Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОД-КОРПУС МОЩНЫХ МДП-ТРАНЗИСТОРОВ

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров компонентов силовой электроники и может быть использовано для контроля их качества.

Среди существующих способов измерения теплового сопротивления полупроводниковых приборов известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении (RU 2240573, МПК G01R 31/26, опубл. 20.11.2004), заключающийся в том, что полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока Ι₀ заданной амплитуды и в процессе нагревания измеряют значение его температурочувствительного параметра, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле U_п и одновременно измеряют температуру основания корпуса Т_к прибора в выбранной точке. Запоминают эти значения, получая их зависимости от времени. Прекращают нагрев полупроводникового кристалла при достижении температуры Т_к заданного значения и в режиме естественного охлаждения при подаче на кристалл коротких измерительных импульсов тока с амплитудой, равной значению постоянного греющего тока Ι₀, и скважностью, не влияющими на тепловое равновесие прибора, измеряют и запоминают значения температурочувствительного параметра и температуры основания корпуса, получая зависимости U_п(t) и Т_к(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.

Недостатком способа является большая погрешность измерения, обусловленная тем, что зависимость температурочувствительного параметра от температуры кристалла, измеряемая при большом греющем токе, имеет нелинейный характер.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ измерения теплового сопротивления переход-корпус транзисторов с полевым управлением (RU 2516609, МПК G01R 31/26, опубл. 27.08.2013), суть которого заключается в следующем. Прибор нагревают путем пропускания через него импульсов тока произвольной формы в открытом состоянии. В паузах между импульсами греющего тока, пропуская через прибор измерительный ток, измеряют и запоминают значения температурочувствительного параметра, в качестве которого используют падение напряжения между стоком и истоком открытого прибора, и температуры корпуса. Периодически измеряют и запоминают значения греющего тока и вызываемого им падения напряжения на приборе. Вычисляют среднюю мощность, рассеиваемую в приборе при пропускании через него импульса греющего тока. Сравнивают вычисленную среднюю мощность потерь на n-м интервале измерения с предварительно установленной максимально допустимой для прибора рассеиваемой мощностью. Когда значение меньше, равно или больше Р_МАХ, соответственно увеличивают, оставляют неизменным или уменьшают среднее значение греющего тока. По достижении температурой корпуса прибора заданного максимума полностью прерывают протекание греющего тока. Через прибор пропускают измерительный ток и измеряют и запоминают значение температурочувствительного параметра. В режиме естественного охлаждения по достижении термодинамического равновесия периодически измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра и температуры корпуса прибора, после чего рассчитывают тепловое сопротивление переход-корпус.

Недостатком прототипа является большая погрешность определения средней мощности, рассеиваемой в приборе при пропускании через него импульса греющего тока произвольной формы, и, как следствие, большая погрешность вычисления теплового сопротивления переход-корпус прибора.

Технический результат - повышение точности измерения теплового сопротивления переход-корпус мощных МДП-транзисторов.

Технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, через мощный МДП-транзистор пропускают последовательность импульсов греющего тока, в паузах между ними измеряют и запоминают значения температурочувствительного параметра U_ТЧП при измерительном токе I_изм, вычисляют среднюю рассеиваемую мощность при каждом импульсе греющего тока и соответствующие изменения температурочувствительного параметра. В отличие от прототипа, в котором нагрев мощного МДП-транзистора осуществляют импульсами греющего тока произвольной формы, пропуская их через открытый канал мощного МДП-транзистора, а в качестве температурочувствительного параметра U_ТЧП используют напряжение между стоком и истоком мощного МДП-транзистора при открытом канале и измерительном токе I_изм, в заявляемом изобретении нагрев мощного МДП-транзистора осуществляют греющей мощностью, модулированной по гармоническому закону, для чего через мощный МДП-транзистор пропускают последовательность импульсов греющего тока постоянной амплитуды Ι_гр, постоянным периодом следования Т_сл и изменяющейся по гармоническому закону длительностью τ, импульсы пропускают через встроенный в мощный МДП-транзистор антипараллельный диод при закрытом канале мощного МДП-транзистора, измеряют и запоминают для каждого греющего импульса напряжение на антипараллельном диоде и вычисляют временную зависимость средней за период следования Т_сл греющей мощности , в паузах между импульсами греющего тока измеряют и запоминают значения температурочувствительного параметра U_ТЧП - прямого напряжения на антипараллельном диоде при измерительном токе I_изм и вычисляют временную зависимость температуры T(t) кристалла в процессе нагрева мощного МДП-транзистора, с помощью Фурье-преобразования временных зависимостей T(t) и вычисляют амплитуду T₁ основной гармоники температуры кристалла и амплитуду P₁ основной гармоники греющей мощности, отношение которых равно модулю теплового импеданса Ζ_T мощного МДП-транзистора на частоте модуляции ω греющей мощности, после чего процесс измерения повторяют на других частотах модуляции ω греющей мощности, получают частотную зависимость модуля теплового импеданса Ζ_T(ω) мощного МДП-транзистора, содержащую участок с постоянным значением модуля теплового импеданса, которое принимают равным тепловому сопротивлению переход-корпус R_Тп-к мощного МДП-транзистора.

Сущность способа поясняют фиг. 1-3. На фиг. 1а показана структура мощного n-канального МДП-транзистора, на фиг. 1б - его условное графическое изображение. Особенностью структуры транзистора является наличие антипараллельного диода, образованного p-областью истока и n-областью стока. При замкнутых между собой затворе и истоке мощного МДП-транзистора напряжение U_ЗИ между ними равно нулю, проводящий канал между истоком и стоком отсутствует и ток между истоком и стоком протекает через антипараллельный диод по пути, показанному на фиг. 1а стрелками.

На фиг. 2а показана временная зависимость тока I через антипараллельный диод мощного МДП-транзистора, представляющая собой последовательность греющих импульсов с постоянным периодом следования Т_сл и изменяющейся по гармоническому закону длительностью. Широтно-импульсная модуляция греющего тока I_гр, осуществляемая по гармоническому закону, вызывает соответствующие изменения рассеиваемой в мощном МДП-транзисторе мощности , график которой показан на фиг. 2б. Модуляция греющей мощности вызывает соответствующие изменения температуры T(t) кристалла мощного МДП-транзистора, сдвинутые по фазе относительно мощности (фиг. 2в). Изменение температуры вызывает соответствующие изменения температурочувствительного параметра U_ТЧП(t) (фиг. 2г), в качестве которого используют прямое напряжение на антипараллельном диоде, измеряемое в паузах между греющими импульсами при измерительном токе I_изм. Прямое напряжение на диоде линейно зависит от температуры, что позволяет на основе измерения U_ТЧП(t) определить T(t). Отношение основной гармоники Τ₁ температуры кристалла и основной гармоники P₁ рассеиваемой в мощном МДП-транзисторе мощности определяет модуль теплового импеданса Ζ_T мощного МДП-транзистора на частоте модуляции греющей мощности ω.

На фиг. 3 представлена частотная зависимость модуля теплового импеданса Ζ_T(ω) мощного МДП-транзистора, полученная в результате измерений модуля теплового импеданса Ζ_T при различных частотах ω модуляции греющей мощности. Значение Ζ_T на пологом участке частотной зависимости определяет тепловое сопротивление переход-корпус R_Тп-к мощного МДП-транзистора.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг. 4. Устройство содержит источник 1 измерительного тока; формирователь 2 греющих импульсов, управляемый микроконтроллером 3; аналого-цифровой преобразователь 4, вход которого соединен с объектом измерения - мощным МДП-транзистором 5, а выход - с микроконтроллером 3. Затвор и исток мощного МДП-транзистора 5 соединены между собой.

Способ осуществляют следующим образом. С выхода формирователя 2 греющих импульсов через объект измерения - мощный МДП-транзистор 5 - пропускают заданное микроконтроллером 3 количество импульсов греющего тока I_гр, период следования Т_сл которых поддерживают постоянным, а длительность модулируют по гармоническому закону. Частота модуляции задается микроконтроллером. В паузах между греющими импульсами измеряют температурочувствительный параметр - прямое напряжение U_ТЧП на антипараллельном диоде мощного МДП-транзистора 5, возникающее при протекании через него измерительного тока I_изм, сформированного источником 1. Напряжение U_ТЧП с помощью аналого-цифрового преобразователя 4 преобразуют в цифровой код, поступающий в микроконтроллер 3, в результате чего в памяти микроконтроллера 3 формируют массив значений {U_ТЧП}, который затем преобразуют в массив температур {Т} кристалла. С помощью Фурье-преобразования вычисляют амплитуду Τ₁ основной гармоники температуры кристалла и амплитуду P₁ основной гармоники греющей мощности, отношение которых равно модулю теплового импеданса Ζ_T мощного МДП-транзистора на частоте модуляции греющей мощности ω. Затем процесс измерения повторяют при других частотах модуляции греющей мощности ω, получают частотную зависимость модуля теплового импеданса Ζ_T(ω) мощного МДП-транзистора, содержащую участок с постоянным значением модуля теплового импеданса, которое равно тепловому сопротивлению переход-корпус R_Тп-к мощного МДП-транзистора.

Повышение точности измерения теплового сопротивления переход-корпус мощных МДП-транзисторов в заявляемом способе достигается за счет того, что, в отличие от прототипа, в нем с более высокой точностью определяются средняя мощность, рассеиваемая в объекте измерения при прохождении через него каждого импульса греющего тока, а также амплитуда основной гармоники температуры кристалла, вычисление которой производится с помощью Фурье-преобразования достаточно большого по объему массива данных.