Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности к технике измерения тепловых параметров силовых полупроводниковых приборов (СПП) в корпусном исполнении. Технический результат - обеспечение неразрушающего контроля теплового сопротивления переход- корпус СПП, сокращение времени измерения и в конечном итоге повышение выхода годности изделий в технологическом цикле их серийного производства. Сущность: полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока заданной амплитуды I. В процессе нагрева измеряют величину I и падение напряжения U на испытуемом приборе. Величину греющей мощности Р вычисляют по выражению Р=IU. По истечении времени t, равного утроенному значению тепловой постоянной конструкции прибора t=3τ_T, источник греющего тока отключают. Одновременно подключают источник измерительного тока и измеряют величину термочувствительного параметра в момент отключения источника греющего тока, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле U_np1. По истечении времени t=3τ_T по окончании процесса естественного перераспределения накопленного полупроводниковым кристаллом тепла по структуре конструкции прибора, включая массивное тело основания корпуса прибора, производят повторное измерение величины термочувствительного параметра U_np2. По полученным значениям рассчитывают разность U_np1-U_np2 и определяют разность между температурами перехода и корпуса испытуемого прибора K_T⋅(U_np1-U_np2)=T_J-T_C, где K_T - величина температурного коэффициента прямого напряжения. Величину теплового сопротивления переход-корпус R_thjc рассчитывают как отношение полученных значений T_J-T_C и мощности Р. 8 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, в частности, к способу измерения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов по переходной функции термочувствительного параметра и может быть использовано в технике измерения тепловых параметров силовых полупроводниковых приборов (СПП) в корпусном исполнении.

Уровень техники

Известен способ контроля теплового режима силовых полупроводниковых приборов, включающий использование концепции переходного теплового импеданса (см. Ершов А.Б., Хорольский В.Я., Атанов И.В., Ефанов А.В. // Электротехника, №3, 2019. с. 14-19).

Недостатком данного способа контроля теплового режима силовых полупроводниковых приборов является необходимость прямого контроля величины температуры корпуса прибора.

Известен способ измерения теплового сопротивления переход-корпус диодов, основанный на зависимости прямого напряжения диода при постоянном токе от температуры, заключающийся в том, что через контролируемый диод пропускают прямой начальный ток I_нач небольшой величины, исключающей заметный саморазогрев диода, затем подают на диод греющие импульсы прямого тока одинаковой амплитуды I_m и длительности τ_u, измеряют рассеиваемую в диоде мощность, а в промежутках между импульсами греющего тока измеряют изменение прямого напряжения диода U_ТП, используемого в качестве температурочувствительного параметра (см. ГОСТ 19656. 15-84 Диоды полупроводниковые СВЧ. Способы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления).

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

Известен способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов, заключающийся в подаче на контролируемый диод греющих импульсов тока, в промежутках между которыми через диод пропускают постоянный начальный ток и измеряют изменение прямого напряжения диода, в измерении греющей мощности и определении теплового сопротивления по полученным значениям, причем амплитуду греющих импульсов тока модулируют по гармоническому закону с периодом, на порядок превышающим тепловую постоянную времени переход-корпус для данного типа диодов, а изменение температурочувствительного параметра - прямого напряжения диода и греющей мощности определяют по измерениям амплитуды переменных составляющих тока и напряжения на частоте модуляции (см. патент РФ 2003128 на изобретение "Способ определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых диодов // В.А. Сергеев, В.В. Юдин - Бюл. 41-42, 1993 г.).

Наиболее существенным недостатком указанного способа является большое время измерения, составляющее (с учетом необходимости измерения нескольких электрических величин на частоте модуляции) несколько сотен тепловых постоянных времени переход-корпус для данного типа диодов. При использовании в устройствах, реализующих способ, селективных вольтметров с узкой полосой пропускания время измерения возрастает еще в несколько раз.

Другим существенным недостатком известного способа является сложность аппаратурной реализации, обусловленная сложностью одновременного измерения нескольких аналоговых сигналов на низкой или инфранизкой частоте.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому положительному эффекту и принятый авторами за прототип является экспресс-метод измерения теплового сопротивления переход-корпус R_thjc силовых полупроводниковых приборов (СПП) в корпусном исполнении, при котором нагрев испытуемого прибора производят постоянным током до заданного (из расчета чтобы температура перехода прибора не превышала 125°С) значения температуры корпуса прибора. Далее на интервале охлаждения в момент t=3τ₀ одновременно с фиксацией температуры корпуса прибора фиксируются и значения величины термочувствительного параметра, в качестве которого используется величина падения напряжения на кристалле прибора. Зафиксированную величину термочувствительного параметра переводят используя линейную зависимость температурного коэффициента прямого напряжения в соответствующую величину температуры перехода. Расчет теплового сопротивления переход-корпус (R_thjc) СПП производится по отношению разности температур перехода и корпуса СПП к величине мощности, выделяемой на приборе постоянным греющим током (см. пат. RU №2240573, МПК G01R 31/26, опубл. 20.11.2004 г.).

Данный экспресс-метод позволяет:

- кардинально уменьшить, по сравнению с нормативными способами определения параметра R_thjc, время измерения;

- уменьшить аппаратные, энергетические и трудовые затраты при испытаниях устойчивости СПП к статическим тепловым перегрузкам.

Недостатками данного экспресс-метода являются:

- необходимость прямого контроля величины температуры корпуса прибора, а следовательно данный способ является способом разрушающего контроля и не обеспечивает возможность сплошного контроля указанного параметра;

- необходимость разогрева корпуса СПП до температуры <125°С, что в совокупности с необходимостью установки на основание корпуса прибора термодатчика обуславливает значительное (единицы минут) время определения искомого параметра. В тоже время, при разогреве прибора до температуры <125°С разность между температурой перехода T_j (кристалла полупроводника) и корпусом прибора Т_с, определяемая статическим сопротивлением переход-корпус R_thjc и соответственно точность его определения, не увеличится по сравнению с состоянием, при котором корпус прибора еще не нагрелся до температуры значительно превышающей температуру окружающей среды.

Таким образом, тепловое сопротивление переход-корпус (R_thjc) СПП определяется как отношение разности температуры перехода (T_j) и температуры корпуса (T_c) СПП в контролируемой точке к рассеиваемой мощности прибора в установившемся тепловом режиме, когда измеряемая температура не изменяется по отношению к окружающей среде.

Для СПП в настоящее время нормативно установлены (см. ГОСТ 24461-80. Приборы полупроводниковые силовые. Способы измерений и испытаний), [Диоды кремниевые выпрямительные на токи 10, 25, 50 и 80 А. Технические условия ТУ ИДЖК.432312.011 ТУ-ЛУ. Дата введения 30.05.2014 г.] два способа измерения теплового сопротивления переход-корпус [1 п. 2.8.4.1, п. 2.8.4.2] с нагревом прибора источником греющего постоянного тока и с нагревом окружающей среды соответственно, процедура которых предполагает измерение температуры корпуса прибора в установившемся тепловом состоянии с помощью термопары и потенциометра постоянного тока с глубиной погружения термопары в тело корпуса прибора в контрольной точке, например для силовых кремниевых диодов штыревой конструкции типа 2Д412-10, 2Д412-10Х, 2Д422-25, 2Д422-25Х, 2Д432-50, 2Д432-50Х, 2Д432-80, 2Д432-80Х (1,5±0,5) мм [2 п. 6.3.4], при этом по окончании процедуры испытаний приборы бракуются. Расчет величины теплового сопротивления R_thjc, в частности для конструкции силовых приборов с односторонним охлаждением производится по выражению:

где T_j - температура перехода, косвенно определенная по величине измеренного падения напряжения на приборе в момент отключения источника греющего постоянного тока и одновременного подключения источника измерительного тока; Т_с - температура корпуса прибора, измеренная с помощью термопары в момент отключения источника греющего тока; I, U - ток и падение напряжения на приборе в момент достижения установившегося теплового баланса

Указанные способы измерения теплового сопротивления переход-корпус СПП обладают следующими недостатками:

1. являются способами разрушающего контроля;

2. предназначены для проведения выборочного контроля и не обеспечивают сплошной контроль указанного параметра;

3. вследствие длительности достижения установившегося теплового состояния между корпусом СПП и окружающей средой данные способы требуют большого времени для определения указанного параметра;

4. требуют существенно больших аппаратных, энергетических и трудовых затрат.

Для измерения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых СВЧ диодов нормативно установлен (см. ГОСТ 19656.15-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Способы измерения теплового сопротивления переход-корпус и импульсного теплового сопротивления) способ ([3, п. 2 Способ измерения с использованием зависимости прямого напряжения диода от температуры и разогревом импульсами прямого тока]) в соответствии с которым как температура корпуса прибора, так и температура его перехода определяются косвенно - по функции термочувствительного параметра, в качестве которой используется зависимость прямого падения напряжения на приборе от его температуры. При этом, приращение температуры перехода по отношению к установившейся в результате разогрева прибора импульсами прямого тока температуре корпуса испытуемого прибора обеспечивается в результате рассеивания в СВЧ диоде определенной мощности импульса прямого тока. Изменение прямого напряжения диода СВЧ под действием импульса прямого тока показано на фиг. 1, [3, Черт. 3].

Период следования импульсов Т выбирают из условия:

где τ_T - тепловая постоянная времени конструкции прибора.

Длительность импульсов выбирают из условия:

Указанный способ измерения теплового сопротивления переход-корпус не предусматривает процедуры прямого измерения температуры корпуса СВЧ прибора, вследствие чего является способом неразрушающего контроля данного параметра. Однако, вследствие того, что измерения должны производится в состоянии теплового баланса между температурой корпуса прибора и температурой окружающей среды этот способ обладает всеми остальными недостатками вышерассмотренных нормативных способов определения теплового сопротивления переход-корпус СПП. Очень важно, что в силу рассмотренных особенностей указанная процедура определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых СВЧ диодов достаточно длительная.

Особенностью конструкции мощных СПП в корпусном исполнении, обусловленной необходимостью обеспечения тепловой устойчивости к воздействию резких динамических токовых перегрузок, является наличие массивного основания корпуса прибора, обладающего большой теплоемкостью. Такая конструкция обеспечивает относительно быстрое поглощение энергии массивным корпусом СПП, выделяемой в кристалле полупроводника при кратковременной токовой перегрузке с дальнейшей медленной передачей избытка накопленной энергии в окружающую среду.

При нагреве СПП постоянным током тепловой поток от кристалла полупроводника через паянный слой распространяется к массивному корпусу силового прибора и далее в окружающее пространство. Для повышения эффективности отвода тепла от корпуса СПП в окружающее пространство, как правило, применяются радиаторы естественного воздушного охлаждения, принудительного воздушного охлаждения, системы жидкостного охлаждения и т.д. Применение систем принудительного охлаждения позволяет значительно снизить величину теплового сопротивления корпус-окружающая среда. Эффективность отвода тепла от кристалла полупроводника к корпусу СПП на практике в основном определяется качеством спая кристалла с корпусом СПП. Эвтектический сплав либо паяный слой, если они выполнены некачественно, могут оказывать значительное тепловое сопротивление распространяющемуся через физическую структуру СПП тепловому потоку. Поэтому контроль теплового сопротивления СПП является одним из наиболее эффективных способов контроля качества этой важнейшей технологической операции наряду с контролем приборов на виброустойчивость, вибропрочность и термоциклирование, а невозможность сплошного контроля этого параметра в процессе серийного производства приборов делает ущербной всю существующую систему контроля.

С достаточной для практики точностью рассматриваемые тепловые процессы описываются с помощью эквивалентных тепловых моделей из R_iC_i - цепочек, где R_i - тепловое сопротивление [С/Вт], C_i - теплоемкость [Дж/°С], τ_i=R_iC_i - тепловая постоянная времени i-й цепочки. Количество и схема соединения используемых цепей эквивалентной тепловой модели определяется конструкцией соответствующего типа СПП и требованиями к точности моделирования тепловых процессов. Для неуправляемых силовых ключей (силовых диодов) цепочка с тепловой постоянной времени τ₀=R₀C₀ соответствует структуре первого паяного слоя (кристалл полупроводника - припой). Соответственно τ₁=R₁C₁ - второго (припой - массивное медное основание корпуса прибора), τ₂=R₂C₂ - третьего (основание корпуса прибора - охладитель (радиатор)). Для повышения эффективности отвода тепла от основания корпуса прибора к охладителю (радиатору), как правило, используется теплопроводящая паста.

Скорость установления теплового равновесия определяется величинами тепловых постоянных времени R_iC_i - цепочек. Полное переходное тепловое сопротивление прибора при последовательном соединении R_iC_i - цепочек и нагреве прибора постоянным током определяется суммой показательных функций с параметрами эквивалентной тепловой модели:

- на этапе нагрева прибора

- на этапе охлаждения прибора

Для конструкции СПП характерно то, что величина теплоемкости кристалла полупроводника значительно меньше теплоемкости основания корпуса прибора Теплоемкость паяного слоя настолько мала по сравнению с величиной теплоемкости основания корпуса прибора что ее обычно не учитывают. Выражения (4) и (5) для переходного теплового сопротивления переход-корпус прибора Z_thjc(t) в этом случае преобразуются к виду:

- на этапе нагрева прибора

- на этапе охлаждения прибора

Из выражений (6) и (7) следует, что величина статического теплового сопротивления переход-корпус СПП определяется величиной (R₀+R₁), т.е. практически качеством паяного соединения кристалла полупроводника с основанием корпуса прибора. Функция установления температуры перехода СПП T_j(t) при этом определяется выражением:

Графически данная зависимость имеет вид показанный на фиг. 2.

Для экспоненциальных выражений (6) и (7) при t>3τ₀ экспоненциальные члены становятся пренебрежимо малы как на этапе нагрева прибора постоянным током, так и на этапе его остывания при отключении греющего тока. На этапе нагревания прибора греющим током при t>3τ₀ дальнейшее воздействие греющего тока приводит только к медленному пропорциональному возрастанию температур T_j(t) и при этом разность между данными температурами перестает изменяться T_j(t)-T_c(t)=const, a Z_thjc(t)=R_thjc. На этапе нагрева прибора температура перехода (кристалла полупроводника) прибора вначале быстро (по экспоненциальной зависимости) достигнет температуры соответствующей величине мощности, выделяемой в кристалле греющим током Р=IU, а затем медленно температура корпуса прибора будет увеличиваться до температуры кристалла полупроводника. Аналогично, на этапе остывания температура перехода (кристалла полупроводника) вначале быстро, (по экспоненциальной зависимости) достигнет температуры корпуса прибора, а затем медленно температура перехода (кристалла полупроводника) и температура основания корпуса прибора будут уменьшаться до температуры окружающей среды. При этом если корпус прибора не разогревать до температуры окружающей среды, то при отключении греющего тока по истечении времени t>3τ₀ наступит устойчивое тепловое равновесие между температурами перехода, основания корпуса прибора и окружающей среды. В этом состоянии величина падения напряжения на переходе прибора (величина термочувствительного параметра) будет практически соответствовать температуре корпуса прибора и окружающей среды (фиг. 3).

Экспоненциальный характер функций (6) и (7) выдвигают требования к продолжительности интервала воздействия греющего тока при определении величины теплового сопротивления прибора и определяют саму теоретическую возможность определения данного параметра по динамике теплового состояния прибора как в режиме его разогрева, так и в режиме его охлаждения. Однако в режиме разогрева величина падения напряжения на приборе определяется величиной греющего тока. Это практически делает несостоятельной процедуру определения искомого значения R_thjc в данном режиме. В режиме же охлаждения прибора он не подвергается воздействию греющего тока и может быть подвержен воздействию измерительного тока, величина которого не оказывает существенного значения на изменение его температуры.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов (СПП) по переходной функции термочувствительного параметра, обладающего возможностью оперативного неразрушающего контроля величины R_thjc, а также имеет непосредственной целью обеспечение оперативного сплошного контроля качества выполнения технологической операции пайки кристалла полупроводника к основанию корпуса силового полупроводникового прибора в водородной печи и одновременно к обеспечению максимального сокращения времени контроля, аппаратных, энергетических и трудовых затрат.

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого способа сводится к обеспечению возможности неразрушающего и, таким образом, сплошного контроля величины R_thjc, и одновременно к обеспечению максимального сокращения времени контроля, аппаратных, энергетических и трудовых затрат.

Технический результат достигается с помощью способа определения теплового сопротивления переход-корпус СПП по переходной функции термочувствительного параметра, заключающийся в том, что полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока заданной амплитуды I измеряют величину греющего тока I и падение напряжения U на испытуемом приборе при прохождении греющего тока, вычисляют величину греющей мощности Р по выражению Р=IU, по истечении времени t равного утроенному значению тепловой постоянной конструкции прибора t=3τ_T источник греющего тока отключают, при этом в момент отключения источника греющего тока одновременно подключают источник измерительного тока и измеряют величину переходной функции термочувствительного параметра в момент отключения источника греющего тока, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле U_np1, в режиме естественного перераспределения накопленного полупроводниковым кристаллом тепла по структуре конструкции прибора включая массивное тело основания корпуса прибора по истечении времени t равного утроенному значению тепловой постоянной конструкции прибора t=3τ_T, затем производят повторное измерение величины переходной функции термочувствительного параметра U_np2, рассчитывают разность U_np1-U_np2, умножают полученное значение на предварительно определенную величину температурного коэффициента прямого напряжения K_T, получая, таким образом, искомую разность между температурами перехода и корпуса испытуемого прибора K_T⋅(U_np1-U_np2)=T_J-T_C и по полученным значениям рассчитывают величину теплового сопротивления переход-корпус силового полупроводникового прибора.

Таким образом, технический результат достигается посредством использования процедуры определения величины теплового сопротивления переход-корпус по динамической характеристике переходного теплового сопротивления прибора Однако, в отличие от экспресс-метода измерения величины теплового сопротивления переход-корпус СПП в корпусном исполнении (см. патент RU №2240573) нагрев корпуса прибора постоянным греющим током производится не до фиксированного значения температуры (<125°С), а до величины практически не превышающей температуру окружающей среды (см. фиг. 4).

В предлагаемом методе температура корпуса прибора и температура его перехода определяются косвенно - по функции термочувствительного параметра, так как это происходит при определении данного параметра при вышерассмотренном методе его определения для диодов СВЧ. Однако, получение функции термочувствительного параметра происходит не как реакция на воздействие отдельного прямоугольного импульса греющего тока в условиях воздействия последовательности таких импульсов, а как реакция на воздействие отрицательного скачка постоянного (греющего) тока с величиной сравнимой с величиной номинального тока прибора при его отключении, т.е. реакции на воздействие переходной функции. Максимальное сокращение времени измерения искомого параметра достигается за счет нагрева кристалла полупроводника не до теплового состояния, при котором температура корпуса прибора значительно превышает температуру окружающей среды, а до такой температуры корпуса прибора, при которой она практически не превышает температуру окружающей среды, т.е. до априорно существующего изначально теплового баланса между температурой корпуса прибора и температурой окружающей среды.

Время нагрева перехода (кристалла полупроводника) определяется из условия где - тепловая постоянная времени конструкции прибора, зависящая от конкретного типа СПП. Данная величина для конкретного типа СПП определяется экспериментально по переходной функции термочувствительного параметра.

Определение греющей мощности производится в момент непосредственно предшествующий отключению греющего тока по измеренным величинам греющего тока I и падения напряжения на приборе U, обусловленного протеканием греющего тока

Определение температур перехода в момент отключения греющего тока и в момент t=3τ производится по величине термочувствительного параметра, какой является величина падения напряжения на приборе U, обусловленная протеканием измерительного тока. Для перевода величины термочувствительного параметра в соответствующую величину температуры перехода используется линейная зависимость термочувствительного параметра от температуры перехода (фиг. 5), определяющая величину температурного коэффициента прямого напряжения при протекании постоянного тока К_T.

Величина температурного коэффициента прямого напряжения на переходе К_T для конкретного типа СПП практически неизменна и определяется выражением:

Эта величина показывает изменение (уменьшение) падения напряжения на переходе прибора при увеличении его температуры на 1°С.

Практически для расчета величины теплового сопротивления переход-корпус R_thjc нет необходимости в расчете значений температур перехода T_j и корпуса СПП Т_с. В соответствии с выражением [1] достаточно определить разность зафиксированных значений соответствующих величин термочувствительного параметра, умножение которой на величину К_T даст значение T_j-T_e.

Расчет величины теплового сопротивления R_thjc, в частности для конструкции силовых приборов с односторонним охлаждением производится по выражению (1).

Краткое описание чертежей и иных материалов

На фиг. 1 дан способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов, по переход ной функции термочувствительного параметра, изображены эпюры греющего тока и прямого падения напряжения на переходе СВЧ диода в процессе определения величины теплового сопротивления переход-корпус СВЧ диода по ГОСТ 19656.15-84.

На фиг. 2, тоже, изображены эпюры графиков зависимости температур перехода T_j (кристалла полупроводника) и корпуса СПП Т_с при воздействии на прибор постоянного прямого тока в течение времени превышающем утроенное значение величины тепловой постоянной времени конструкции прибора.

На фиг. 3, тоже, изображены эпюры графиков зависимости воздействующего на прибор постоянного прямого тока в течение времени превышающем утроенное значение величины тепловой постоянной времени конструкции прибора, падения напряжения на приборе, обусловленного воздействием на него измерительного тока и соответствующей зависимости температуры перехода T_j (кристалла полупроводника).

На фиг. 4, тоже, изображена практически полученная переходная функция термочувствительного параметра для роторного диода 2Д422-25 (фирма производитель АО «Оптрон-Ставрополь») при воздействии на испытуемый прибор постоянного греющего прямого тока в течении времени равном утроенному значению величины тепловой постоянной времени конструкции прибора.

На фиг. 5, тоже, изображена практически полученная зависимость термочувствительного параметра от температуры перехода для роторного диода 2Д422-25 (фирма производитель АО «Оптрон-Ставрополь»), определяющая величину температурного коэффициента прямого напряжения при протекании постоянного тока К_T.

На фиг. 6, тоже, изображена структурная схема устройства, выполненная на контроллере цифровой обработки сигналов, автоматически реализующего алгоритм предлагаемого метода определения величины теплового сопротивления переход-корпус СПП, лицевая панель прибора.

На фиг. 7, тоже, таблица, результаты контроля величины теплового сопротивления переход-корпус СПП для выборки из 25 приборов.

На фиг. 8, тоже, контроль теплового сопротивления по ужесточенным нормам.

Осуществление изобретения

Техническая реализация предлагаемого способа определения величины теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов по переходной функции термочувствительного параметра в корпусном исполнении заключается в следующем:

На начальном этапе в программу для контроллера цифровой обработки сигналов dsPIC33EP128GP вводятся данные о типах испытуемых СПП, содержащие величины номинального греющего тока I_{нагр.ном.}, время нагрева испытуемых приборов данным током t_нагр. и величины их температурного коэффициента прямого напряжения К_T.

Лицевая панель прибора содержит контроллер 1 цифровой обработки сигналов dsPIC33EP128GP, кнопочную клавиатуру кнопку «Выбор» 2, LCD дисплей 3, панель индикации 4, расширитель порта контроллера 5, согласующее интерфейсное устройство 6, испытуемый силовой полупроводниковый прибор 7, контактирующее устройство 8, силовой ключ 9, согласующее интерфейсное устройство 10, источник 11 греющего тока, выходы измерительного шунта 12, масштабирующее устройство 13 контроля величины падения напряжения 13, источник 14 вторичного электропитания.

На первом этапе измерений (см. фиг. 6) в контроллер 1 цифровой обработки сигналов dsPIC33EP128GP, с помощью кнопки «Выбор» 2 вводятся данные о типе испытуемого СПП 7. Контроль введения данной информации производится с помощью их визуализации на LCD дисплее 3 и панели индикации 4. Панель индикации 4 содержит световые индикаторы (светодиоды) (на фиг. не показаны) для каждого из предусмотренных типов испытуемых приборов, световую индикацию сопровождающую цикл измерений, индикацию об отсутствии испытуемого прибора в контактирующем устройстве и его неработоспособности «Брак прибора». Процесс выбора соответствующего типа испытуемого прибора сопровождается коротким тональным звуковым сигналом. Управление элементами индикации контроллер 1 производит через расширитель порта контроллера 5 и согласующее интерфейсное устройство 6.

На втором этапе по команде оператора кнопкой «RUN» (на фиг. не показана) испытуемый СПП 7, предварительно закрепленный в контактирующем устройстве 8 с помощью силового ключа 9 через согласующее интерфейсное устройство 10 контроллером 1 цифровой обработки сигналов dsPIC33EP128GP подключается к источнику стабилизированного источника 11 греющего тока. Одновременно к входам АЦП контроллера 1 подключаются выходы измерительного шунта 12 и масштабирующего устройства (МУ) 13 контроля величины падения напряжения для измерения величин греющего тока и прямого падения напряжения на испытуемом приборе 7. В момент включения источника 11 греющего тока включается первый программный таймер.

На третьем этапе контролируются время нагрева испытуемого прибора t_нагр., величины греющего тока I_нагр. и прямого падения напряжения на нем U_np.. По истечении установленного времени нагрева испытуемого силового полупроводникового прибора 7 греющим током величина греющего тока и падение напряжения на испытуемом приборе 7 фиксируются и заносятся в оперативную память контроллера 1 для последующего расчета величины греющей мощности (IU=Р). Далее источник 11 греющего тока отключается и одновременно включается второй программный таймер задержки контроля величины падения напряжения на испытуемом приборе 7 на время переходного процесса во входной цепи АЦП контроллера 1. Одновременно в целях повышения точности измерения величины падения напряжения в точке разрыва 1-го рода функции U_j(t) на кратную величину увеличивается частота сэмплирования сигнала. По истечении времени задержки (единицы микросекунд) величина падения напряжения на испытуемом приборе фиксируется и заносится в оперативную память контроллера 1. Далее контроллер 1 производит расчет величины и заносит рассчитанную величину в оперативную память контроллера 1. Одновременно включается третий программный таймер.

На четвертом этапе контролируются момент достижения падения напряжения на испытуемом приборе 7 величины 0,368U_j(t_нагр.+t_зад.) и время достижения данной величины, отсчитывая ее от момента включения третьего программного таймера. Определенная таким образом величина соответствует величине тепловой постоянной времени прибора τ_T. Данная величина вносится в оперативную память контроллера 1. Далее производится включение четвертого программного таймера, расчет величины помещения ее в оперативную память контроллера 1 и производится фиксация момента достижения данной величины.

На пятом этапе фиксируется величина падения напряжения на испытуемом приборе 7 в момент Данная величина заносится в оперативную память контроллера 1.

На шестом этапе контроллер 1 производится расчет величины теплового сопротивления переход-корпус СПП и вывод данной величины на экран LCD дисплея 3. В начале производится расчет величины греющей мощности Р по измеренным на третьем этапе величинам падения напряжения на испытуемом силовом приборе 7 U при протекании по нему греющего тока I и значению данного тока по формуле IU=Р. Затем определяется разность величин падений напряжения на испытуемом силовом приборе 7 в момент отключения источника 11 греющего тока и в момент Полученная разность значений термочувствительного параметра умножается на соответствующую величину температурного коэффициента прямого напряжения К_T. Рассчитанное таким образом значение соответствует разности температур перехода и корпуса СПП. Искомое значение величины теплового сопротивления переход-корпус R_thjc рассчитывается в соответствии с выражением (1) как отношение разности температур перехода и корпуса СПП к величине ранее определенной греющей мощности Р. Рассчитанная величина теплового сопротивления переход-корпус СПП выводится на экран LCD дисплея 3.

Ниже в таблице 1 приведены результаты контроля величины теплового сопротивления переход-корпус роторных диодов 2Д422-25 для выборки из 20 приборов предлагаемым методом, методом с нагревом прибора до фиксированного значения температуры корпуса прибора (патент RU №2240573) и результаты независимого контроля по ужесточенным нормам.

Приведенные результаты контроля свидетельствуют о том, что оба метода обеспечивают достаточную для практики точность определения искомого параметра. Однако, предлагаемый способ вследствие отсутствия необходимости встраивать в тело корпуса прибора термодатчик позволяет производить неразрушающий контроль указанного параметра посредством замены очередного контролируемого прибора в контактирующем устройстве и нажатием оператором кнопки «RUN». Время вывода результата контроля на экран LCD дисплея 3 не превышает единиц секунд.

Более детальный анализ предлагаемого метода позволил выявить немаловажные особенности различных подходов его технической реализации:

1) Вследствие того, что величина измерительного тока не оказывает практического влияния на нагрев полупроводникового кристалла прибора 7, подключение источника (на фиг. не показан) измерительного тока возможно производить одновременно с подключением источника 11 греющего тока. Однако, вследствие того, что в этом случае наибольшее влияние на точность определения искомого значения величины теплового сопротивления переход-корпус СПП в момент отключения источника 11 греющего тока оказывает частота сэмплирования сигнала возникает необходимость в повышении данной частоты в целях обеспечения требуемой точности.

2) С формальной точки зрения нагрев основания корпуса СПП должен начинаться одновременно с нагревом полупроводникового кристалла прибора и происходить в отличие от нагрева кристалла полупроводника не по экспоненциальной, а по линейной зависимости. Однако практически, вследствие того, что величина тепловой емкости кристалла полупроводника настолько мала по сравнению с величиной тепловой емкости основания корпуса прибора 7, нагрев основания корпуса прибора в момент включения источника 11 греющего тока и до момента где - тепловая постоянная времени конструкции прибора 7 практически не успевает происходить. Датчики температуры (на фиг. не показаны) данный нагрев не регистрируют.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими и известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

- обеспечение возможности неразрушающего и, таким образом, сплошного контроля величины R_thjc;

- обеспечение максимального сокращения времени контроля, аппаратных, энергетических и трудовых затрат.

Способ определения теплового сопротивления переход-корпус СПП по переходной функции термочувствительного параметра, заключающийся в том, что полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока заданной амплитуды I, измеряют величину греющего тока I и падение напряжения U на испытуемом приборе при прохождении греющего тока, вычисляют величину греющей мощности Р по выражению Р=IU, по истечении времени t, равного утроенному значению тепловой постоянной конструкции прибора t=3τ_T, источник греющего тока отключают, отличающийся тем, что в момент отключения источника греющего тока одновременно подключают источник измерительного тока и измеряют величину переходной функции термочувствительного параметра в момент отключения источника греющего тока, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле U_np1, в режиме естественного перераспределения накопленного полупроводниковым кристаллом тепла по структуре конструкции прибора, включая массивное тело основания корпуса прибора, по истечении времени t, равного утроенному значению тепловой постоянной конструкции прибора t=3τ_T, затем производят повторное измерение величины переходной функции термочувствительного параметра U_np2, рассчитывают разность U_np1-U_np2, умножают полученное значение на предварительно определенную величину температурного коэффициента прямого напряжения K_T, получая, таким образом, искомую разность между температурами перехода и корпуса испытуемого прибора K_T⋅(U_np1-U_np2)=T_J-T_C и по полученным значениям рассчитывают величину теплового сопротивления переход-корпус силового полупроводникового прибора.