Результат интеллектуальной деятельности: Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов с использованием амплитудно-импульсной модуляции греющей мощности

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров полупроводниковых диодов и может быть использовано на выходном и входном контроле качества изготовления полупроводниковых диодов.

Среди существующих способов измерения теплового сопротивления полупроводниковых диодов известен способ, заключающийся в том, что на контролируемый диод подают импульсы греющей мощности фиксированной длительности и амплитуды, а в промежутках между импульсами измеряют изменение температурочувствительного параметра U_тчп - прямого напряжения полупроводникового диода при пропускании через него малого измерительного тока (ГОСТ 19656, 18-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления). Прямое напряжение полупроводникового диода при пропускании через него малого измерительного тока линейно зависит от температуры, что позволяет косвенно измерить температуру перехода, предварительно определив температурный коэффициент напряжения.

Недостатком способа является низкая точность, обусловленная большой погрешностью измерения импульсного напряжения U_тчп(t) из-за влияния переходных тепловых и электрических процессов при переключении полупроводникового диода из режима разогрева в режим измерения (Викулин И.М., Стафеев В.И. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Сов. радио, 1980. С. 51).

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов (см. патент РФ №2003128, БИ №41-42, 1993 г.), суть которого заключается в следующем. Через полупроводниковый диод в прямом направлении пропускают последовательность импульсов греющего тока, амплитуду которых модулируют по гармоническому закону с периодом, на порядок большим тепловой постоянной времени переход-корпус, измеряют переменную составляющую падения напряжения на диоде и определяют амплитуду переменной составляющей греющей мощности, в паузах между греющими импульсами измеряют падение напряжения при фиксированном начальном токе и определяют температуру перехода, что позволяет определить тепловое сопротивление переход-корпус полупроводниковых диодов.

Недостатком прототипа является то, в нем не учтен нелинейный характер вольт-амперной характеристики I=f(U) полупроводниковых диодов, в результате чего при гармоническом законе модуляции амплитуды греющего тока рассеиваемая в диоде греющая мощность, определяемая произведением силы тока на напряжение, не будет изменяться строго по гармоническому закону. В спектре греющей мощности появятся гармоники с частотой, кратной частоте модуляции амплитуды греющего тока (см. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Высш. шк., 2003. С. 305), что приводит к погрешности определения теплового сопротивления полупроводниковых диодов.

Технический результат - повышение точности измерения теплового сопротивления полупроводниковых диодов и расширение функциональных возможностей способа.

Технический результат достигается тем, что, как и в прототипе, через полупроводниковый диод пропускают последовательность импульсов греющего тока I_гр с постоянным периодом следования, а в паузах между ними измеряют температурочувствительный параметр - прямое напряжение на диоде U_тчп при малом измерительном токе I_изм. В отличие от прототипа, в котором модулируют амплитуду тока греющих импульсов по гармоническому закону, в заявляемом изобретении производят модуляцию греющей мощности по гармоническому закону.

Для этого предварительно определяют ватт-амперную характеристику объекта измерения, для чего через полупроводниковый диод пропускают несколько греющих импульсов с разной амплитудой тока I, измеряют напряжение U на диоде во время прохождения через него греющих импульсов и вычисляют для каждого импульса мощность Р, рассеиваемую на диоде, по формуле P=I⋅U, после чего с помощью сплайн-интерполяции определяют ватт-амперную характеристику I=f(P) полупроводникового диода, после чего задают гармонический закон изменения греющей мощности

P(t)=P₀+Р₁⋅cosωt,

где Р₀ - среднее значение греющей мощности; Р₁ - амплитуда переменной составляющей греющей мощности; ω - частота модуляции греющей мощности. Используя ватт-амперную характеристику полупроводникового диода, вычисляют значения амплитуд тока греющих импульсов, обеспечивающих гармонический закон модуляции греющей мощности, после чего через полупроводниковый диод пропускают последовательность греющих импульсов с вычисленными значениями амплитуд тока и постоянным периодом следования.

В паузах между греющими импульсами измеряют температурочувствительный параметр - прямое напряжение на полупроводниковом диоде U_тчп при малом измерительном токе I_изм и определяют температуру перехода T(t), которая, как и греющая мощность, изменяется по гармоническому закону, но сдвинута по фазе относительно греющей мощности на некоторый угол ϕ:

T(t)=Т₀+T₁⋅cos(ωt+ϕ),

где Т₀ - среднее значение температуры перехода; T₁ - амплитуда переменной составляющей температуры перехода.

Затем производят дискретное Фурье-преобразование температуры перехода T(t) и вычисляют амплитуду основной гармоники Т₁ на частоте модуляции греющей мощности ω:

где А(ω) и В(ω) - вещественные и мнимые Фурье-трансформанты температуры перехода.

Модуль теплового импеданса определяется отношением амплитуд основных гармоник температуры перехода T₁ и греющей мощности P₁:

.

Фаза теплового импеданса ϕ определяются отношением мнимых и вещественных Фурье-трансформант В(ω) и А(ω):

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства, структурная схема которого показана на фиг. 1. Устройство содержит микроконтроллер 1, аналого-цифровой преобразователь 2, источник измерительного тока 3; токовый цифро-аналоговый преобразователь 4, формирователь греющих импульсов тока 5, усилитель греющих импульсов тока 6; резистор R; объект измерения - полупроводниковый диод D.

Способ осуществляют следующим образом. Микроконтроллер 1 с помощью токового цифро-аналогового преобразователя 4, формирователя греющих импульсов тока 5 и усилителя греющих импульсов тока 6 формирует несколько греющих импульсов с разной амплитудой I, поступающих на объект измерения - полупроводниковый диод D. С помощью аналого-цифрового преобразователя 2 измеряют напряжение U на диоде во время прохождения через него греющих импульсов и передают результаты преобразования в микроконтроллер, который для каждого импульса вычисляет мощность Р, рассеиваемую на диоде, по формуле P=I⋅U, после чего с помощью сплайн-интерполяции определяет ватт-амперную характеристику I=f(P) полупроводникового диода. После этого микроконтроллер 1, используя ватт-амперную характеристику полупроводникового диода, формирует последовательность греющих импульсов тока, амплитудные значения которых обеспечивают гармонический закон изменения греющей мощности. В паузах между греющими импульсами с помощью аналого-цифрового преобразователя 2 измеряют температурочувствительный параметр - прямое напряжение U_тчп на полупроводниковом диоде при протекании через него малого измерительного тока, формируемого источником измерительного тока 3. Результаты измерения U_тчп передают в микроконтроллер. Используя предварительно измеренный температурный коэффициент напряжения для данного типа диодов, определяют изменения температуры перехода T(t), вызванные воздействием на полупроводниковый диод греющей мощности, изменяющейся по гармоническому закону. После этого с помощью Фурье-преобразования вычисляют мнимые и вещественные трансформанты температуры и по ним вычисляют амплитуду и фазу переменной составляющей температуры перехода, после чего определяют модуль и фазу ϕ теплового импеданса полупроводникового диода.

Повышение точности измерения теплового сопротивления полупроводниковых диодов в заявляемом способе обеспечивается за счет учета нелинейности вольт-амперной характеристики диода при формировании греющей мощности, изменяющейся по гармоническому закону.