一种功率循环实验中测量与控制功率VDMOS器件结温的方法与流程

本发明属于功率半导体器件测试领域，主要用于功率循环实验中半导体器件结温的测量与控制，具体涉及功率vdmos(verticaldouble-diffusedmetaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管)器件在功率循环实验工作条件下，器件导通和关断时结温的测量与控制。

背景技术：

功率vdmos器件具有开关速度快、输入阻抗高、导通电阻低、开关功耗低、频率特性好等特点，广泛地应用于电子开关、电机调速、逆变器、稳压电源、汽车电器等各种领域。

为保证器件使用中的可靠性，器件在投入使用之前需抽样进行可靠性考核试验，以对其寿命及可靠性进行评估。功率循环实验/间歇寿命使用是国际标准“iec-60747-9-2007-半导体器件-分立器件-第8部分-场效应晶体管”中规定的三种可靠性考核试验中的一种，也是器件出厂前必做的试验之一。根据阿伦尼斯模型，器件温度每升高10℃，器件寿命大概下降一半，因此在该试验中，温度控制尤为重要。

通常，在实际工程中会通过热阻计算或关断态下测量小电流对应结电压，来计算结温。器件的热阻是变量，随着工作温度、施加功率等改变而变化；因此通过热阻计算得到的温度结果多与实际结温存在误差。利用关断态下小电流对应结电压来测量结温的方法，不能测量导通态器件结温，不能避免导通态温度过高导致器件烧毁。

因此，迫切需要研究一种功率循环实验在导通和关断时，均能在线实时测量与控制结温的方法。本发明利用导通态下饱和区的电流、电压与温度的对应关系，以及关断态反向小电流对应的结电压与温度的对应关系，提出了功率循环实验在导通和关断时，均能在线实时测量与控制结温的方法。

技术实现要素：

本发明提出了一种功率循环实验中测量与控制功率vdmos器件结温的方法，为了模拟功率vdmos器件在实际工作中导通和关断两种不同的工作情况，本发明设计了一个功率循环实验平台，并根据器件工作在饱和区时的漏源电流ids与结温的关系、关断时内部体二极管的导通电压vf与结温的关系对器件的结温进行测量与控制。

本发明的技术方法如下：

一种功率循环实验中测量与控制功率vdmos器件结温的方法，首先，将器件置于温箱内，调节温度至稳态，保持一段时间，此时认为器件的结温与温箱内部温度相同，然后给器件施加栅源电压vgs，使其处于导通状态，为避免器件长时间工作而导致的自升温，通过功率器件分析仪施加短脉冲漏源电压vp，测量器件导通时的短脉冲漏源电流ip。接下来关闭栅压，使器件处于关断状态，施加较小的恒定导通电流if，测量器件内部体二极管导通电压vf。然后调节温箱改变温度至稳定，保持栅源电压vgs、脉冲电压vp、导通电流if不变，在不同温度下测量器件导通时的脉冲电流ip与内部体二极管的导通电压vf。根据算法拟合出实际工作中饱和区漏源电流ids与结温的关系、体二极管导通电压vf与结温的关系，并分别作为功率vdmos器件导通和关断时的校温曲线库。在器件正常工作时，通过施加恒定漏源电压vds与体二极管的导通电流if，利用功率循环实验平台采集器件导通时的漏源电流ids与关断时体二极管的导通电压vf，并与校温曲线库相对应。通过计算机进行数据处理并提取结温，通过功率循环实验平台给器件下达导通或关断的指令，使器件在预先设定的结温范围内正常工作，从而实现对功率vdmos器件结温的实时测量与控制。

实现该方法的实验装置包括：功率vdmos器件、配套夹具；功率循环实验平台(包含数据采集卡1块、fpga控制板1块、继电器、电容、电阻若干)；计算机；提供脉冲电压vp的功率器件分析仪；提供恒定小电流if的数字源表；提供漏源电压vds的功率电源；提供稳定栅压vgs的线性电源；0℃～150℃可调节温箱。

具体测试方法包括以下步骤：

步骤一：将功率vdmos器件置于温箱中，调节温箱的初始温度至稳态，保持一段时间，此时认为功率vdmos器件结温与温箱内部温度相同。

步骤二：将功率vdmos器件通过夹具连接线性电源与功率器件分析仪，通过线性电源施加栅源电压vgs，使功率vdmos器件处于导通状态，通过功率器件分析仪施加短脉冲漏源电压vp(脉宽、占空比、最大脉冲电压值根据实际情况而定)测量功率vdmos器件导通时的短脉冲漏源电流ip。

步骤三：关闭栅源电压vgs，使功率vdmos器件处于关断状态，将功率vdmos器件通过夹具连接数字源表，通过数字源表给功率vdmos器件内部体二极管施加导通电流if(if较小)，测量体二极管导通电压vf。

步骤四：调节温箱改变温度至稳定，保持vgs、vp、if不变，根据步骤二、步骤三测量不同温度下功率vdmos器件的ip和vf，根据ip与温度、vf与温度之间的关系，利用算法拟合出饱和区漏源电流ids与结温、体二极管导通电压vf与结温的关系，并分别作为功率vdmos器件导通和关断时的校温曲线库。

步骤五：将功率vdmos器件通过夹具连接到功率循环实验平台上，功率vdmos器件的初始状态为关断，通过计算机设定功率vdmos器件正常工作的结温范围。通过线性电源为功率vdmos器件提供栅源电压vgs，使功率vdmos器件处于导通状态。

步骤六：将功率vdmos器件与功率电源连接，通过功率电源给器件施加恒定的漏源电压vds，通过功率循环实验平台采集器件的漏源电流ids，上传至计算机，根据步骤四得到的功率vdmos器件导通时的校温曲线库计算结温，当结温高于设定的最大值时，计算机下达关断指令，关闭栅压vgs，使功率vdmos器件处于关断状态。

步骤七：将功率vdmos器件与数字源表连接，通过数字源表为功率vdmos器件内部体二极管施加恒定的导通电流if(导通电流if较小)，通过功率循环实验平台采集器件的导通电压vf，上传至计算机，根据步骤四得到的功率vdmos器件关断时的校温曲线库计算结温，当结温低于设定的最小值时，计算机下达开通指令，打开栅压vgs，使功率vdmos器件处于导通状态。

步骤八：由步骤六、步骤七可得到施加到器件上的功率和功率vdmos器件结温的变化关系。通过计算机设置循环次数，即重复步骤六、步骤七可对功率vdmos器件进行多次功率循环实验，以实现对功率vdmos器件结温的实时测量与控制。

本发明的有益效果是：该方法简单易行，实验成本较低，且不会破坏功率vdmos器件的封装，通过计算机可实现完全程控，可自行设定功率循环实验过程中器件工作的结温范围，进行长时间、多周期的功率循环实验，可准确测量与控制功率vdmos器件的结温。

附图说明

图1：功率循环实验基本原理图；

图2：功率循环实验各模块之间的控制关系图；

图3：器件dut导通时的校温曲线库示意图；

图4：器件dut关断时的校温曲线库示意图；

图5：单次功率循环实验中施加功率与温度的关系图；

图6：多次功率循环实验中施加功率与温度的关系图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行更详细的说明。功率循环实验基本原理如图1所示，包括功率器件分析仪和功率vdmos器件、夹具，组成实验的脉冲模块，功率电源与夹具组成实验的功率模块，数字源表和夹具组成实验的测试模块，线性电源与夹具组成实验的栅压模块，采集模块由fpga和数据采集卡组成，内嵌于功率循环实验平台上，各模块之间的控制关系如图2所示。

本发明的具体测试方法包括以下步骤：

步骤一：将型号为irfp260n的功率vdmos器件dut置于温箱中，调节初始温度至稳态，保持一段时间，此时认为器件结温与温箱内部温度相同。

步骤二：将器件dut通过夹具连接线性电源与功率器件分析仪，闭合s1、s4，断开s2、s3，通过线性电源施加栅源电压vgs＝6v，使器件处于导通状态，通过功率器件分析仪施加短脉冲漏源电压vp＝30v(脉宽100us、占空比1％)测量器件导通时的短脉冲漏源电流ip。

步骤三：闭合s3，断开s1、s2、s4，关闭栅源电压vgs，使器件dut处于关断状态，将器件通过夹具连接数字源表，通过数字源表给器件内部体二极管施加导通电流if＝1ma，测量体二极管导通电压vf。

步骤四：调节温箱每次升高5℃至稳定，保持vgs＝6v、vp＝30v、if＝1ma不变，根据步骤二、步骤三测量20℃～150℃下，功率vdmos器件的ip和vf，根据ip与温度、vf与温度之间的关系，利用算法拟合出饱和区漏源电流ids与结温、体二极管导通电压vf与结温的关系，并分别作为器件dut导通和关断时的校温曲线库，分别如图3、图4所示。

步骤五：将器件dut通过夹具连接到功率循环实验平台上，如图1所示。器件的初始状态为关断，通过计算机设定器件正常工作的结温范围为50℃～100℃。闭合s2、s4，断开s1、s3，通过线性电源给器件提供栅源电压vgs＝6v，使器件处于导通状态。

步骤六：将器件dut与功率电源连接，通过功率电源给器件施加恒定的漏源电压vds＝30v，通过功率循环实验平台采集器件的漏源电流ids，上传至计算机，根据步骤四得到的器件导通时的校温曲线库计算结温，当结温高于100℃时，计算机下达关断指令，闭合s3，断开s1、s2、s4，关闭栅压vgs，使器件处于关断状态。

步骤七：将器件dut与数字源表连接，通过数字源表给器件内部体二极管施加恒定的导通电流if＝1ma，通过功率循环实验平台采集器件的导通电压vf，上传至计算机，根据步骤四得到的器件关断时的校温曲线库计算结温，当结温低于50℃时，计算机下达开通指令，闭合s2、s4，断开s1、s3，打开栅压vgs，使器件处于导通状态。

步骤八：由步骤六、步骤七可得到施加到器件dut上的功率和器件结温的变化关系，如图5所示。通过计算机设置循环次数为3，即重复步骤六、步骤七对器件进行3次功率循环实验，可得到功率循环3次后施加到器件dut上的功率和器件结温变化的关系，如图6所示，以实现对功率vdmos器件结温的实时测量与控制。

本发明的有益效果是：该方法简单易行，实验成本较低，且不会破坏功率vdmos器件的封装，通过计算机可实现完全程控，可自行设定功率循环实验过程中器件工作的结温范围，进行长时间、多周期的功率循环实验，可准确测量与控制功率vdmos器件的结温。