专利名称：一种评估功率vmos管寿命以及可靠性的分析方法
技术领域：
本发明涉及一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法。具体涉及一种用于分析和评估功率VMOS管退化失效、可靠性以及寿命的方法。属于功率半导体器件安全测试技术领域。
背景技术：
功率半导体器件在航空机载电子设备、振动系统的功率放大器中，在机车牵引、风力发电、交流电机调速、光伏发电等功率变换领域中都发挥着不可替代的作用。由于功率器件通常在高压、大电流、高温、高频等高应力的环境中工作，使得其寿命及可靠性问题显得尤为突出。功率器件的寿命及可靠性问题，成为使用中的一个亟待解决的技术瓶颈。它的失效会造成严重的后果。现有技术经常采用以下可靠性设计方法I.冗余设计通过多管并联的方式可以显著增大允许通过的最大电流，避免由于某一个器件的失效导致系统无法运行。功率器件从单管发展到双管，应用中四管并联或八管并联，都是冗余设计的表现，大大增加其驱动的功率。2.热设计热分析技术通过对电路进行热设计，选用恰当的散热措施可以有效避免安全工作区内器件因为过热发生失效，从而发挥出器件的功率水平。热分析技术的广泛应用，使电路的热设计更加精确合理。3.降额设计通过使器件所受应力低于额定值，也是提高器件工作可靠性的一种途径。4.过载保护过压或过流均会损坏器件，在应用中会用辅助电路加以保护。尽管功率器件应用中采用上述措施，仍然时有失效发生。开关式功放的输出级工作在开关状态，驱动的负载是感性成分占主要作用的负载，输出级功率晶体管上电流、电压的突变非常大，承受着很高的尖峰电压和脉冲电流，电路设计的安全余量小，基本可靠度也较低。实际应用中，烧保险、阻尼电阻爆裂、VM0SFET击穿爆裂，无输出、输出异常、台体结构、 动圈损伤等故障时有发生。因此，为了更好地避免失效引起的故障和经济损失，最好能够判断其大致失效时间并提前维修更换。
发明内容
为了解决功率VMOS管在各种设备中的寿命及可靠性问题，本发明提供一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，它克服了现有技术的不足。VMOS功率场效应晶体管特性的不稳定性和退化，主要是阈值电压漂移引起的。 VMOS功率器件在负荷条件下工作时，管芯常处于高温(125°C 175°C )和电压偏置的状态中，氧化层中的Na+可以在氧化层中移动，引起界面电荷积累和表面电荷扩展效应，并导致阈值电压发生漂移；表面电导效应与表面电化学腐蚀也会造成阈值电压漂移失效。本发明一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，该方法具体包括以下步骤步骤一、将功率VMOS管建模并且建立H桥仿真电路。具体实现过程是步骤一 .I 选取某一种型号的功率VMOS管并根据其数据手册datasheet中各项参数建模；步骤一 .2 建立H桥仿真电路核心部分(H桥)；步骤一 .3:添加外围器件得到具有使能控制和方向逻辑的H桥电路。步骤二、H桥电路的无故障仿真。具体实现过程是步骤二 . I :搭建三角波发生电路；步骤二 . 2 :用三角波比较法产生PWM波形，调制的波形进行电平移位；步骤二 . 3 :经过电平移位的PWM波接往高速光耦HCPL2601，实现隔离放大，再通过MOSFET驱动器mic4420 对电平再进行放大，得到输出低电平为0，高电平为+12V的PWM波形，作为控制功率VMOS管的信号输入；步骤二 . 4 :功率VMOS管组成半桥变换器，其后接负载。步骤三、H桥电路阈值电压退化仿真。具体实现过程是步骤三.I :分析失效功率 VMOS管的失效原因栅极阈值电压漂移使得电流和功率存在不规则峰值，产生两桥臂VMOS 管瞬态共同导通；步骤三.2 :对H桥电路的瞬态共同导通故障进行仿真和分析，监测栅源电压，分析计算功率VMOS管参数的退化和可靠性寿命。步骤四、综合分析得出实际应用中的结论。其中，步骤一 .I所述的“选取某一种型号的功率VMOS管并根据其数据手册 datasheet中各项参数建模”的具体实现过程是获取功率VMOS管数据手册datasheet中的参数信息，并将参数信息按照电路仿真工具的要求输入到仿真工具模型参数栏中，建立对应的VMOS管模型；其中，步骤一 .2所述的“建立H桥仿真电路核心部分H桥”，其具体实现过程是 H桥仿真电路是由输入部分、H桥上下桥臂、负载部分组成的。该输入部分是经过三角波发生电路，与正弦波进行比较产生PWM波形，再接电平移位电路以及光耦HCPL2601和驱动器 mic4420进行隔离放大，得到满足要求0-12V波形作为控制功率VMOS管的输入信号。该H 桥上下桥臂分别由4支并联的VMOS管组成；该负载部分由假负载——电阻表示。其中，步骤二 . I所述的“搭建三角波发生电路”，其具体实现过程是它是由一个滞回比较器和一个积分电路组成，滞回比较器的输出加在积分电路的反向输入端进行积分，而积分电路的输出又接回到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变。滞回比较器的输出电压成为周而复始的矩形波，而积分电路输出电压成为周期性的三角波。本发明的优点和积极效果在于(I)将实际应用中极其常见的功率VMOS管H桥驱动电路进行仿真，与实际情况符合较好。(2)分析了功率VMOS管失效的多种可能性原因并从主要原因阈值电压的退化漂移进行计算得出结论。(3)利用数学原理对功率VMOS管的各项参数进行分析计算，并在多种情况下得出其一般结论。(4)分析过程紧密结合各项参数的图形，清晰而直观。
图I为本发明的具有使能控制和方向逻辑的H桥电路图；图2为本发明仿真电路图；图3为本发明的三角波比较法产生P丽波形；
图4为本发明的SPWM调制波形图5为本发明的光耦的输入(上)与输出(下)图6为本发明的半桥驱动器的输出图7为本发明的负载上的波形(下)与比较器正弦波(上)的比较示意图8为本发明的上、下半桥功率MOS管栅源电压波形图9为本发明的单个功率MOS管功率的波形图(上功率中:漏源电流波形下漏源电压)
图10(a)是功率VMOS管的子电路模型示意图10(b)是功率VMOS管的子电路模型的等效电路图11为本发明上、下半桥功率VMOS管同时导通局部放大图
图12为本发明的上、下桥臂瞬态导通发生的概率随时间的变化示意图13为本发明的流程框图。
图中符号说明如下
图I中的Ql、Q2、Q3、Q4为四支功率VMOS管，组成桥式电路，DIR-UDIR-R为方向
信号；图10中的(^、(^、(^、&為、艮分别为￥1 )3管内部的栅源电容、栅漏电容、输出电容和VMOS管的栅极体电阻、漏极体电阻和源极体电阻、Vds为VMOS管的漏源电压。
具体实施例方式下面结合附图对本发明进行详细的说明。本发明提供的一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，是基于对器件进行仿真的基础上的。该方法通过对实际应用中常见的功率VMOS管H桥驱动电路进行无故障仿真以及参数退化仿真，得到其各项参数的波形，通过图形结合具体分析得出功率VMOS 管失效的原因，运用数学原理预估功率VMOS管可靠性和寿命，得出更为准确的结论和解决方案。见图13，本发明一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，该方法具体通过如下步骤实现步骤一、将功率VMOS管建模并且建立H桥仿真电路。首先，本例中选取spw20n60型VMOS管,通过查询数据手册datasheet得到其各项参数，在仿真中建立对应的VMOS管模型。根据数据手册datasheet的信息有vdsl = 2. 5，vgsl = 7，id I = 105，vds2 = I. 5，vgs2 = 6，id2 = 50，vds3 = I. 25，vgs3 = 9，id3 = 100，vt = 4，crssl = 2n，crss2 = 0. 2n，vds4 = 12. 5，cossl = 4. 8n，coss2 = In，ql = 12n，q2 = 36n，q3 = 56n，vgs4 = 6. 1，vgs5 = 11，vds5 = 0. 5， vds6 = 47. 5，rg = 5，m = 0. 5然后，建立H桥仿真电路。如图I为具有使能控制和方向逻辑的H桥电路。它是在基本H桥电路的基础上增加了 4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧都只有一个三极管能导通。采用这种方法，电机的运转就只需要用三个信号控制两个方向信号和一个使能信号。如果DIR-L信号为0，DIR-R信号为 1，并且使能信号是1，那么三极管Ql和Q4导通，电流从左至右流经电机；如果DIR-L信号变为1，而DIR-R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。如图2为具体仿真时所对应的H桥驱动电路，由上下桥臂两个部分各4个并联的 VMOS管以及前面的输入驱动部分和后面的负载部分组成。其驱动信号是利用两个高低电平相反的方波。首先利用三角波发生电路产生一定频率和幅值的三角波，经过正弦波的调制， 形成SPWM波形，再经过一系列的隔离与放大，最终送到半H桥电路的功率VMOS管的栅极作为驱动电压。下面的步骤二会进行详细说明。步骤二、H桥电路的无故障仿真。首先，搭建三角波发生电路。它是由一个滞回比较器和一个积分电路组成，滞回比较器的输出加在积分电路的反向输入端进行积分，而积分电路的输出又接回到比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变。滞回比较器的输出电压成为周而复始的矩形波，而积分电路输出电压成为周期性的三角波。接着，用三角波比较法产生PWM波形，调制的波形进行电平移位。如图3所示，正弦波加在电压比较器的负端，三角波信号加在电压比较器的正端，当正弦波幅度小于三角波幅度时比较器输出高电平，当正弦波幅度低于三角波幅度时比较器输出零电平，于是比较器输出了 PWM波形，。其调制过程如图4所示。由于PWM波形的形式与三角波和正弦波都有关，因此，调制出仿真所需频率约为5. 185MHz/64 = 81. 02kHz，周期为1000/81. 02 = 12. 34 μ s的波形就要分别调节正弦波与三角波的周期和幅值。调制时，因为在正弦波的峰值不超过三角波的峰值时，影响PWM平均周期的只有三角波周期，因此，宜将三角波周期调节为12. 34 μ s左右，而使正弦波的频率在20-20000ΗΖ的范围内。同时要使正弦波的峰值不超过三角波的峰值，以保持三角波的周期。然后，经过电平移位的PWM波接往高速光耦，实现隔离放大，再通过MOSFET驱动器 mic4420对电平再进行放大，得到输出低电平为0，高电平为+12V的PWM波形，作为控制功率VMOS管的信号输入。波形是输出电压与驱动器的地相减得到的，从而以提高对并联功率 MOS管组成的半桥变换器的驱动能力。如图5所示，HCPL2601除了对输入信号进行隔离放大外，还有高低电平的反向作用。最后，功率VMOS管组成半桥变换器，其后接负载。在图2中，以上半桥臂为例，对半桥变换器的结构做一简单说明。左边为输入端口，接受来自mic4420的驱动脉冲电压，作为功率MOS管的栅极驱动。右上角vcc4为供电电压75V，与下半桥臂的vcc5构成对称结构，使负载的电平平均值移位到O。vcc3则通过调节其与mic4420的地极的电压关系，可以改变并联功率MOS管的栅源电压电平。上半桥臂与下半桥臂的栅源电压电平相反，上半桥臂与下半桥臂互补导通，使负载上呈现矩形脉冲。半桥驱动器的输出仿真结果如图6所示。可见其稳定状态近似为一个调制的高电平与低电平对称，平均值为O的PWM波形。如图7所示，通过测量负载上波形稳态后的频率，发现其与比较器输入端的正弦波的很相近，均为100 μ S左右(仿真结果为98. 389 μ S)。实际上，经过负载后，是对原正弦波的一种解调变换。通过对比三角波发生器的三角波输出与负载电阻上的电压波形，还可以找到负载波形上的小尖峰与三角波的一一对应关系，可见负载波形是正弦波与三角波的某种形式的叠加。步骤三、H桥电路阈值电压退化仿真
首先，分析功率VMOS管失效原因。如图8所示，随着功率VMOS管工作时间延长，结温升高，栅极阈值电压产生了漂移，栅源电压波形在高电平的起始和结束处，都可观察到电压尖峰，如果这个电压尖峰与另一组功率VMOS管的栅源电压高电平同时大于VMOS管的导通阈值电压(特别是当结温较高时阈值电压下降到常温时的2/3)，原处于关断状态的VMOS管将被触发导通，就会产生两个桥臂的VMOS管几微秒时间的瞬态共同导通，使很短的时间内150V的电压加在八个功率 VMOS管上，产生大电流通过，其电流值高达几十安到100A，瞬时功率达数千瓦。虽然瞬态导通的时间很短，但对功率MOS管的可靠性造成了严重的影响，很容易使功率MOS管逐渐退化失效。如图9所示，电流与功率不是理想的阶梯曲线，而是存在不规则的峰值。正是这些峰值的存在使功率VMOS管随机产生两桥臂VMOS管瞬态共同导通，引起失效。然后，对H桥电路的瞬态共同导通故障进行仿真和分析，监测栅源电压，分析计算功率VMOS管参数的退化和可靠性寿命。如图10，功率VMOS管的子电路模型如图10(a)所示，其中，Cgs、Cgd、Cds、Rg、Rd、Rs分别为VMOS管内部的栅源电容、栅漏电容、输出电容和VMOS管的栅极体电阻、漏极体电阻和源极体电阻，其等效电路如图10(b)所示。瞬态共同导通使上、下半桥驱动器的功率VMOS管直接加在150V的强电压下，造成功率管中和大电流导通情况，使功率管的寿命受到了严重的影响。试验选择的功率VMOS 管为spw20n60s5,其导通阈值电压为5. 261V。图11为上下两个半桥栅源电压交替变化过程的局部放大，水平直线的电压幅值为5. 261V，是功率VMOS管的开启电压，两个高低电平相反的波形则分别对应上、下两个半桥。显然，在图11中画圈的部分是两个电压同时超过 spw20n60s5的阈值电压。则在数微秒的时间内，势必造成了前面分析的两个桥臂上的功率 VMOS管瞬态共同导通现象。对H桥电路的瞬态共同导通故障进行仿真，监测栅源电压。仿真结果表明，尖峰的幅值是随机的，并不是每个尖峰的出现都会形成瞬态共同导通的条件。对(2.0 2. 5) ms时间段内的仿真波形进行统计，发现在上、下桥臂的栅源电压在交替变化的过程中，产生 292次交汇，而能够形成瞬态共同导通的次数为17次(统计次数时，分别将上、下臂的栅源电压减去阈值导通电压，然后将两个结果的波形放在一起以观察两个结果的波形同时大于 0的情形，这样可以简化统计工作)。为了统计方便，对时长不超过I U s的瞬态导通予以忽略不计。表I是在仿真中统计瞬态导通的时间段表I正常状态下瞬态导通的时段统计
权利要求
1.一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，其特征在于该方法具体步骤如下步骤一、将功率VMOS管建模并且建立H桥仿真电路；具体实现过程是步骤一 .I :选取某一种型号的功率VMOS管并根据其数据手册datasheet中各项参数建模；步骤一 .2 :建立 H桥仿真电路核心部分H桥；步骤一.3 :添加外围器件得到具有使能控制和方向逻辑的H桥电路；步骤二、H桥电路的无故障仿真；具体实现过程是步骤二 . I :搭建三角波发生电路; 步骤二 .2 :用三角波比较法产生PWM波形，调制的波形进行电平移位；步骤二 .3 :经过电平移位的PWM波接往高速光耦HCPL2601，实现隔离放大，再通过MOSFET驱动器mic4420对电平再进行放大，得到输出低电平为0，高电平为+12V的PWM波形，作为控制功率VMOS管的信号输入；步骤二 . 4 :功率VMOS管组成半桥变换器，其后接负载；步骤三、H桥电路阈值电压退化仿真；具体实现过程是步骤三.I :分析失效功率VMOS 管的失效原因栅极阈值电压漂移使得电流和功率存在不规则峰值，产生两桥臂VMOS管瞬态共同导通；步骤三.2 :对H桥电路的瞬态共同导通故障进行仿真和分析，监测栅源电压， 分析计算功率VMOS管参数的退化和可靠性寿命；步骤四、综合分析得出实际应用中的结论。
2.根据权利要求I所述的一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，其特征在于步骤一 .I所述的“选取某一种型号的功率VMOS管并根据其数据手册datasheet中各项参数建模”的具体实现过程是获取功率VMOS管数据手册datasheet中的参数信息，并将参数信息按照电路仿真工具的要求输入到仿真工具模型参数栏中，建立对应的VMOS管模型。
3.根据权利要求I所述的一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，其特征在于步骤一 .2所述的“建立H桥仿真电路核心部分H桥”，其具体实现过程是H桥仿真电路是由输入部分、H桥上下桥臂、负载部分组成的，该输入部分是经过三角波发生电路，与正弦波进行比较产生PWM波形，再接电平移位电路以及光耦HCPL2601和驱动器mic4420进行隔离放大，得到满足要求0-12V波形作为控制功率VMOS管的输入信号；该H桥上下桥臂分别由4支并联的VMOS管组成；该负载部分由假负载——电阻表示。
4.根据权利要求I所述的一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，其特征在于步骤二 . I所述的“搭建三角波发生电路”，其具体实现过程是它是由一个滞回比较器和一个积分电路组成,滞回比较器的输出加在积分电路的反向输入端进行积分,而积分电路的输出又接回到滞回比较器的同相输入端，控制滞回比较器输出端的状态发生跳变；滞回比较器的输出电压成为周而复始的矩形波，而积分电路输出电压成为周期性的三角波。
全文摘要
一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，该方法有四大步骤步骤一、将功率VMOS管建模并且建立H桥仿真电路；步骤二、H桥电路的无故障仿真；步骤三、H桥电路阈值电压退化仿真；步骤四、综合分析得出实际应用中的结论。本发明将实际应用中极其常见的功率VMOS管H桥驱动电路进行仿真，分析主要是原因阈值电压退化漂移，并利用数学原理对功率VMOS管的各项参数进行分析计算，得出结论。其构思科学，方法新颖。它在功率半导体器件安全测试技术领域里具有较好的实用价值和良好的应用前景。
文档编号G01R31/26GK102590726SQ20121004460
公开日2012年7月18日 申请日期2012年2月23日 优先权日2012年2月23日
发明者付桂翠, 王香芬, 高成, 黄姣英 申请人:北京航空航天大学