Способ оценки тепловой постоянной силового полупроводникового прибора

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов силовой электроники и может быть использовано для экспресс-оценки тепловой инерционности прибора, его теплового сопротивления и контроля качества. Сущность: осуществляют нагрев силового полупроводникового прибора (СПП) протекающим через него током произвольной формы до установившегося теплового состояния. Затем выключают ток и на этапе охлаждения прибора непрерывно измеряют величину термочувствительного параметра. Измерение термочувствительного параметра производят от момента времени выключения греющего тока до момента, когда термочувствительный параметр достигает заранее заданного значения. По величине временного интервала оценивают тепловую инерционность и величину теплового сопротивления силового полупроводникового прибора. Технический результат: сокращение времени измерения, упрощение технической реализации устройств для измерения тепловых параметров СПП, обеспечение возможности осуществлять неразрушающую отбраковку потенциально ненадежных образцов. 1 ил.

 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов силовой электроники и может быть использовано для экспресс-оценки тепловой инерционности прибора, его теплового сопротивления и контроля качества.

Силовые полупроводниковые приборы (СПП) в настоящее время широко применяются при создании преобразователей электрической энергии в электроэнергетике, электроприводе железнодорожного транспорта, в различных технологических установках и других областях техники. Причем мощность таких преобразователей может достигать сотен киловатт и более.

Обеспечение надежной работы СПП в таких преобразователях является одним из главных требований. Показатели надежности СПП определяются, в основном, значением температуры полупроводниковой структуры СПП, а она зависит от многих факторов, как внешних по отношению к СПП, так и от его электрических и тепловых параметров. В частности, от величины рабочего тока, параметров прямой вольтамперной характеристики прибора (ПВАХ), его теплового сопротивления, условий охлаждения.

Поскольку непосредственное измерение температуры полупроводниковой структуры не представляется возможным, прибегают к различным косвенным методам. Один из них основан на измерении величины теплового сопротивления прибора и его взаимосвязи с температурой структуры. Эта взаимосвязь описывается выражением [1]:

где TС – температура структуры, TК – температура корпуса, P – выделяемая в приборе мощность потерь, Rth – тепловое сопротивление.

Одним из параметров, характеризующих тепловое состояние СПП, является тепловое сопротивление прибора. Различают переходное тепловое сопротивление rth и установившееся тепловое сопротивление Rth. Процесс изменения теплового состояния СПП во времени при нагреве прибора за счет выделяемой в нем мощности потерь принято характеризовать кривой переходного теплового сопротивления rth(t), форма которой близка к экспоненте [1]. Из сути теплового процесса следует, что через некоторое время t1 величина переходного теплового сопротивления станет равной величине установившегося теплового сопротивления Rth. Чем хуже контактные соединения в приборе и больше величина Rth, тем больше будет время t1. То есть разница ф = t1 – t0, где t0 – момент времени начала измерений, характеризует тепловую инерционность прибора и по её величине можно судить о величине Rth [1]. Измерение Rth в настоящее время на предприятиях России возможно только в лабораторных условиях и весьма трудоемко по времени. Отечественное серийное оборудование для таких измерений пока отсутствует. Поэтому предлагается ввести тепловой параметр, который характеризует инерционность тепловых процессов в СПП и коррелирует с величиной его теплового сопротивления. Этот параметр назван «тепловой постоянной СПП». Для оценки её величины СПП нагревают протекающим через него током произвольной формы до установившегося теплового состояния. В момент времени t1 (чертеж) выключают греющий ток и с этого момента измеряют величину термочувствительного параметра (ТЧП) до момента времени t2. Термочувствительным параметром называется любой физический параметр, зависящий от температуры. Величина ф = t2 – t1 прибора названа «тепловой постоянной» СПП. Сравнительный анализ величин тепловых постоянных ф для приборов одной партии позволяет выявить потенциально ненадежные экземпляры, например, с плохим качеством внутренних контактных соединений, а также осуществлять подбор приборов по тепловому режиму для использования их при групповой работе. По величине ф можно судить о величине теплового сопротивления Rth, поскольку между ними существует однозначная зависимость.

Известны способы измерения величины теплового сопротивления [1-3], основанные на оценке величины какого-либо измеряемого параметра (ТЧП) СПП, однозначно связанного с температурой полупроводниковой структуры. Способы основаны на использовании предварительно построенной для СПП температурной зависимости, например, падения напряжения ДUи на приборе от протекающего через него постоянного тока малой величины (измерительный ток), то есть в данном случае ДUи является измеряемым ТЧП. Процесс измерения Rth сводится к нагреванию СПП силовым током, измерению мощности потерь на приборе, измерению температуры корпуса TК. Сразу после прерывания силового тока измеряется величина ДUи и по ранее построенной градуировочной зависимости определяется величина TC. Далее на основании выражения (1) вычисляется величина Rth.

Недостатком известных способов является большая длительность процесса построения градуировочной зависимости для каждого СПП.

Известен метод «двух режимов» [4], основанный на проведении двух экспериментов, позволяющих при двух разных режимах охлаждения СПП найти два значения мощности потерь (при разных значениях греющего тока) и два значения температуры корпуса TК при условии равенства величин ТЧП, то есть при одной температуре структуры. Таким образом на основании двух экспериментов будут получены два уравнения вида (1), из которых путем исключения TС можно определить Rth по формуле

. (2)

Недостатком известного способа является сложность технической реализации, так как требуется специальная система регулируемого охлаждения корпуса испытуемого прибора.

Известны способы экспресс-измерения величины Rth, которые условно можно назвать «методом двух экспонент» [5-6]. Методы основаны на измерении температуры корпуса на этапах нагрева и охлаждения прибора. Реализация способа заключается в следующем. Через испытуемый прибор (ИП) пропускается греющий ток небольшой величины (несколько ампер). В процессе нагрева прибора измеряется значение ТЧП и температуры корпуса TК1. Измерения производят в момент достижения величины ТЧП определенного значения. После выключения греющего тока начинается процесс остывания ИП. На этом этапе непрерывно измеряется ТЧП прибора и температура корпуса. При достижении ТЧП на этапе охлаждения такого же заданного значения ТЧП, как и на этапе нагрева, измеряется температура корпуса Tк2. По формуле определяют искомую величину

. (3)

К основному недостатку известных способов можно отнести необходимость непрерывного измерения температуры корпуса СПП и ТЧП на всем интервале измерений. В режиме охлаждения измерение ТЧП производят в момент достижения термодинамического равновесия, когда температура корпуса и температура структуры становятся равными. Эти особенности способов приводят к усложнению системы синхронизации измерений и увеличению погрешности вычисляемого теплового сопротивления переход-корпус СПП.

Разновидностью указанных способов является способ определения теплового сопротивления переход-корпус транзисторов с полевым управлением [7]. Испытуемый прибор нагревают путем пропускания через него периодических импульсов греющего тока произвольной формы. В процессе нагрева через прибор пропускают измерительный ток, измеряют и запоминают значения ТЧП и температуры корпуса. Вычисляют среднюю мощность потерь в приборе. При достижении температурой корпуса прибора заданного максимума выключают греющий ток и продолжают измерять значения ТЧП. В режиме естественного охлаждения в момент времени, когда достигается термодинамическое равновесие (температура структуры становится равной температуре корпуса), измеряют и запоминают значение ТЧП и температуру корпуса. Затем по специальной формуле вычисляют величину теплового сопротивления.

Недостатком известного решения является то, что способ сложен в реализации, так как требует непрерывного измерения величины ТЧП и температуры корпуса, их запоминания и последующих вычислений. Кроме того, сложно обеспечить точное измерение момента достижения термодинамического равновесия из-за малой крутизны тепловых экспонент на последних этапах охлаждения прибора.

Технический результат предлагаемого решения заключается в сокращении времени оценки теплового параметра СПП – тепловой постоянной ф и связанного с ней теплового сопротивления, а также путем сравнения величин ф в партии СПП выявлять потенциально ненадежные образцы.

Сущность изобретения заключается в том, что в способе оценки тепловой постоянной СПП осуществляют нагрев СПП протекающим через него током произвольной формы до установившегося теплового состояния. Затем выключают ток и на этапе охлаждения СПП непрерывно измеряют величину ТЧП. Измерение ТЧП производят от момента времени выключения греющего тока до момента, когда ТЧП достигает заранее заданного значения, и по величине тепловой постоянной судят о тепловой инерционности и величине теплового сопротивления СПП.

На чертеже представлены временная диаграмма мощности, необходимой для нагрева прибора, изменение динамического теплового сопротивления в зависимости от времени нагрева СПП и временные зависимости изменения ТЧП.

Способ оценки тепловой постоянной СПП основан на использовании ТЧП как показателя инерционности теплового процесса в приборе.

Учитывая, что тепловая постоянная ф прибора как физическая величина, характеризующая тепловые свойства прибора, одинакова как для этапа нагрева прибора, так и для этапа его охлаждения, то измерения ф осуществляют не на этапе нагрева, а на этапе охлаждения. Поэтому измерения ф сводится к нагреву прибора в течение некоторого времени до установившегося теплового состояния, оценке мощности потерь, измерению величины ТЧП1 в момент отключения греющего тока и дальнейшему измерению величины ТЧП до достижения им некоторого заданного значения ТЧП2 (например, 0,5 от его величины в момент выключения греющего тока). По времени от момента отключения греющего тока до момента достижения величиной ТЧП заданного значения (ТЧП2) судят о величине тепловой постоянной прибора ф = t2 – t1.

По сравнению с известным техническим решением предлагаемое позволяет сократить время оценки тепловых параметров СПП, а также упростить техническую реализацию измерительного устройства.

Источники информации

1. Бардин В.М. Аппаратура и методы контроля параметров силовых полупроводниковых вентилей / В.М. Бардин, Л.Г. Моисеев, Ж.Г. Сурочная, О.Г. Чебовский. – М.: «Энергия», 1971. – 184 с.

2. Чебовский О.Г. Испытания силовых полупроводниковых приборов / О.Г. Чебовский, Л.Г. Моисеев. – М.: «Энергоиздат», 1981. – 200 с.

3. RU 2178893, МПК G01R31/26, опубл. 27.01.2002.

4. Рабинерсон А.А. Режимы нагрузки силовых полупроводниковых приборов / А.А. Рабинерсон, Г.А. Ашкинази. – М.: «Энергия», 1976. – 293 с.

5. RU 2240573, МПК G01R31/26, опубл. 20.11.2004.

6. RU 2300115, МПК G01R31/26, опубл. 27.05.2007.

7. RU 2516609, МПК G01R31/26, опубл. 20.05.2014.


Способ оценки тепловой постоянной силового полупроводникового прибора, заключающийся в том, что прибор нагревают протекающим через него током произвольной формы до установившегося теплового состояния, выключают ток и на этапе охлаждения прибора непрерывно измеряют величину термочувствительного параметра, отличающийся тем, что измерение термочувствительного параметра производят от момента времени выключения греющего тока до момента, когда термочувствительный параметр достигает заранее заданного значения, и по величине этого временного интервала оценивают тепловую инерционность и величину теплового сопротивления силового полупроводникового прибора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к технике измерения теплофизических параметров полупроводниковых приборов и может быть использовано для контроля их качества. Технический результат – повышение точности.
Использование: для измерения тепловых параметров силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении. Сущность изобретения заключается в том, что способ автоматизированного определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении для повышения быстродействия измерений и обеспечения стопроцентного контроля теплового сопротивления у всех СПП, подключают каждый СПП под номинальные напряжение, ток и частоту коммутации кратковременно на время, равное 0,02…0,05 постоянной времени теплового процесса прибора t=0,02…0,05 τ, затем отключают, измеряют термочувствительный параметр и сравнивают его с эталонным.

Изобретение относится к физике полупроводников. Его применение при определении параметров каскадно возбуждаемых ловушек носителей зарядов в полупроводнике позволяет исследовать каскадно возбуждаемый тип ловушек в более широком классе полупроводниковых материалов, начиная с кристаллических и заканчивая органическими полупроводниками и нанокристаллами, и обеспечивает расширенные функциональные возможности за счет определения не только характеристик ловушек, но и энергетической плотности их состояний.

Изобретение относится к метрологии. Способ тестирования испытуемого устройства характеризуется тем, что соединяют первый модуль источника/измерителя с первым набором по меньшей мере из трех триаксиальных кабелей и выводом заземления.

Предложенная группа изобретений относится к системе для контроля рабочего состояния IGBT-устройства в реальном времени. Система для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства содержит дифференцирующий блок (21) для приема характеристики напряжения (VGE) затвор-эмиттер IGBT-устройства (12), которая должна быть измерена, и для дифференцирования характеристики напряжения (VGE) затвор-эмиттер, чтобы получать импульсы, коррелирующие с фронтами, сформированными фазой участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12); блок (23) таймера для измерения временной задержки (tdelay) между полученными импульсами, указывающими начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12); блок (25) вычисления температуры полупроводникового перехода для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства (12) на основе измеренной временной задержки (tdelay).

Использование: для контроля тепловых характеристик полупроводниковых приборов и интегральных схем. Сущность изобретения заключается в том, что разогревают полупроводниковое изделие путем подачи на вход (на определенные выводы) полупроводникового изделия, подключенного к источнику питания, последовательности прямоугольных импульсов напряжения заданной амплитуды и длительности с частотой следования , измеряют среднюю за период следования прямоугольных импульсов напряжения мощность Pпот, потребляемую полупроводниковым изделием, разность фаз между входным импульсным напряжением и импульсным напряжением на выходе (на выходных выводах) полупроводникового изделия преобразуют в напряжение Uτ(t), в заданные моменты времени ti значения напряжения Uτ(t) запоминают и значения переходной тепловой характеристики полупроводникового изделия в моменты времени ti определяют по формуле ,где Kτ - относительный температурный коэффициент времени задержки сигнала в полупроводниковом изделии, а Uτ(0) - значение напряжения Uτ(t) в начале нагрева полупроводникового изделия, то есть при t0≈0.

Использование: для измерения теплофизических параметров полупроводниковых диодов. Сущность изобретения заключается в том, что способ заключается в предварительном определении ватт-амперной характеристики объекта измерения - полупроводникового диода, пропускании через диод последовательности импульсов греющего тока с постоянным периодом следования и изменяющейся амплитудой, обеспечивающей гармонический закон модуляции греющей мощности, измерении в паузах между импульсами прямого напряжения на диоде при малом измерительном токе и определении изменения температуры p-n перехода, вычислении с помощью Фурье-преобразования амплитуды и фазы основной гармоники переменной составляющей температуры перехода и определении модуля и фазы теплового импеданса полупроводникового диода.

Изобретение относится к электрофизическим способам определения степени релаксации барьерного слоя нитридной гетероструктуры и применяется для оценки качества кристаллической структуры, в которой наблюдается пьезоэлектрическая поляризация.

Изобретение относится к полупроводниковой технике и может быть использовано для тестирования качества полупроводниковых приборов, в частности светодиодов, с целью выявления в них дефектов, обусловленных дефектностью структуры, качеством монтажа, неравномерностью растекания тока и другими факторами.

Изобретение относится к технике измерения предельных параметров мощных биполярных транзисторов и может использоваться на входном и выходном контроле их качества.

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров полупроводниковых приборов силовой электроники и может быть использовано для экспресс-оценки тепловой инерционности прибора, его теплового сопротивления и контроля качества. Сущность: осуществляют нагрев силового полупроводникового прибора протекающим через него током произвольной формы до установившегося теплового состояния. Затем выключают ток и на этапе охлаждения прибора непрерывно измеряют величину термочувствительного параметра. Измерение термочувствительного параметра производят от момента времени выключения греющего тока до момента, когда термочувствительный параметр достигает заранее заданного значения. По величине временного интервала оценивают тепловую инерционность и величину теплового сопротивления силового полупроводникового прибора. Технический результат: сокращение времени измерения, упрощение технической реализации устройств для измерения тепловых параметров СПП, обеспечение возможности осуществлять неразрушающую отбраковку потенциально ненадежных образцов. 1 ил.

Наверх