硅基AIGaN-HEMT/MOS功率器件热阻压降测试仪的制作方法

硅基aigan-hemt/mos功率器件热阻压降测试技术，属于《2017年国家重点支持的高新技术领域》中：“电子信息-微电子技术-芯片设计分析与验证测试技术”范畴。

背景技术：

硅基aigan-hemt/mos功率器件属于电力电子半导体器件。尤其是增强型mos管，广泛用于开关、led照明驱动、斩波、变频等电力电子设备中。已成为继功率二极管、功率晶体管、功率晶闸管之后的重要的功率电力电子半导体器件，目前国产化程度越来越高。

硅基aigan-hemt/mos功率器件的测试检验设备，现在市场上不多，现仅有普通硅基mos管的门槛电压、导通电阻、门极电荷、跨导、开关时间、工作电压等参数的测试仪。但是，上述测试均未涉及到与温度有关的热阻、高温压降这二个热参数。作为功率半导体器件，在工作中将产生热量，会加热半导体芯片，而硅基aigan-hemt/mos功率器件芯片的显著热特性是温度越高、导通内阻越大或称压降越大，在同等工作电流下产生的热量越多，再次引起压降增大，如此恶性循环，直至器件不能工作、严重者被烧毁。所以，各制造商在设计功率器件结构时，应充分考虑功率器件的热阻参数；更重要的是，应对批量生产的功率器件进行例行出厂和周期检验，控制热阻值，以确保出厂产品质量和在线工艺安全。在产品的研发中，更需要这样的测试设备，将自己研发的功率器件热阻压降值与发达国家企业生产的同类名牌产品的热阻压降值相比较，可以从产品结构设计(例如硅基结构、晶胞参数)、工艺装备(例如减薄工艺、焊接工艺)上找出差距，确保赶上和超过国外名牌。

目前，我国存在着一个体量不小的硅mos管拆机回收市场，以广东的汕头、台州、揭阳等地为甚。其将回收电子设备中的mos管拆下，测试后翻新出售。理论上说，半导体芯片的工作寿命很长，最高能达十万小时，这种拆机回收业也不失为一种节约产业。但是，半导体芯片的主要材料为硅，芯片制造好后需用软钎料(例如锡)，焊接在金属导热支架上，硅与金属的热膨胀系数大相径庭，拆机件由于反复工作、反复热胀冷缩，硅与金属之间的软钎料已经产生热疲劳，处于泡沫松散状态，无法将芯片热量有效传导到金属支架上，形成了mos管的高热阻状态。这种拆机mos管流入市场，祸害不小。有了热阻压降测试仪，可以将拆机mos管逐一进行二个热参数的测试，根据所测结果筛选分档：将寿命长(热阻压降值必然低)的mos管用于较重要场合；_将寿命短(热阻压降值必然高)的mos管电流降档用于次要场合；将寿命到期(热阻压降值必然很高)的mos管给予淘汰。就可实行物尽其用，变害为利。

综上，发明并生产国产的硅基aigan-hemt/mos功率器件热阻压降测试仪，既用于研发单位测试硅基aigan产品，又用于生产企业测试硅基mos管产品，是一件很有创新意义的工作。

技术实现要素：

本发明提供一种硅基aigan-hemt/mos功率器件热阻压降测试仪的技术方案，能对额定电流1～100amos管的热阻和高温压降进行测试。能在3秒时间内，一次性测出每个mos管的这二个热参数，测量误差≤3％。是硅基aigan-hemt/mos功率器件研发单位、制造商、拆机商、用户测试mos管热特性的优选技术平台。测试仪线路简捷、体积小、耗能少、造价低，有利于大批量推广使用。

一种硅基aigan-hemt/mos功率器件热阻压降测试仪，由直流电源、脉冲发生电路、输出控制电路、电流调节电路、热阻压降取样电路、热阻压降显示电路、加热时间显示电路、加热电流显示电路等8部分组成。

所述直流电源，由双刀开关k11，电源变压器t11，直流电压表b11，5只储能电解电容c11、c12、c13、c14、c15，2只滤波电解电容c16、c17，3只整流二极管d11、d12、d13，稳压二极管d14，集成稳压器j11，泄放电阻r11，限流电阻r12，合计17只元器件组成。

c11、c12、c13、c14、c15并联后与r11、b11再并联，其并联的正端接v2端口、负端接gnd端口，交流市电二输入端口～通过k11接到t11的初级线圈，t11的次级线圈中间抽头接gnd端口、其余二端分别接d12、d13的正极，d12、d13的负极相连后接v2端口，d11的正极接v2端口，d11的负极与c17的正极、j11的输入端、r12的一端连接在一起，c17的负极接gnd端口，r12的另一端与d14的负极相连后接到v3端口，j11的中端接gnd端口，j11的输出端与c16的正极相连后接到v1端口，c16的负极和d14的正极接gnd端口。

直流电源的工作原理可参见说明书附图2：220v交流市电经k11复合，接入t11初级，在次级产生了23+23v交流电压，经d12、d13全波整流、c11、c12、c13、c14、c15储能后，得到约32v的直流电压，并接通到v2端口上，送往输出控制电路。r11是泄放电阻，当机器长期不用时，将电容上电荷释放。32v的直流电压经d11隔离后送往j11稳压后向v1端口送出12v电压，供脉冲等电路用。32v的直流电压经r12、d14稳压后向v3端口送出约24v电压，供被测mos管开通用。

所述脉冲发生电路，由脉宽调节可变电阻r21，8只电阻r22～r29，5只电容c21～c25，2只555时基电路j21、j22，测试开关k21，2只三极管s21、s22，二极管d21，合计20只元器件组成。

j21的1脚接gnd端口，j21的4、8脚相连接v1端口，j21的5、6脚之间接c21，j21的6、7脚联通后分别接c22、r21、r22的一端，j21的2脚接d21的正极、r24和c23的一端，j21的3脚接s21的发射极和接到b端口，c22的另一端接gnd端口，r21的另一端串联r23后接到v1端口，r22另一端接到v1端口，d21的负极接到v1端口，r24的另一端接到v1端口，c23的另一端连接r25的一端、k21的一端，r25的另一端接到v1端口，k21的另一端接gnd端口，s21的基极串联r26后接到v1端口，s21的集电极接到a端口。

j22的1脚接gnd端口，j22的4、8脚相连接v1端口，j22的5、6脚之间接c24，j22的6、7脚联通后分别接c25、r27的一端，j22的2脚与j21的2脚相接，j22的3脚串联r28后接到s22的基极，c25的另一端接gnd端口，r27的另一端接到v1端口，s22的集电极接c端口、又串联r29后接到v1端口，s22的发射极接到gnd端口。

脉冲发生电路的工作原理可参见说明书附图3：k21按下接通后，j21、j22的2脚得到负信号，开始同时翻转计时。其输出脚3同时输出正信号，经过b端口向外传出加热用正脉冲信号，通过s22倒相后向c端口传出显示用负脉冲信号，通过s21共基极放大后，向a端口传出更高电压的加热用的正脉冲信号。r21、r22、r23组成的电阻阵向c22充电，经100～300ms后j21翻转，加热脉冲结束，调节r21可调节加热脉冲周期，一般测量中使用200ms。同时，r27对c25充电，经3～4s后j22翻转，显示脉冲结束。a端口输出的正脉冲信号用于控制被测mos管的加热时间，b端口输出的正脉冲信号用于测量加热时间，c端口输出的负脉冲信号用于控制各仪表的显示时间。

所述输出控制电路，由6只电阻r31～r36，6只三极管s31～s36，合计12只元器件组成。

功率三极管s33、s34、s35、s36的集电极连接在一起接到v2端口，s33、s34、s35、s36的基极连接在一起接到s32的发射极，s33、s34、s35、s36的发射极分别串联电阻r32、r33、r34、r35后连接在一起接到d端口，s31与s32的集电极连接到v2端口，s31的发射极接到s32的基极上，s31的基极接到a端口，又串联r31后接到v2端口，r36的二端分别接e端口和gnd端口，被测mos管的栅极接到v3端口、源极接到e端口、漏极接到d端口。

输出控制电路的工作原理可参见说明书附图4：由电阻r31对s31基极提供电流，经s31、s32共集电极电路二级放大后，注入s33、s34、s35、s36的基极，在四个三极管的发射极中产生更大的电流，流入被测mos管的漏极，再经源极流经r36到gnd端口。用电流调节电路控制a端口的分流大小就可控制流过被测mos管电流的大小，用脉冲发生电路控制a端口的电位就可控制流过被测mos管加热电流脉冲时间的长短。在d、e端口间检出电位差就能测出mos管的二端的压降，在e、gdn端口间检出电位差就能测出流过mos管的电流。流过被测mos管的电流越大，通过电流的时间越长，mos管通态内阻越大，产生的热量就越多；mos管的热阻越高，通电前后mos管芯片的温升则越高；在相同时间对被测mos管通过相同的电流，测出加热后mos管二端压降就可以间接测得二个热参数：一是mos管的通态内阻，二是mos管的热阻。这就是本发明同时测量mos管二个热特性的原理。

所述电流调节电路，由电流调节电位器r41，4只电阻r42、r43、r44、r45，三极管s41，电容器c41，集成稳压器j41，合计8只元器件组成。

r44的一个固定端接gdn端口、另一固定端接j41阴极、滑动端接到s41的发射极，s41的发射极与集电极间接c41，s41的集电极外接a端口，s41的基极与r42串联后接e端口，r43与r44串联、其串联中点接j41的控制极、串联的二个端点分别接j41的阴极和阳极，j41的阴极与r45串联后接v1端口。

电流调节电路的工作原理可参见说明书附图5：由r43、r44、r45、j41构成了一个集成稳压电路，j41阴极对地电压约为5v。这个电压加在电位器r41的二端，随着r41滑动臂的移动，s41的发射极对地可得到0～5v的电位。e端口送入的反映待测mos管电流大小的电位信息，通过r42在s41的发射结上进行比较。若待测mos管电流比设置值大，e点电位高，s41导通对a点进行分流，迫使待测mos管电流减小，反之则反。c41的作用是防止调节电流时产生振荡的。

所述热阻压降取样电路，由4只电阻r51，r52、r53、r54，电解电容器c51，二极管d51，运算放大器j51，mos管s51，合计8只元器件组成。

j51的地端接gdn端口、电源输入端接b端口、负输入端接r53和r54串联的中点、正输入端接r51和r52串联的中点、输出端接d51的正极，r51另一端接d端口，r52另一端接gdn端口，r54另一端接e端口，r53另一端接d51的负极和de端口，c51的正极接de端口、负极接gdn端口，s51的漏极接de端口、源极接gdn端口、栅极接c端口。

热阻压降取样电路的工作原理可参见说明书附图6：电阻r51，r52、r53、r54，与j51组成了减法运算电路可以将d端口的电位减去e端口的电位后，输出二者之差，恰好是待测mos管的压降信号。由于e端口电位恒定、d端口随着待测mos管的发热升温，电位不断升高，该信号电压不断增大，到加热脉冲末期达到最大值。这个最大值被d51隔离，由c51记录下来，通过gdn端口和de端口向外输出。显示脉冲结束后，c端口电位由负转正，s51导通，c51上信号电压被释放清零，电路恢复到待测状态。

所述热阻压降显示电路，由2只运算放大器j61、j62，电解电容器c61，二极管d61，mos管s61，电压表b61，合计6只元器件组成。

j61的地端接gdn端口、电源输入端接v1端口、负输入端接d61的负极、正输入端接de端口、输出端接d61的正极，j62的地端接gdn端口、电源输入端接v1端口、负输入端与输出端相连又接b61的正极、正输入端接d61的负极，c61的正极接d61的负极、负极接gdn端口，s61的漏极接d61的负极、源极接gdn端口、栅极接c端口，b61的负极接gdn端口。

热阻压降显示电路的工作原理可参见说明书附图7：j61收到de电信信号后，进行跟随放大，通过d61将信号等值地保留在c61上。加热脉冲结束，该值仍被保留。c61上的信号值又被j62通过跟随放大原理，输出到b61上，显示给用户。显示脉冲结束后，c端口电位由负转正，s61导通，c61上信号电压被释放清零，电路恢复到待测状态。

所述加热时间显示电路，由2只电阻r71、r72，运算放大器j71，电解电容器c71，2只二极管d71、d72，mos管s71，电压表b71，合计8只元器件组成。

j71的地端接gdn端口、电源输入端接v1端口、负输入端接d72的负极、正输入端接c71的正极、输出端接d72的正极，c71的负极接gdn端口，d71的正极接b端口、负极接r71的一端，r71的另一端接c71的正极，s71的漏极接c71的正极、源极接gdn端口、栅极接c端口，b71的正极接d72的负极、负极接gdn端口，r72并联在b71上。

加热时间显示电路的工作原理可参见说明书附图8：由b端口送来的加热脉冲信号通过d71隔离、r71、c71的积分，在c71上留下电压。脉冲时间越长，则c71上电压越高，根据c71上电压高低可测得加热脉冲的时间长短。该电压由于d71的隔离作用，加热脉冲消失后，信号电压并不消失。该电压信号经j71跟随放大后，去驱动b71，转换成以毫秒为表面单位的加热时间。显示脉冲结束后，c端口电位由负转正，s71导通，c71上信号电压被释放清零，电路恢复到待测状态。r72是配合负载。

所述加热电流显示电路，由2只电阻r81、r82，2只运算放大器j81、j82，电解电容器c81，二极管d81，mos管s81，电压表b81，合计8只元器件组成。

j81的地端接gdn端口、电源输入端接v1端口、负输入端接d81的负极、正输入端接r81与r82的串联的中点、输出端接d81的正极，j82的地端接gdn端口、电源输入端接v1端口、负输入端与输出端相连又接b81的正极、正输入端接d81的负极，c81的正极接d81的负极、负极接gdn端口，s81的漏极接d81的负极、源极接gdn端口、栅极接c端口，b81的负极接gdn端口，r81的另一端接e端口，r82的另一端接gdn端口。

加热电流显示电路的工作原理可参见说明书附图9：加热电流在r36上产生的压降信号从e端口输入，经r81、r82分压后，加到j81的正输入端。通过j81跟随放大作用，经d81将信号保留在c81上。加热脉冲结束，该值仍被保留。c81上的信号值又被j82通过跟随放大，输出到b81上，以电流值的形式显示给用户。显示脉冲结束后，c端口电位由负转正，s81导通，c81上信号电压被释放清零，电路恢复到待测状态。

附图说明

图1，本发明原理方框图

图2，直流电源电原理图

图3，脉冲发生电路电原理图

图4，输出控制电路电原理图

图5，电流调节电路电原理图

图6，热阻压降取样电路电原理图

图7，热阻压降显示电路电原理图

图8，加热时间显示电路电原理图

图9，加热电流显示电路电原理图

具体实施方式

本发明的实施主要工作是将总计87只元器件有效地进行组装成整机。在组装前，根据所可能购置到的元器件的精度进行元器件的参数估算，估算原则需参照本发明内容中关于原理部分的介绍，元器件组装毕还要进行精细调整，使整机工作符合测量误差≤3％的要求。

精细调整的技术控制点在于：

1、用电压表测试v1＝12v±0.3v，v2＝32v±1v，v3＝24v±1v。

2、用示波器测试b端口输出的加热正脉冲，周期100～300ms，幅度不低于11v，同时b71上显示的时间周期应与示波器所测相同，误差≤1％，否则需调整r71和c71的积分值；c端口输出的显示负脉冲，周期3～4s，幅度不低于11v。

3、用示波器测试电流取样电阻r36二端加热电流产生的压降值，除以r36的阻值，得到加热电流值，应与b81上显示的电流值相同，误差≤1％，否则需调整r81的值。

4、当加热脉冲为200ms、加热电流等于被测mos管额定电流时，热阻压降测得的结果在b61表上显示的值应在2.00～9.00v之间。根据经验，2～3v者为优质品，3～5v者为合格品，5～7v者为次品，7～9v者为废品。

根据本说明书中的发明原理和主线路图，已生产出了符合设计要求的整机，用于硅基aigan-hemt/mos功率器件研发、制造商和用户，收到了很好的效果。利用本发明原理和主设计电路架构，改用单片机(mcu)采集、保存信息的技术来处理本机的信息，所生产的类似硅基aigan-hemt/mos功率器件热阻压降测试仪器，仍属于本发明范围。