一种用于GaN功率器件的功率循环主电路

一种用于gan功率器件的功率循环主电路
技术领域
1.本发明涉及功率半导体器件测量技术领域，具体涉及一种用于gan功率器件的功率循环主电路。


背景技术：

2.随着半导体技术和电力电子技术的发展，半导体器件的应用领域已经拓展到了军工、航天、新能源发电等重要领域。而以氮化镓(gan)和碳化硅(sic)为代表的宽禁带半导体器件也随着电力电子高频化、高功率密度化的大趋势获得了广泛的应用。最初gan器件只是用于雷达、激光等军用领域，由于制造工艺的进步，其成本也逐步降低，这使得gan器件应用范围逐渐向民用领域拓宽。但是gan器件尚处于发展的早期阶段，其失效机理仍处于研究中，可靠性仍需提高。可以通过加速老化试验加速gan器件的老化进程，藉此研究其故障的特征，这不仅对了解gan器件的老化模式有重大意义，亦对提高gan器件的可靠性具有重大意义。
3.目前常用功率循环试验对半导体器件实现加速老化进而测试其可靠性。功率循环试验是通过给被测器件施加功率，产生热损耗，使器件温度发生周期性波动，以此来模拟被测器件在真实工况中受到的热、电、机应力或者三者的耦合应力，从而模拟并加速了器件在实际工况下的老化过程，进而提前暴露器件在长期运行过程中可能存在的失效，以便进行器件的可靠性评估、失效机理研究和结构优化设计等。
4.现有的功率循环电路主要分为串联型和并联型两种。串联型功率循环电路是使被测器件和电流源串联，利用开关实现被测器件的导通和关断。串联型功率循环电路可以同时老化多组串联在一起的被测器件，具有效率高的特点。但是串联型功率循环电路不能利用冷却时间区段，其时间利用率低；此外串联型功率循环电路通过开断功率电流源来实现功率循环，这样频繁开断电流源会导致其寿命降低，从而降低功率循环电路的可靠性。并联型功率循环电路也是一种常用的功率循环电路，此类电路将多组被测器件与电流源并联，每组被测器件通过开关实现导通和关断。常通过交错导通来提高并联型功率循环电路的时间利用率，也可以在一条支路上串联多个被测器件来增大老化效率，另外还可以增加一条旁路提高电流源的可靠性。但是交错导通会使得控制方法变得复杂，外加旁路则会增加成本。


技术实现要素：

5.针对上述现有的功率循环电路的不足，本发明提供一种用于gan功率器件的功率循环主电路，实现以简单的控制方法实现对多组gan功率器件高效地进行老化，并且该功率循环主电路拥有较高的时间利用率。
6.本发明采取的技术方案为：
7.一种用于gan功率器件的功率循环主电路，包括：多条与电压源v
load
并联的待测模块；
8.所述待测模块包括微处理器、隔离电路、d/a转换电路、反相器、负反馈恒压源驱动模块、gan器件；
9.微处理器连接隔离电路，隔离电路分别连接d/a转换电路、反相器，d/a转换电路、反相器均连接负反馈恒压源驱动模块，负反馈恒压源驱动模块连接gan器件；
10.gan器件连接测量电路，所述测量电路包括热电偶、电流传感器，热电偶、电流传感器均连接微处理器。
11.所述电压源v
load
，用于为gan器件提供漏极-源极电压v
ds
，使得gan器件工作在有源区。所述微处理器输出信号一路经隔离电路、d/a转换电路进入负反馈恒压源驱动模块的端口1，微处理器输出信号另一路经隔离电路、反相器至负反馈恒压源驱动模块的端口2，改变微处理器的输出，能够调节负反馈恒压源驱动模块实现对被测gan器件的栅极-源极电压v
gs
的调整，以此能够调整流过被测gan器件的漏极-源极电流i
ds
。
12.所述热电偶，用来测量gan器件的温度；
13.所述电流传感器，用来测量gan器件的漏极-源极电流i
ds
。
14.所述负反馈恒压源驱动模块由一个减法器级联一个积分电路构成，积分电路输出端v
out
引回减法器的同向输入端，以构成负反馈；负反馈恒压源驱动模块端口1的电压和端口2的电压反相。
15.本发明一种用于gan功率器件的功率循环主电路，技术效果如下：
16.1).本发明用于进行功率半导体器件的功率循环测试，主电路采用电压源与多条待测模块并联，其中，电压源为被测gan器件提供特定的漏极-源极v
ds
，使得被测gan器件工作在有源区。所述被测gan器件的栅极-源极v
gs
可由微处理器通过调节负反馈恒压源驱动来改变，以此调节gan器件老化功率，实现老化进程的控制。
17.负反馈恒压源驱动还可以用于gan器件老化升温时结温的监测，得益于并联结构，主电路的控制方法简单，可以同时老化多组待测模块，各组待测模块之间互相解耦、易拓展。主电路具有时间利用率高且老化效率高的特点。
18.2).本发明的主电路可以实现多组老化策略，如：准结温波动老化策略、恒定壳温波动老化策略和恒定导通、关断时间老化策略，以应对不同的试验需求。在不同的老化策略下本发明的结温测量测略为：若主电路进行准结温波动的功率循环，则被测gan器件导通老化时通过测量电路中的电流传感器检测被测gan器件的漏极-源极i
ds
来检测结温，而在被测gan器件断开冷却时通过测量电路中的热电偶检测被测gan器件的壳温来反映结温；若主电路在恒定壳温波动的老化策略下进行功率循环，只需要通过测量的电路的热电偶测量被测gan器件的壳温即可；若主电路在恒定导通关断时间的老化策略下进行功率循环，其测量结温的方法类似于准结温波动老化策略下被测器件的测量方法。
19.3).本发明的主电路相较于传统的功率循环电路，不需要另外配置开关，只需要通过微处理器按预置的时序控制负反馈电压源驱动来调节被测gan器件的v
gs
，从而实现被测gan器件的开断。这不仅大大简化了主电路的控制，而且节约了成本；同时也有利于主电路的维护。
20.4).本发明的主电路采用并行老化的控制策略，即同时对多组待测模块进行老化。此电路相较于传统的功率循环电路具有老化效率高、电源利用率高、控制方法简单且各被测gan器件的老化相互解耦和易拓展等特点。
附图说明
21.图1为本发明的主电路图。
22.图2为本发明主电路中待测模块示意图。
23.图3为待测模块中负反馈恒压源驱动模块的示意图。
24.图4为数据手册上关于gan器件伏安特性与结温的关系图。
25.图5(1)为本发明主电路在准结温波动老化控制策略下工作的时序图一；
26.图5(2)为本发明主电路在准结温波动老化控制策略下工作的时序图二；
27.图5(3)为本发明主电路在准结温波动老化控制策略下工作的时序图三。
28.图6(1)为本发明主电路在恒定壳温波动老化策略下导通工作的时序图；
29.图6(2)为本发明主电路在恒定壳温波动老化策略下关断工作的时序图。
30.图7(1)为本发明主电路在导通时间老化策略下工作的时序图一。
31.图7(2)为本发明主电路在关断时间老化策略下工作的时序图二。
具体实施方式
32.如图1所示，一种用于gan功率器件的功率循环主电路，包括：多条与电压源v
load
并联的待测模块。其中，电压源v
load
为被测gan器件提供适当的漏极-源极电压v
ds
，使得被测gan器件工作在有源区。
33.如图2所示，所述待测模块包括微处理器、隔离电路、d/a转换电路、反相器、负反馈恒压源驱动模块、gan器件dut、散热器a。所述散热器a用于加速器件降温，可为由可调速风扇和散热片构成，用微处理器的pwm功能驱动风扇中电机驱动模块tb6612，进而控制器件降温速度。
34.微处理器连接隔离电路，隔离电路分别连接d/a转换电路、反相器，d/a转换电路、反相器均连接负反馈恒压源驱动模块，负反馈恒压源驱动模块连接gan器件，gan器件连接测量电路，所述测量电路包括热电偶b、电流传感器c，热电偶b、电流传感器c均连接微处理器。其中，微处理器可以控制负反馈恒压源来改变被测gan器件栅极-源极电压v
gs
，进而可以采用并行老化策略实现对多组待测模块同时进行老化。热电偶b、电流传感器c测量结温或者壳温、以及电流。
35.以gan system的gs61008p功率芯片为例，根据其提供的数据手册“gs61008pbottom-side cooled 100v e-mode gan transistor”可知，gan功率器件在一定的栅极-源极电压v
gs
下，其伏安特性漏极-源极电压v
ds
与漏极-源极电流i
ds
的关系与结温的关系为负温度特性，即：结温越高i
ds
越小，故可以利用被测gan器件的此类特性，在被测gan器件处于有源区工作时的i
ds
来反映结温高低。
36.微处理器输出信号一路经隔离电路、d/a转换电路进入负反馈恒压源驱动模块的端口1，微处理器输出信号另一路经隔离电路、反相器至负反馈恒压源驱动模块的端口2，改变微处理器的输出，能够调节负反馈恒压源驱动模块实现对被测gan器件的栅极-源极电压v
gs
的调整，以此能够调整流过被测gan器件的漏极-源极电流i
ds
。根据上述功能描述，给出一种实现的硬件选型：
37.微处理器可以采用st的stm32系列或ti的c2000系列；
38.隔离电路可以采用apcl系列光耦合隔离器；
39.d/a转换电路可以采用microchip公司的mcp4725；
40.反相器可以采用ti公司74hc14d；
41.热电偶b可以采用maxim公司max31855k型热电偶。
42.电流传感器c可以采用allegro公司acs758kcb-200b-pff-t。
43.如图3所示，负反馈恒压源驱动模块由一个减法器级联一个积分电路构成，积分器输出v
out
引回减法器的同向输入端以构成负反馈，图3中v
in
连接端口1，而开关s1的控制端连接端口2。由图2知，端口1的电压和端口2的电压反相，即v
in
与s1的控制信号反相。所以当微处理器输出低电平时，端口1电压即v
in
＝0v，从而v
out
＝0v，而端口2输入信号为正值，s1导通，积分器中的电容c1经r4放电；当微处理器输出高电平时，端口1电压即v
in
》0v，从而v
out
》0v，而端口2输入信号为零，s1关断。电容c1的放电回路保证了在微处理器输出高电平时，电容c1没有初始储能，这使得初始储能不会影响v
out
。
44.图4为数据手册“gs61008p bottom-side cooled 100v e-mode gan transistor”上关于gan器件伏安特性与结温的关系,此时v
gs
＝6v。可以从图中看随着gan器件的v
ds
增大，i
ds
先增大，待i
ds
达到有源区后i
ds
不再随v
ds
增大而增大。此外，随着gan器件结温的增大，在一定的v
ds
下i
ds
愈来愈小，即i
ds
具有负温度特性。故可以利用此关系，在被测gan器件导通老化时通过测量i
ds
的值来反映其结温。
45.图5(1)～图5(3)、图6(1)～图6(2)、图7(1)～图7(2)反映了本发明主电路在三种控制策略下的工作原理：
46.(一)：当控制策略为准结温波动老化时，本发明主电路的功率循环试验过程如下：
47.微处理器通过控制恒压源驱动模块使得被测gan器件v
gs
》v
threshold,gan
，对应图5(2)t
on
时间段，从而使之工作于有源区；此时持续增大的漏极-源极电流i
ds
，对应图5(3)t
on
时间段，流过被测gan器件，被测gan器件因此产生导通损耗而发热，导致被测gan器件结温升高，对应图5(1)t
on
时间段。若监测测量电路中的热电偶发现被测gan器件结温上升到预设最高结温t
j,max
时，由微处理器控制负反馈恒压源驱动模块使得被测gan器件v
gs
＝0，对应图5(2)t
off
时间段，从而关断被测gan器件，同时使能散热器为被测gan器件进行冷却，对应图5(1)t
off
时间段；若监测测量电路中的热电偶发现被测gan器件的壳温下降到预设最低壳温t
c,min
时，微处理器控制负反馈恒压源驱动模块导通被测gan器件，同时关断散热器停止冷却，此时开始新一轮的功率循环。图5(1)～图5(3)反映了此策略下主电路运行的时序图。
48.(二)：当控制策略为恒定壳温波动老化时，本发明主电路的功率循环试验过程如下：
49.被测gan器件在电压源作用下工作于有源区，持续增大的漏极-源极电流i
ds
流过被测gan器件，被测gan器件产生导通损耗而发热。通过测量电路中的热电偶监测被测gan器件的壳温，当壳温上升到预设的最高壳温t
c,max
时，微处理器控制负反馈恒压源驱动模块关断被测gan器件，同时使能散热器为被测gan器件冷却；若通过测量电路中的热电偶发现其壳温降低到预先设置的最低结温t
c,min
时，微处理器控制负反馈恒压源驱动模块导通被测gan器件从而开始新一轮功率循环试验。图6(1)～图6(2)反映了此策略下主电路运行的时序图。
50.(三)：当控制策略为恒定导通、关断时间时，本发明主电路的功率循环试验过程如下：
51.首先，微处理器控制负反馈恒压源驱动模块按预先设定的时间t1导通被测器件，待导通时间达到t1后，微处理器控制负反馈恒压源驱动模块按预先设定的关断时间t2关断被测gan器件，待导通时间达到t2后，微处理器控制负反馈恒压源驱动模块导通被测gan器件，开始新一轮的功率循环试验。图7(1)～图7(2)反映了此策略下主电路运行的时序图。
52.综上，采用一种用于gan功率器件的功率循环主电路，保证了被测gan器件在功率循环时的测试条件一致性，提高了实验结果的准确性。同时并行老化的控制策略有效地提高了电源利用率和时间利用率，有利于快速老化多组被测gan器件。此外通过微处理器按时序调节负反馈电压源驱动来调控被测gan器件栅极-源极电压v
gs
以实现被测gan器件导通、关断的方法，大大简化了主电路的控制，使得实现功率循环试验变得简单、方便。
53.本发明适用于gan功率半导体器件的功率循环主电路，主要用于生产gan功率半导体器件的厂家或者相关研究者使用。多条并联的待测模块可以同时被老化，各待测模块的老化进程相互解耦，互不影响。
54.通过微处理器可调节负反馈恒压源驱动模块来调节待测模块中的被测gan器件的栅极电压。由于dut在有源区，调节其栅极-源极电压v
gs
可以改变其漏极-源极电流，从而实现了对dut老化功率的调整，进而可以控制dut的老化加速过程。通过测量电路和dut开关方式，可实现多种不同的老化策略：
①
.基于准结温波动的老化控制策略；
②
.基于恒定壳温波动的老化控制策略；
③
.恒定导通、关断时间的老化控制策略。
55.其中，准结温波动的老化控制策略，是指在被测器件导通的时候测量i
ds
并通过i
ds
与结温的关系来反映结温，而在被测器件关断的情况下通过测量器件壳温反映结温，在整个功率循环周期内最大结温与最小壳温的差恒定；恒定壳温波动的老化控制策略，是指控制被测器件的壳温在每个功率循环周期内不变；恒定导通、关断时间的老化控制策略，是指通过选择合适的导通、关断时间对被测器件的结温波动进行调整。