一种基于偏流预补偿的结温标定及散热组件性能评估装置的制作方法

本发明是一种基于偏流预补偿的结温标定及散热组件性能评估装置，属于功率开关器件的可靠性试验技术领域。

背景技术：

功率开关器件在对电能进行变换和控制的同时，也在芯片上产生了一定的功率损耗，导致芯片温度的急剧上升。因此，避免因过热而造成器件损坏的问题是功率开关器件工作过程中必须考虑的问题。为了便于散热，功率开关器件需要加装散热组件。因此，实际工程中功率器件与散热组件安装质量的好坏对器件整体的散热性能对起到至关重要的作用。

为了评估器件整体的散热性能，需要设定器件的发热功率来获取结温，检测其是否超过其最高允许结温。

目前比较成熟的功率开关器件结温测量方法主要有四种，分别是物理接触法、光学法、电热耦合模型法、温敏参数法。其中物理接触法主要利用铂电阻或热电偶温度传感器进行接触式地测量。在测量时，为了使热敏元件与被测器件芯片表面充分接触，必须将器件封装打开，且测量精确度易受测温元件安装质量的影响，故其操作性不强；光学法一般是用红外热成像仪对被测元件进行非接触式地测量，可以得到整个芯片表面的温度分布，可以满足被测器件实时结温的测量要求。但这种测量方法也需要打开器件封装，且设备造价昂贵，测量成本高，对测量人员也有较高的要求；电热耦合模型法是一种常用的结温模拟方法，它通过由热电比拟理论建立的热网络模型来实时获得结温及其变化趋势，可以实现在线测量。但实际工况中热阻难以获取，因此无法应用；温敏参数法在通过利用在特定的温度范围内，被测器件芯片的某些状态参数与温度之间存在一定的相关性，来间接测量得到结温。这些状态参数被称为温敏参数，通常测量的温敏参数主要有饱和导通压降vce-sat、栅极开通延时时间td(on)、阈值电压vge(th)等。

目前，功率开关器件相关的结温检测技术已经取得了很大的发展。其中温敏参数法由于具有测量成本低、精确度高、响应快的优点，成为功率开关器件结温检测的主要测量手段。“一种igbt瞬态热特性测试装置及其运行方法”(专利申请号：cn106353665)，通过采用光纤温度传感器对被测igbt进行接触式测量，需要破坏igbt封装结构，故实际操作性不强；“一种igbt结温测量装置”(专利申请号：cn201610525421)主要通过实时测量igbt的关断延迟时间td(off)和igbt集电极电流，根据igbt结温、igbt集电极电流和igbt关断延迟时间td(off)的三维关系得到对应的igbt的结温。该方法使用关断延时时间作为温敏参数测量成本高、对实验环境要求高，实际工况下在难以实现对igbt的关断延时时间的在线测量；“基于饱和导通压降测量igbt结温的温度定标平台及实现igbt结温测量的方法”(专利申请号：cn201510245724)主要是通过在恒温箱环境下标定出igbt饱和导通压降、结温、集电极电流的三维关系，进而通过测量饱和导通压降和集电极电流得到对应的结温。该方法难以保证测量与标定模式下偏置条件的一致性，进而影响结温测量的准确性。

传统基于饱和导通压降的温敏参数结温测量方法，在大电流工作工况下，为防止器件自热，通常被测器件栅极信号给一窄脉冲。同时需要在很短的时间内采集饱和导通压降，否则会因结温的快速上升导致测量的不准确。由于测量采用的恒流源并非理想恒流源，其输出电流会受到负载两端压降的变化的影响，进而影响结温测量结果的准确性。

技术实现要素：

本发明主要针对传统基于饱和导通压降的温敏参数法测量结温时，忽略了标定模式下与测量模式下器件的工况不同，造成的测量时刻偏置条件变化而带来误差的问题，提出了一种基于偏流预补偿的结温标定及散热组件性能评估装置。

未解决上述技术目的，本发明提供了一种基于偏流预补偿的结温标定及散热组件性能评估装置，在标定模式下的组成包括：可调电压源、可调恒流源与被测器件q1串联构成回路；可调电压源的负极为公共地；被测器件、温度传感器及储热块置于保温容器中；伴随负载q2与被测器件q1并联；a/d1的模拟输入端与被测器件q1的集电极、发射极相连；a/d1接收控制器转化启动信号，并向控制器传送转模数转化的数据结果；被测器件q1的栅极与栅极驱动1的输出端o相连；栅极驱动1的电源端v与d/a1相连；d/a1接收控制器传送的数据；控制器输出的栅极控制信号与栅极驱动2的控制端c相连，同时栅极控制信号通过非门与栅极驱动1的控制端c相连；栅极驱动1的接地端g与公共地相连；伴随负载q2的栅极与栅极驱动2的输出端o相连；栅极驱动2的电源端v与运算放大器d1的输出端相连；运算放大器d1的正相输入端与伴随负载q2的漏极相连；运算放大器d1的反相输入端与d/a2的电压输出端相连；d/a2接受控制器传送的数据；栅极驱动2的接地端g与公共地相连；控制器与温度传感器相连；

在测量模式下的组成包括：可调电压源、mos管q3、反馈电阻r与被测器件q1串联构成回路；可调恒流源由mos管q3、运算放大器d2、反馈电阻r组成；mos管q3的栅极与运算放大器d2的输出端相连；运算放大器d2的反相输入端与mos管q3的源极相连；d/a4的电压输出端一端与运算放大器d2的同相输入端相连，另一端与被测器件q1的集电极相连；d/a4接收控制器传送的数据；被测器件置于散热组件上；a/d2的模拟输入端与被测器件的集电极、发射极相连；a/d3的模拟输入端与反馈电阻r的两端相连；a/d2、a/d3接收控制器转化启动信号，并向控制器传送模数转化的数据结果；被测器件的栅极与栅极驱动1的输出端o相连；栅极驱动1的接地端g与运算放大器d3的输出端相连；栅极驱动1的控制端与控制器相连；栅极驱动1的电源端v与标准栅极电压电源相连；运算放大器d3的同相输入端与被测器件的集电极相连；运算放大器d3的反相输入端与d/a3的电压输出端相连；d/a3接收控制器传送的数据。

其中，使用本发明的基于偏流动态预补偿法的功率开关结温标定及散热组件性能评估装置进行标定和评估，包括标定步骤和测量步骤；

其中，标定步骤包括：

标定步骤一：注入初始参数：被测器件芯片热容cdie、储热块的热容c储热块、、恒流源偏置电流is、热平衡过渡时间tm、温度测量列表、额定栅极电压vge、被测器件开通延时时间td(on)、被测器件的饱和导通压降采集时间ts、被测器件最高允许结温tjmax、切换器件电压变化量阈值vmax、额定电流下被测器件饱和导通压降值vs、恒流源两端电压预定值vm、温度测量误差阈值te；

标定步骤二：将温度低于温度测量列表项最小值的储热块装入保温容器中；由低到高从温度测量列表项中取值，记作tm，并将保温容器内部温度升到目标温度tm；升温至目标温度tm的过程如下：①测量保温容器内初始温度t0，设定可调恒流源偏置电流为is，控制器输出栅极控制信号为低电平，使被测器件导通，持续时间为t，测量其饱和导通压降vce；控制器输出栅极控制信号为高电平，使被测器件关断，等待时间tm后，被测器件结、壳温度达到一致，温度传感器测量此时保温容器内部温度t1；由公式c＝(t1-t0)/vce*is*t，计算出保温容器内热容量c；②根据热容量c、目标温度tm，计算出被测器件的开通时间t1；将被测器件导通，持续时间为t1；关断被测器件，等待时间tm后，测量此时保温容器内部温度tn；③判断tm-tn＜te，若其小于te，则升温过程结束；若其大于te，则返回到步骤②，直到其小于te；

标定步骤三：控制器向栅极驱动2的控制端发送高电平，使伴随负载导通，调节d/a2的大小，使伴随负载漏源极两端电压vb等于vs；

标定步骤四：调节电压源两端电压，使恒流源两端电压为预定值vm；调节恒流源偏置电流等于is，等待可调恒流源偏置电流稳定；设置d/a1的大小等于被测器件的额定栅极电压vge；在τ0时刻，控制器输出栅极控制信号为低电平，使被测器件导通，伴随负载关断；在τ1(τ0+td(on)＜τ1＜τ0+ts)时刻，采集a/d1的值，记作va；控制器输出栅极控制信号为高电平，使伴随负载导通，被测器件关断；

标定步骤五：判断|va-vb|＜vmax，若其小于vmax，记录被测器件的饱和导通压降va值；若差值的绝对值大于vmax，设置d/a2的大小，使伴随负载漏、源极两端电压vb等于va，并返回到标定步骤四，直到|va-vb|＜vmax；

标定步骤六：判断温度列表项取值是否完成，若完成，继续下一步；若未完成，则回到标定步骤二；

标定步骤七：将测量得到的被测器件不同结温下的饱和导通压降数据值，拟合成tj＝f(vce)关系式；

测量步骤包括：

测量步骤一：注入初始参数：被测器件开通延时时间td(on)、被测器件的饱和导通压降采集时间ts、被测器件的发热功率列表项、恒流源偏置电流is、电流误差阈值ie；

测量步骤二：从被测器件的发热功率列表项取值，记作pi；

测量步骤三：设置d/a4的大小，使恒流源偏置电流等于is，等待恒流源偏置电流稳定；

测量步骤四：控制器输出栅极控制信号为低电平，根据公式vd/a3＝pi/is，设置d/a3的大小，等待热稳态；

测量步骤五：在τ2时刻，控制器输出栅极控制信号为高电平；在τ3(τ2+td(on)＜τ3＜τ2+ts)时刻，采集a/d2和a/d3的值，分别记作vce和ia；计算公式δis＝is-ia的大小；

测量步骤六：判断|δis|＜ie，若其小于ie，则继续下一步；若其大于ie，则设置d/a4的大小，使可调恒流源偏置电流等于is+δis，等待可调恒流源偏置电流稳定，并返回测量步骤四；

测量步骤七：由关系tj＝f(vce)和饱和导通压降vce值，反推被测器件结温tj；

测量步骤八：判断发热功率列表项取值是否完成，若完成，则继续下一步；若为完成，则回到测量步骤二；

测量步骤九：得被测器件在不同发热功率下的结温特性。

区别于现有技术，本发明的基于偏流预补偿的结温标定及散热组件性能评估装置包括标定和测量两种工作模式。标定模式是由恒流源激励下的被测器件与伴随负载并联组成，控制伴随负载漏、源极两端电压，使得恒流源两端电压在被测器件导通前后保持不变，测量被测器件在不同结温下的饱和导通压降，得到结温、饱和导通压降的关系；测量模式是由恒流源激励下的被测器件组成，将被测器件置于散热组件上，控制饱和导通压降使被测器件工作于不同发热功率下，测量被测器件的饱和导通压降，根据上述结温、饱和导通压降的关系反推被测器件的结温，得到器件在不同发热功率下的结温特性，用以评价散热组件散热性能。

附图说明

图1为本发明在标定模式下被测器件导通电路图。

图2为本发明在标定模式下伴随负载导通电路图。

图3为本发明在测量模式下电路图。

图4为恒流源输出电流随其两端电压变化曲线趋势图。

图5为被测器件输出特性曲线图。

图6为被测器件在不同测试电流下的标定测量结果对比图。

图7为装置在标定模式下的rc热网络模型。

图8为pspice环境下器件从加热开始到稳态结束，结、壳温度随时间变化曲线图。

图9为pspice环境下器件在加热初，结温随时间变化曲线图。

图10为matlab拟合出的结温、饱和导通压降、栅极电压的三维关系图。

图11为标定模式流程图。

图12为标定模式下升温过程流程图。

图13为测量模式流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步更详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明所设计的测试装置如图1、2、3所示。被测器件为igbt，型号为ikw40t120，封装形式为to-247，额定电流为40a，最大允许结温为150℃，开通延时时间为52ns。

本发明提供了一种基于偏流预补偿的结温标定及散热组件性能评估装置，如图1所示，该装置在标定模式下的组成包括：可调电压源、可调恒流源与被测器件q1串联构成回路；可调电压源的负极为公共地；被测器件、温度传感器及储热块置于保温容器中；伴随负载q2与被测器件q1并联；a/d1的模拟输入端与被测器件q1的集电极、发射极相连；a/d1接收控制器转化启动信号，并向控制器传送转模数转化的数据结果；被测器件q1的栅极与栅极驱动1的输出端o相连；栅极驱动1的电源端v与d/a1相连；d/a1接收控制器传送的数据；控制器输出的栅极控制信号与栅极驱动2的控制端c相连，同时栅极控制信号通过非门与栅极驱动1的控制端c相连；栅极驱动1的接地端g与公共地相连；伴随负载q2的栅极与栅极驱动2的输出端o相连；栅极驱动2的电源端v与运算放大器d1的输出端相连；运算放大器d1的正相输入端与伴随负载q2的漏极相连；运算放大器d1的反相输入端与d/a2的电压输出端相连；d/a2接受控制器传送的数据；栅极驱动2的接地端g与公共地相连；控制器与温度传感器相连；

如图2所示，该装置在测量模式下的组成包括：可调电压源、mos管q3、反馈电阻r与被测器件q1串联构成回路；可调恒流源由mos管q3、运算放大器d2、反馈电阻r组成；mos管q3的栅极与运算放大器d2的输出端相连；运算放大器d2的反相输入端与mos管q3的源极相连；d/a4的电压输出端一端与运算放大器d2的同相输入端相连，另一端与被测器件q1的集电极相连；d/a4接收控制器传送的数据；被测器件置于散热组件上；a/d2的模拟输入端与被测器件的集电极、发射极相连；a/d3的模拟输入端与反馈电阻r的两端相连；a/d2、a/d3接收控制器转化启动信号，并向控制器传送模数转化的数据结果；被测器件的栅极与栅极驱动1的输出端o相连；栅极驱动1的接地端g与运算放大器d3的输出端相连；栅极驱动1的控制端与控制器相连；栅极驱动1的电源端v与标准栅极电压电源相连；运算放大器d3的同相输入端与被测器件的集电极相连；运算放大器d3的反相输入端与d/a3的电压输出端相连；d/a3接收控制器传送的数据。

本实施方式中，恒流源提供被测igbt的工作电流为被测器件的额定电流40a。

根据热电比拟理论，热路参数可以类比为电路参数，因此可以将igbt的散热模型类比成图7所示的电路。其中p为发热功率，tj为结温，zth-jc为结到壳的热阻，zth-ch为壳到散热器的热阻，zth-ha为散热器到环境温度的热阻，ta为环境温度。

热平衡过渡时间tm的确定：在pspice电路仿真软件中，建立图4所示的rc热网络模型。查询被测igbt的手册，设置结、壳热阻值与热容值，并设置结到保温层、保温层到环境的热阻与热容值。设置电流源为脉冲电流源，电流峰值为76a，脉冲宽度为500us，延时时间为10ms，设置电压源电压为15v。分别在结温tj和壳温tc处设置电压探针，对电路进行瞬态仿真分析，模拟在环境温度15℃，发热功率为76w的工况下，被测器件从加热开始，结、壳温度随时间变化趋势，仿真结果如图5所示。由图5可知，结、壳温度在时刻120ms处，达到稳态值16.8℃。因此，保温层内部达到热平衡的过渡时间tm为110ms，即温度传感器至少需要从被测器件导通开始的110ms后开始测量保温层内部温度。

饱和导通压降采集时间ts的确定：在pspice仿真软件下建立图4的电路，在结温tj处设置电压探针，对电路进行瞬态仿真分析，模拟被测器件在施加激励后，结温随时间变化趋势，仿真结果如图6所示。由图6可知，结温从温度15℃上升到16℃，时间为30.1us；结温从16℃上升到17℃，时间为31.6us；结温从17℃上升到18℃，时间为36.2us。此后，结温随时间变化曲线逐渐平缓。因此被测器件饱和导通压降的采集时间ts需在30us之内，才可以满足结温测量误差小于1℃。

切换器件电压变化量阈值vmax的确定：在pspice电路仿真软件中，建立图7所示恒流源电路，设置电压源v为脉冲电压源，恒流源输出稳态电流为40a，在ic处放置电流探针，对电路进行瞬态分析，模拟伴随负载切换至被测器件时，恒流源偏置电流的变化规律，仿真结果如图8所示。由图8可知，当恒流源两端电压阶跃变化0.1v，在饱和导通压降采集时间30us处，恒流源偏置电流变化40ma。图9为被测器件的输出特性曲线。由图9可知，当被测器件集射极电流变化40ma时，饱和导通压降变化1mv；图10为某栅极电压下，不同结温下被测器件饱和导通压降变化曲线。由图10可知，当被测器件集射级电流变化40ma，饱和导通压降变化1mv，标定工作点会从a点变化至b点，导致被测器件的结温变化1℃。因此，保证被测器件结温测量误差在1℃的范围内，伴随负载切换至被测器件时，两者之间电压变化量不得超过0.1v，即切换负载电压变化量阈值vmax为0.1v。

被测器件导通时间t的约束条件的确定：①t≤(tjmax-t0)/cdie*is*vs。②t≤(tjmax-t0)/c储热块*is*vs。取①、②两者中t的最小值为t的取值范围。

本发明提供了一种基于偏流预补偿的结温标定及散热组件性能评估装置，其操作步骤包括以下标定步骤和测量步骤：

其中，标定步骤的流程图如图11所示，包括步骤：

标定步骤一：注入初始参数：被测器件芯片热容cdie、储热块的热容c储热块、恒流源偏置电流is、热平衡过渡时间tm、温度测量列表、额定栅极电压vge、被测器件开通延时时间td(on)、被测器件的饱和导通压降采集时间ts、被测器件最高允许结温tjmax、切换器件电压变化量阈值vmax、额定电流下被测器件饱和导通压降值vs、恒流源两端电压预定值vm、温度测量误差阈值te。

标定步骤二：将温度低于温度测量列表项最小值的储热块装入保温容器中。由低到高从温度测量列表项中取值，记作tm，并将保温容器内部温度升到目标温度tm。图12所示是标定模式下升温至目标温度tm的流程示意图，其过程如下：①测量保温容器内初始温度t0，设定恒流源偏置电流为is，控制器输出栅极控制信号为低电平，使被测器件导通，持续时间为t，测量其饱和导通压降vce。控制器输出栅极控制信号为高电平，使被测器件关断，等待时间tm后，被测器件结、壳温度达到一致，温度传感器测量此时保温容器内部温度t1。由公式c＝(t1-t0)/vce*is*t，计算出保温容器内热容量c。②根据热容量c、目标温度tm，计算出被测器件的开通时间t1。将被测器件导通，持续时间为t1。关断被测器件，等待时间tm后，测量此时保温容器内部温度tn。③判断tm-tn＜te，若其小于te，则升温过程结束；若其大于te，则返回到步骤②，直到其小于te。

标定步骤三：控制器向栅极驱动2的控制端发送高电平，使伴随负载导通，调节d/a2的大小，使伴随负载漏源极两端电压vb等于vs。

标定步骤四：调节电压源两端电压，使恒流源两端电压为预定值vm。调节恒流源偏置电流等于is，等待恒流源偏置电流稳定。设置d/a1的大小等于被测器件的额定栅极电压vge。在τ0时刻，控制器输出栅极控制信号为低电平，使被测器件导通，伴随负载关断；在τ1(τ0+52ns＜τ1＜τ0+30us)时刻，采集a/d1的值，记作va。控制器输出栅极控制信号为高电平，使伴随负载导通，被测器件关断。

标定步骤五：判断|va-vb|＜0.1v，若其小于0.1v，记录被测器件的饱和导通压降va值；若差值的绝对值大于vmax，设置d/a2的输出vb等于va，并返回到标定步骤四，直到|va-vb|＜0.1v。

标定步骤六：判断温度列表项取值是否完成，若完成，继续下一步；若未完成，则回到标定步骤二。

标定步骤七：将测量得到的被测器件不同结温下的饱和导通压降数据值，拟合成tj＝f(vce)关系式，结温与饱和导通压降关系如图10所示。

测量步骤的流程图如图13所示，包括步骤：

测量步骤一：注入初始参数：被测器件开通延时时间td(on)、被测器件的饱和导通压降采集时间ts、被测器件的发热功率列表项、恒流源偏置电流is、电流误差阈值ie。

测量步骤二：从被测器件的发热功率列表项取值，记作pi。

测量步骤三：设置d/a4的大小，使恒流源偏置电流等于is，等待恒流源偏置电流稳定。

测量步骤四：控制器输出栅极控制信号为低电平，根据公式vd/a3＝pi/is，设置d/a3的大小，等待热稳态。

测量步骤五：在τ2时刻，控制器输出栅极控制信号为高电平；在τ3(τ2+52ns＜τ3＜τ2+30us)时刻，采集a/d2和a/d3的值，分别记作vce和ia。计算公式δis＝is-ia的大小。

测量步骤六：判断|δis|＜ie，若其小于ie，则继续下一步；若其大于ie，则设置d/a4的大小，使可调恒流源偏置电流等于is+δis，等待恒流源偏置电流稳定，并返回测量步骤四。

测量步骤七：由关系tj＝f(vce)和饱和导通压降vce值，反推被测器件结温tj。

测量步骤八：判断发热功率列表项取值是否完成，若完成，则继续下一步；若为完成，则回到测量步骤二。

测量步骤九：得被测器件在不同发热功率下的结温特性。

区别于现有技术，本发明的基于偏流预补偿的结温标定及散热组件性能评估装置包括标定和测量两种工作模式。标定模式是由恒流源激励下的被测器件与伴随负载并联组成，控制伴随负载漏、源极两端电压，使得恒流源两端电压在被测器件导通前后保持不变，测量被测器件在不同结温下的饱和导通压降，得到结温、饱和导通压降的关系；测量模式是由恒流源激励下的被测器件组成，将被测器件置于散热组件上，控制饱和导通压降使被测器件工作于不同发热功率下，测量被测器件的饱和导通压降，根据上述结温、饱和导通压降的关系反推被测器件的结温，得到器件在不同发热功率下的结温特性，用以评价散热组件散热性能。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。