимостью использования источника греющего постоянной тока с малыми значениями пульсаций, что обуславливает применение мощного и высокоточного источника постоянного тока, а также источника измерительных импульсов тока с амплитудой, равной величине греющего постоянного тока, что также требует мощного и высокоточного источника импульсного тока.

2. Сложность реализации обработки результатов измерения, обусловленная применением аппроксимации экспоненциальными функциями снятой точечной временной зависимости напряжения на испытуемом приборе в процессе нагрева и нахождения точных значений коэффициентов аппроксимации с корреляцией по методу наименьших квадратов, являющихся тепловыми параметрами полупроводниковых приборов, что требует длительного итерационного процесса определения теплового сопротивления.

3. Упущение того факта, что в процессе нагрева изменяется выделяемая прибором мощность потерь вследствие изменения значения прямого падения напряжения на приборе при увеличении температуры кристалла прибора, что приводит к увеличению погрешности определения теплового сопротивления.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении, заключающийся в том, что через испытуемый прибор пропускают постоянный измерительный ток I_measure заданной величины. В начальном термодинамическом равновесии в момент времени t₀ измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра u_hc(t₀) и температуры корпуса T_C(t₀). С момента времени t₁ до момента времени t₂ нагревают прибор током i_heat произвольной формы. В процессе нагрева в моменты времени n-го интервала измерения и запоминания термочувствительного параметра измеряют и запоминают значения тока , вычисляют среднюю мощность n-го интервала измерения потерь . С момента времени t₁ величину греющего тока i_heat увеличивают от минимальной, равной величине постоянного измерительного тока I_measure, и при сравнении вычисленной средней мощности потерь на n-м интервале измерения с предварительно установленной максимально допустимой мощностью P_MAX прекращают увеличивать греющий ток i_heat, продолжая процесс нагрева. В момент t₁ прерывают протекание греющего тока i_heat, измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра u_hc(t₂) от протекания постоянного измерительного тока I_measure и температуры корпуса T_C(t₂). После момента времени t₂ в режиме естественного охлаждения по достижении термодинамического равновесия в момент времени t₃ измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра u_hc(t₃) и температуры корпуса прибора T_C(t₃) и рассчитывают тепловое сопротивление переход-корпус (RU 2300115, МПК G01R 31/26, опубл. 27.05.2007).

Недостатками известного способа являются:

1. Способ не может быть использован для определения теплового сопротивления полевых транзисторов, поскольку опирается на линейную температурную зависимость прямого падения напряжения на токопроводящем канале, в то время как у полевого транзистора данная зависимость имеет нелинейный характер.

2. Способ не учитывает того факта, что после достижения вычисленной средней мощностью потерь на n-м интервале измерения предварительно установленной допустимой мощности P_MAX при дальнейшем нагревании прибора неизменным током i_heat выделяемая прибором мощность будет меняться в соответствии с изменением падения напряжения на кристалле, что может привести при уменьшении падения напряжения на кристалле - к увеличению времени определения теплового сопротивления, а при увеличении - к отказу испытуемого прибора.

3. В способе не представлена возможность определения переходного теплового сопротивления переход-корпус Z_thjc.

Технический результат заключается в обеспечении возможности определения теплового и переходного теплового сопротивлений переход-корпус транзисторов с полевым управлением, в частности, МДП-транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором, увеличение точности определения теплового сопротивления, снижении временных затрат на весь процесс измерения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения теплового сопротивления переход-корпус транзисторов с полевым управлением, заключающемся в том, что через прибор в открытом состоянии предварительно пропускают измерительный ток, в начальном термодинамическом равновесии в момент времени t₀ измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра, в качестве которого используют падение напряжения на приборе в открытом состоянии u_j(t₀) и температуры корпуса T_C(t₀) в выбранной точке, с момента времени t₁ до момента времени t₂ прибор нагревают путем пропускания через него тока произвольной формы i_heat(t) в открытом состоянии, в процессе нагрева в моменты времени прерывают протекание греющего тока i_heat и, пропуская через прибор измерительный ток, измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра и температуры корпуса , в интервалах времени периодически измеряют и запоминают значения греющего тока и вызываемого им падения напряжения на приборе , вычисляют среднюю мощность , выделяемую прибором в интервале времени , с момента времени t₁ среднее значение греющего тока i_heat увеличивают от минимального, равного значению измерительного тока, и при сравнении значения вычисленной средней мощности потерь на n-м интервале измерения с предварительно установленной максимально допустимой мощностью P_MAX прекращают увеличивать среднее значение греющего тока i_heat и продолжают процесс нагрева, по достижении температуры корпуса прибора заданного максимального значения в момент t₂ полностью прерывают протекание греющего тока i_heat, через прибор пропускают измерительный ток и измеряют и запоминают значение термочувствительного параметра u_j(t₂), после момента времени t₂ в режиме естественного охлаждения по достижении термодинамического равновесия в момент времени t₃, выбираемый из условия безусловного выполнения t₃>>t₂+3τ, где τ - тепловая постоянная конструкции прибора, измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра u_j(t₃) при протекании измерительного тока и температуры корпуса прибора T_C(t₃), после чего рассчитывают тепловое сопротивление переход-корпус R_thjc, на протяжении всего процесса определения теплового сопротивления переход-корпус управляемых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении значения термочувствительного параметра u_j измеряют при пропускании через прибор импульса измерительного тока заданной амплитуды, длительность которого не влияет на термодинамическое состояние прибора, при подаче импульса напряжения заданной амплитуды на управляющий электрод прибора и по окончании переходного процесса, с момента времени t₁ до момента времени t₂ сравнивают вычисленную среднюю мощность , выделяемую прибором за интервал времени , с предварительно установленной максимально допустимой для прибора рассеиваемой мощностью P_MAX и, когда значение меньше, равно или больше P_MAX, соответственно, увеличивают, оставляют неизменным или уменьшают среднее значение греющего тока, тепловое сопротивление переход-корпус рассчитывают как:

,

где: u_j(t₂) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока;

u_j(t₀) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в его начальном термодинамическом равновесии;

- значение температуры корпуса полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока;

T_C(t₀) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в его начальном термодинамическом равновесии;

- среднее значение мощности потерь в установившемся тепловом режиме в процессе нагрева;

a - коэффициент, рассчитываемый по формуле:

,

где: u_j(t₃) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения;

T_C(t₃) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения;

при этом переходное тепловое сопротивление переход-корпус рассчитывают как:

,

где: - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в момент времени в процессе нагрева прибора; - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в момент времени в процессе нагрева; - средняя мощность потерь, выделяемая прибором за интервал времени .

Способ осуществляется следующим образом. Через испытуемый прибор в открытом состоянии предварительно пропускают импульс измерительного тока, измеряя и запоминая по окончании переходных процессов в момент времени t₀ значения термочувствительного параметра и температуры корпуса T_C(t₀) в выбранной точке корпуса прибора.

Длительность и амплитуда импульса тока выбираются таким образом, чтобы его протекание не влияло на термодинамическое равновесие прибора. Для измерения температуры корпуса T_C выбирают точку, расположенную под центром полупроводникового кристалла либо в центре основания корпуса.

В качестве термочувствительного параметра используют прямое падение напряжения на кристалле в открытом состоянии прибора u_j при заданном падении напряжения на управляющем электроде. Температурная зависимость данного параметра имеет нелинейный характер, однако в логарифмическом масштабе зависимость приобретает линейный вид (Беспалов Н.Н. Сравнительный анализ термочувствительных параметров мощных МДП-транзисторов / Н.Н.Беспалов, А.Е.Лысенков // Электроника и информационные технологии - 2011 выпуск 2 (11). 2012. URL: http://fetmag.mrsu.ru/2011-2/pdf/thermosensitive_parameters.pdf (дата обращения 06.02.2012) - 04201100067/0028).

С момента времени t₁ до момента времени t₂ прибор нагревают путем пропускания через него тока произвольной формы i_heat(t) в открытом состоянии. В процессе нагрева в моменты времени прерывают протекание греющего тока i_heat и, пропуская через прибор измерительный ток, измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра и температуры корпуса .

В интервалах времени периодически измеряют и запоминают значения греющего тока и вызываемого им падения напряжения на приборе и вычисляют среднюю мощность , выделяемую прибором в интервале времени как:

,

где: E_n - энергия электрических потерь в полупроводниковом приборе в интервале времени при протекании греющего тока, определяемая как:

,

где: m_n - количество измерений в интервале времени , причем , а .

Амплитуду и форму греющего тока i_heat определяют исходя из условия, что мощность потерь, выделяющаяся в кристалле полупроводникового прибора, не должна превышать максимальную среднюю мощность потерь P_MAX, а температура основания корпуса T_C удовлетворяет условию ограничения температуры перехода , где - максимально допустимая температура перехода, которая не превышает предельной температуры с запасом 20-30°С. Максимальная средняя мощность потерь определяется как:

,

где: k - коэффициент запаса температуры кристалла, выбранный из условия k<1;

R_thjc(ТУ) - предполагаемое или известное из технических условий (ТУ) или справочных данных значение теплового сопротивления.

С момента времени t₁ до момента времени t₂ сравнивают вычисленную среднюю мощность , выделяемую прибором за интервал времени , с предварительно установленной максимально допустимой для прибора рассеиваемой мощностью P_MAX и, когда значение меньше, равно или больше P_MAX соответственно, увеличивают, оставляют неизменным или уменьшают среднее значение греющего тока. Отключение подачи греющего тока производят в момент времени t₂ при достижении температуры корпуса полупроводникового прибора 80-90°С, после чего через прибор пропускают измерительный ток и измеряют и запоминают значение термочувствительного параметра u_j(t₂).

В режиме естественного охлаждения температура полупроводникового прибора снижается по экспоненциальной зависимости. Из-за различия теплоемкостей кристалла и корпуса прибора их охлаждение происходит с разными тепловыми постоянными. Теплоемкость полупроводникового кристалла значительно меньше теплоемкости корпуса и в момент времени t₃>t₂+3τ, где τ - тепловая постоянная полупроводникового кристалла прибора, достигается термодинамическое равновесие. После достижения данного состояния температура полупроводникового кристалла становится равной температуре корпуса, и охлаждение происходит с одинаковой тепловой постоянной. Через прибор пропускают импульс измерительного тока и измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра u_j(t₃) при протекании измерительного тока и температуры корпуса прибора T_C(t₃), после чего рассчитывают тепловое сопротивление переход-корпус R_thjc как:

,

где: u_j(t₂) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока; u_j(t₀) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в его начальном термодинамическом равновесии; - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока; T_C(t₀) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в его начальном термодинамическом равновесии; - среднее значение мощности потерь в установившемся тепловом режиме в процессе нагрева; a - коэффициент, рассчитываемый по формуле:

,

где: u_j(t₃) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения; T_C(t₃) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения.

Переходное тепловое сопротивление переход-корпус рассчитывают как:

,

где: - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в момент времени в процессе нагрева прибора; - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в момент времени в процессе нагрева; - средняя мощность потерь, выделяемая прибором за интервал времени .

Сущность заявляемого решения поясняется фиг.1, на котором в качестве примера отображены временные зависимости информативных параметров МДП-транзистора с изолированным затвором на всех этапах измерения при использовании полусинусоидальной формы греющего тока i_heat. Регулирование мощности потерь P_tot осуществляется фазой греющего тока i_heat.

Признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, являются:

1) измерения значений термочувствительного параметра и температуры корпуса проводятся при пропускании через прибор импульса измерительного тока, амплитуда и длительность которого не влияет на термодинамическое состояние прибора, по окончании переходных процессов;

2) регулирование выделяемой прибором мощности осуществляется на всем интервале нагревания прибора;

3) при расчете статического и переходного тепловых сопротивлений используется линейная температурная зависимость lg(u_j)(T);

4) дополнительно определяется переходное тепловое сопротивление переход-корпус Z_thjc;

5) в качестве испытуемых приборов используются МДП-транзисторы и биполярные транзисторы с изолированным затвором.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет определять значение теплового сопротивления переход-корпус R_thjc МДП-транзисторов и биполярных транзисторов с изолированным затвором и их переходное тепловое сопротивление переход-корпус Z_thjc. При этом увеличивается точность определения теплового сопротивления, снижаются временные затраты на весь процесс измерения, исключается вероятность отказа испытуемого прибора за счет регулирования мощности, выделяемой прибором, на всем этапе нагрева прибора.