一种功率半导体模块结温在线评估方法及装置与流程

1.本发明涉及一种功率半导体模块结温在线评估方法及装置，属于电子器件电学和热学测量技术领域。


背景技术：

2.功率半导体模块的内部温度评估对其可靠性至关重要，结温是指功率半导体模块内部芯片有源区温度，一般是内部温度最高的点，目前对于结温的测量主要通过结壳热阻进行计算，即通过测量散热外壳温度结合结壳热阻计算结温，但是在实际应用过程中，壳温的测量较为困难。
3.部分功率半导体模块在模块内部嵌入温度传感器(如热敏电阻ntc)，通过测量温度传感器温度，简洁评估结温，但是传感器温度与结温有较大差距，且在不同的应用条件下，差距也不同，无法准确评估结温。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种功率半导体模块结温在线评估方法及装置，通过芯片到温度传感器的脉冲热阻，计算功率半导体模块的结温。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.第一方面，本发明提供一种功率半导体模块结温在线评估方法，包括：
7.将功率半导体模块接通电源，使功率半导体模块升温，通过温度采集设备，记录温度传感器处的瞬态温升曲线n(t)；
8.将功率半导体模块断开电源，并通过液冷平台，使功率半导体模块由升温转换为降温，通过温度采集设备，记录芯片处的瞬态温降曲线b(t)；
9.将芯片处的瞬态温降曲线b(t)转化为芯片处的瞬态温升曲线a(t)；
10.根据芯片处的瞬态温升曲线a(t)和温度传感器处的瞬态温升曲线n(t)，计算芯片到温度传感器的瞬态热阻zth；
11.根据预构建的热阻热容网络foster模型，对芯片到温度传感器的瞬态热阻zth进行拟合，以获取芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线zthj-n；
12.根据芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线zthj-n，计算芯片到温度传感器的脉冲热阻zthj-n(pulse)；
13.根据芯片到温度传感器的脉冲热阻zthj-n(pulse)，结合实际应用中测得的温度传感器处的温度，计算功率半导体模块的结温。
14.结合第一方面，进一步的，将所述温度传感器替换为测温二极管，以使采样率达到1mhz。
15.结合第一方面，进一步的，将功率半导体模块断开电源，并通过液冷平台，使功率半导体模块由升温转换为降温的过程，所采用的时间小于10μs。
16.结合第一方面，进一步的，将芯片处的瞬态温降曲线b(t)转化为芯片处的瞬态温
升曲线a(t)所采用的计算公式如公式(1)所示：
17.a(t)＝deltatjmax-b(t)
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(1)
18.公式(1)中，a(t)为芯片处的瞬态温升曲线，b(t)为芯片处的瞬态温降曲线，deltatjmax为功率半导体模块升温时芯片的最高结温升。
19.结合第一方面，进一步的，根据芯片处的瞬态温升曲线a(t)和温度传感器处的瞬态温升曲线n(t)，计算芯片到温度传感器的瞬态热阻zth所采用的计算公式如公式(2)所示：
[0020][0021]
公式(2)中，zth为芯片到温度传感器的瞬态热阻，a(t)为芯片处的瞬态温升曲线，n(t)为温度传感器处的瞬态温升曲线，p为电源对功率半导体模块施加的功率。
[0022]
结合第一方面，进一步的，芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线zthj-n的表达式如公式(3)所示：
[0023][0024]
公式(3)中，i为热阻热容网络foster模型中热阻热容网络单元的数量，ri为第i个热阻热容网络单元的第一拟合参数，t为功率半导体模块升温时间，τi为第i个热阻热容网络单元的第二拟合参数。
[0025]
结合第一方面，进一步的，所述芯片到温度传感器的脉冲热阻zthj-n(pulse)的表达式如公式(4)所示：
[0026][0027]
公式(4)中，z为对功率半导体模块升温时间取对数所获得的值，r(z)为时间常数谱，δ为连续脉冲的占空比，t1为连续脉冲的脉宽，x为对连续脉冲的脉宽t1取对数所获得的值，为卷积运算符号；
[0028]
其中，所述时间常数谱r(z)的表达式如公式(5)所示：
[0029][0030]
公式(5)中，z为对功率半导体模块升温时间取对数所获得的值，r(z)为时间常数谱，a(z)为对功率半导体模块升温时间取对数后所对应的芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线的表达式，a(z)＝zthj-n(z＝lnt)，wz(z)为中间变量，wz(z)＝exp[z-exp(z)]，为反卷积运算符号。
[0031]
第二方面，本发明提供一种功率半导体模块结温在线评估装置，包括：功率半导体模块、电源、温度采集设备和计算机；还包括有用于给所述功率半导体模块降温的液冷平台；所述功率半导体模块包括温度传感器和芯片，所述温度采集设备连接于所述功率半导体模块和计算机之间；所述功率半导体模块和计算机分别与所述电源电连接。
[0032]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0033]
1.通过结温点到温度传感器位置的脉冲热阻计算结温，实际应用过程中可在线测
量温度传感器的温度，根据脉冲热阻曲线实时计算结温变化。
[0034]
2.通过测温二极管代替普通温度传感器采样，采样频率更高，计算更准确。
[0035]
3.本方法可应用于各种内嵌温度传感器的功率半导体模块。
附图说明
[0036]
图1是本发明实施例提供的一种功率半导体模块结温在线评估方法流程图；
[0037]
图2是本发明实施例提供的一种功率半导体模块结温在线评估装置中各部件连接关系的示意图；
[0038]
图3是本发明实施例提供的芯片处的瞬态温降曲线b(t)的示意图；
[0039]
图4是本发明实施例提供的芯片处的瞬态温升曲线a(t)和温度传感器处的瞬态温升曲线n(t)的示意图；
[0040]
图5是本发明实施例提供的芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线zthj-n的示意图；
[0041]
图6是本发明实施例提供的芯片到温度传感器的脉冲热阻zthj-n(pulse)的示意图；
[0042]
图中：1-功率半导体模块，2-测温二极管，3-电源，4-温度采集设备，5-液冷平台，6-计算机。
具体实施方式
[0043]
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
[0044]
下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。在不冲突的情况下，本技术实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
[0045]
实施例一：
[0046]
图1是本发明实施例一提供的一种功率半导体模块结温在线评估方法流程图，本流程图仅仅示出了本实施例方法的逻辑顺序，在互不冲突的前提下，在本发明其它可能的实施例中，可以以不同于图1所示的顺序完成所示出或描述的步骤。
[0047]
参见图1，本实施例的方法具体包括如下步骤：
[0048]
步骤一：将功率半导体模块接通电源，使功率半导体模块升温，通过温度采集设备，记录温度传感器处的瞬态温升曲线n(t)；
[0049]
根据foster热阻网络模型的计算原理，将功率半导体模块接通电源，使电源对功率半导体模块施加功率，对功率半导体模块进行加热，使功率半导体模块升温时，需保持足够的加热时间，以保证功率半导体模块达到热稳态，即芯片温度保持稳定，不再升高。同时，由于热敏电阻等温度传感器的响应速度较慢，无法实现网络模型计算所需的1mhz的采样率，因此，将温度传感器替换为测温二极管，以达到1mhz的采样率。
[0050]
步骤二：将功率半导体模块断开电源，并通过液冷平台，使功率半导体模块由升温转换为降温，通过温度采集设备，记录芯片处的瞬态温降曲线b(t)；
[0051]
为保证热阻信息不丢失，将功率半导体模块断开电源，并通过液冷平台，使功率半导体模块由升温转换为降温的过程，所采用的时间小于10μs。所测得的芯片处的瞬态温降
曲线b(t)的示意图如图3所示。
[0052]
步骤三：将芯片处的瞬态温降曲线b(t)转化为芯片处的瞬态温升曲线a(t)；
[0053]
将芯片处的瞬态温降曲线b(t)转化为芯片处的瞬态温升曲线a(t)所采用的计算公式如公式(1)所示：
[0054]
a(t)＝deltatjmax-b(t)
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(1)
[0055]
公式(1)中，a(t)为芯片处的瞬态温升曲线，b(t)为芯片处的瞬态温降曲线，deltatjmax为功率半导体模块升温时芯片的最高结温升。
[0056]
计算所获得的芯片处的瞬态温升曲线a(t)以及通过温度采集设备所测得的温度传感器处的瞬态温升曲线n(t)的示意图如图4所示。
[0057]
步骤四：根据芯片处的瞬态温升曲线a(t)和温度传感器处的瞬态温升曲线n(t)，计算芯片到温度传感器的瞬态热阻zth；
[0058]
根据芯片处的瞬态温升曲线a(t)和温度传感器处的瞬态温升曲线n(t)，计算芯片到温度传感器的瞬态热阻zth所采用的计算公式如公式(2)所示：
[0059][0060]
公式(2)中，zth为芯片到温度传感器的瞬态热阻，a(t)为芯片处的瞬态温升曲线，n(t)为温度传感器处的瞬态温升曲线，p为电源对功率半导体模块施加的功率。
[0061]
步骤五：根据预构建的热阻热容网络foster模型，对芯片到温度传感器的瞬态热阻zth进行拟合，以获取芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线zthj-n；
[0062]
芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线zthj-n的表达式如公式(3)所示：
[0063][0064]
公式(3)中，i为热阻热容网络foster模型中热阻热容网络单元的数量，ri为第i个热阻热容网络单元的第一拟合参数，t为功率半导体模块升温时间，τi为第i个热阻热容网络单元的第二拟合参数。
[0065]
通过拟合所获得的芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线zthj-n的示意图如图5所示。
[0066]
步骤六：根据芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线zthj-n，结合实际应用中测得的温度传感器处的温度，计算芯片到温度传感器的脉冲热阻zthj-n(pulse)；
[0067]
芯片到温度传感器的脉冲热阻zthj-n(pulse)的表达式如公式(4)所示：
[0068][0069]
公式(4)中，z为对功率半导体模块升温时间取对数所获得的值，r(z)为时间常数谱，δ为连续脉冲的占空比，t1为连续脉冲的脉宽，x为对连续脉冲的脉宽t1取对数所获得的值，为卷积运算符号；
[0070]
其中，时间常数谱r(z)的表达式如公式(5)所示：
[0071][0072]
公式(5)中，z为对功率半导体模块升温时间取对数所获得的值，r(z)为时间常数
谱，a(z)为对功率半导体模块升温时间取对数后所对应的芯片到温度传感器的瞬态热阻曲线的表达式，a(z)＝zthj-n(z＝lnt)，wz(z)为中间变量，wz(z)＝exp[z-exp(z)]，为反卷积运算符号。
[0073]
通过计算所获得的芯片到温度传感器的脉冲热阻zthj-n(pulse)的示意图如图6所示。
[0074]
步骤七：根据芯片到温度传感器的脉冲热阻zthj-n(pulse)，计算功率半导体模块的结温。
[0075]
本实施例所提供的功率半导体模块结温在线评估方法，通过结温点到温度传感器位置的脉冲热阻计算结温，实际应用过程中可在线测量温度传感器的温度，根据脉冲热阻曲线实时计算结温变化；通过测温二极管代替普通温度传感器采样，采样频率更高，计算更准确；并且本方法可应用于各种内嵌温度传感器的功率半导体模块。
[0076]
实施例二：
[0077]
本实施例提供一种功率半导体模块结温在线评估装置，如图2所示，包括：功率半导体模块1、电源3、温度采集设备4和计算机6；还包括有用于给功率半导体模块降温的液冷平台5；功率半导体模块1包括温度传感器和芯片，温度采集设备4连接于功率半导体模块1和计算机6之间；功率半导体模块1和计算机6分别与电源3电连接。为达到1mhz的采样率，将温度传感器替换为测温二极管2，测温二极管2连接于功率半导体模块1和温度采集设备4之间。
[0078]
本发明实施例所提供的功率半导体模块结温在线评估装置可执行本发明任意实施例所提供的功率半导体模块结温在线评估方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
[0079]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。