СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ ПЕРЕХОД - КОРПУС СИЛОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ В КОРПУСНОМ ИСПОЛНЕНИИ Российский патент 2007 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров компонентов силовой электроники, в частности силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении, включающих в себя диоды, транзисторы, тиристоры и симисторы, и может быть использовано для контроля их качества.

Известен способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении [1], заключающийся в том, что полупроводниковый кристалл нагревают путем пропускания через него постоянного тока I₀ заданной амплитуды и в процессе нагревания измеряют значение его термочувствительного параметра, в качестве которого используют прямое падение напряжения на кристалле (U_П) и одновременно измеряют температуру основания корпуса (T_к) прибора в выбранной точке. Запоминают эти значения, получая их зависимости от времени t. Прекращают нагрев полупроводникового кристалла при достижении температуры T_к заданного значения и в режиме естественного охлаждения при подаче на кристалл коротких измерительных импульсов тока с амплитудой, равной значению постоянного греющего тока I₀, и скважностью, не влияющими на тепловое равновесие прибора, измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра и температуры основания корпуса, получая зависимости U_n(t) и Т_t(t) на интервале охлаждения. При этом длительность интервала охлаждения выбирают из условия безусловного выполнения t≫3τ, где τ - наибольшая тепловая постоянная конструкции прибора, определяют момент динамического равновесия на интервале нагрева и по полученным зависимостям вычисляют тепловое сопротивление переход-корпус (RU 2240573, МПК⁷ G01R 31/26, опубл. 20.11.2004).

Недостатками известного способа являются:

1. Ограниченные функциональные возможности способа, заключающиеся в том, что данным способом невозможно определять тепловое сопротивление переход-корпус таких приборов, как тиристоры и симисторы. Это обусловлено тем, что в этих приборах при включении существует процесс распространения включенного состояния по площади полупроводниковой структуры, время распространения которого варьируется от десятков микросекунд для маломощных приборов до единиц миллисекунд для мощных приборов. Причем время распространения зависит от конструкции управляющего электрода, степени шунтирования управления и величины плотности тока, что требует дополнительных условий по его определению для каждого типа тиристоров и симисторов. Тогда длительность измерительных импульсов тока по известному способу должна быть не менее длительности процесса распространения включенного состояния. При этом подача измерительных импульсов тока с амплитудой, равной величине греющего тока, создает условия дополнительного нагрева полупроводниковой структуры, что не позволяет реализовать известный способ для тиристоров и симисторов.

2. Сложное техническое решение реализации способа, обусловленное необходимостью использования источника греющего постоянной тока с малыми значениями пульсаций, что обуславливает применение мощного и высокоточного источника постоянного тока, а также источника измерительных импульсов тока с амплитудой, равной величине греющего постоянного тока, что также требует мощного и высокоточного источника импульсного тока.

3. Сложность реализации обработки результатов измерения, обусловленная применением аппроксимации экспоненциальными функциями снятой точечной временной зависимости напряжения на испытуемом приборе в процессе нагрева и нахождения точных значений коэффициентов аппроксимации с корреляцией по методу наименьших квадратов, являющихся тепловыми параметрами полупроводниковых приборов, что требует длительного итерационного процесса определения теплового сопротивления.

Технический результат заключается в дополнительной возможности определения теплового сопротивления переход-корпус тиристоров и симисторов, более простой технической реализации источника греющего тока и источника измерительного тока, упрощении обработки результатов измерения.

Технический результат достигается тем, что в способе определения теплового сопротивления переход-корпус полупроводниковых приборов в корпусном исполнении, заключающемся в том, что полупроводниковый прибор нагревают путем пропускания через него тока i_heat(t) в состоянии высокой проводимости, на интервале нагревания измеряют и запоминают значения его термочувствительного параметра, в качестве которого используют падение напряжения на полупроводниковом приборе u_hc в состоянии высокой проводимости, и температуру корпуса T_С(t) прибора в выбранной точке, прекращают нагрев полупроводникового прибора при достижении температуры корпуса заданного значения и в режиме естественного охлаждения пропускают измерительный ток, не влияющий на тепловое равновесие испытуемого прибора, и запоминают значение термочувствительного параметра и температуру корпуса, при этом длительность интервала охлаждения выбирают из условия безусловного выполнения t≫3τ, где τ - тепловая постоянная конструкции прибора, в процессе осуществления предварительно пропускают постоянный измерительный ток I_measure заданной величины, в начальном термодинамическом равновесии в момент времени t₀ измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра u_hc(t₀) и температуры корпуса T_С(t₀), с момента времени t₁ до момента времени t₂ нагревают прибор током i_heat произвольной формы, в процессе нагрева в моменты времени n-го интервала измерения и запоминания термочувствительного параметра измеряют и запоминают значения тока вычисляют среднюю мощность n-го интервала измерения потерь с момента времени t₁ величину греющего тока i_heat увеличивают от минимальной, равной величине постоянного измерительного тока I_measure, и при сравнении величины вычисленной средней мощности потерь на n-м интервале измерения с предварительно установленной максимально допустимой мощностью Р_max прекращают увеличивать величину греющего тока i_heat и продолжают процесс нагрева, в момент t₂ прерывают протекание греющего тока i_heat, измеряют и запоминают величины термочувствительного параметра u_hc(t₂) от протекания постоянного измерительного тока I_measure и температуры корпуса T_C(t₂), после момента времени t₂ в режиме естественного охлаждения по достижению термодинамического равновесия в момент времени t₃ измеряют и запоминают величины термочувствительного параметра u_hc(t₃) и температуры корпуса прибора Т_C(t₃), при этом тепловое сопротивление переход-корпус рассчитывают как:

где:

u_hc(t₂) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока;

u_hc(t₀) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в начальном ненагретом состоянии;

T_C(t₂) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока;

T_C(t₀) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в начальном ненагретом состоянии;

- средняя мощность потерь в установившемся тепловом режиме в процессе нагрева;

ТКН - температурный коэффициент напряжения, рассчитываемый как:

где:

u_hc(t₃) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения;

T_C(t₃) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения.

Способ осуществляют следующим образом. Перед подачей греющего тока, во время его протекания и после окончания его протекания через испытуемый полупроводниковый прибор пропускают постоянный измерительный ток I_measure. Величина измерительного тока I_mesure выбирается таким образом, чтобы его протекание не влияло на термодинамическое равновесие испытуемого прибора. Для тиристоров и симисторов его величина должна быть такой, чтобы включенное состояние распространилось по всей площади полупроводниковой структуры во время длительности всего испытательного цикла.

В качестве термочувствительного параметра используют падение напряжения на полупроводниковом приборе u_hc в состоянии высокой проводимости. Его использование объясняется линейной зависимостью от температуры. Температурный коэффициент напряжения (ТКН) для каждого прибора является индивидуальным для каждого прибора даже одного типа (Беспалов Н.Н. Исследование термочувствительного параметра полупроводниковых диодов. / Н.Н. Беспалов, М.В. Ильин // Технические и естественные науки: проблемы, теория, эксперимент (Межвузовский сборник научных трудов). - Саранск, 2005. - Вып.V. - С.29-31), поэтому в данном способе ТКН определяется для каждого испытуемого прибора.

Перед подачей греющего тока испытуемый прибор находится в начальном состоянии термодинамического равновесия. Температура испытуемого прибора равна температуре окружающей среды, а следовательно, и его полупроводниковый кристалл имеет такую же температуру. В начальный момент времени t₀ измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра u_hc(t₀) от протекания измерительного тока I_mesure и температуры корпуса T_C(t₀) в выбранной точке корпуса. Момент времени t₀ для тиристоров и симисторов должен быть установлен после времени распространения включенного состояния.

Далее с момента времени t₁ до момента времени t₂ нагревают испытуемый прибор током i_heat(t) произвольной формы. Нагрев, например, может производиться током полусинусоидальной или трапецеидальной формой, прямоугольными импульсами или любыми иными формами.

В процессе нагрева в моменты времени n-го интервала измерения и запоминания термочувствительного параметра измеряют и запоминают значения тока и вычисляют среднюю мощность потерь как:

где:

E_n - энергия электрических потерь в полупроводниковом приборе на n-м интервале измерения при протекании греющего тока:

где:

n - номер интервала измерения;

m_n - количество измерений на n-м интервале измерения;

- момент времени измерения параметров в процессе нагрева;

- последующий момент времени на n-м интервале измерения параметров в процессе нагрева;

- значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в момент времени на n-м интервале измерения в процессе нагрева;

- значение греющего тока в момент времени на n-м интервале измерения в процессе нагрева;

- значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в момент времени на n-м интервале измерения в процессе нагрева;

- значение греющего тока в момент времени на n-м интервале измерения в процессе нагрева;

- последний момент времени на n-м интервале измерения параметров в процессе нагрева;

- первый момент времени на n-м интервале измерения параметров в процессе нагрева.

Ток, протекая через полупроводниковый кристалл, нагревает его. Выделяющаяся тепловая энергия через слои припоя, термокомпенсатор и корпус рассеивается в окружающую среду. Для измерения температуры корпуса Т_C выбирают точку, расположенную под центром полупроводникового кристалла либо в центре основания корпуса.

Величину амплитуды и форму греющего тока i_heat(t) определяют исходя из условия, что мощность потерь, выделяющаяся в кристалле полупроводникового прибора не должна превышать максимальную среднюю мощность потерь Р_max, а температура основания корпуса Т_C удовлетворяет условию ограничения температуры перехода T_j<Т_jmax, где T_jmax - максимально допустимая температура перехода, которая не превышает предельной температуры с запасом 20°С-30°C. Максимальная средняя мощность потерь определяется как:

где:

k - коэффициент запаса температуры кристалла, выбранный из условия k<1;

R_thjсТУ - предполагаемое или известное из технических условий (ТУ) или справочных данных значение теплового сопротивления.

Процесс регулирования представляет собой постепенное увеличение величины греющего тока. В интервалах между очередным увеличением тока рассчитывается значение средней мощности потерь полупроводникового прибора .

При достижении значения средней мощности потерь полупроводникового прибора предельного значения Р_max дальнейшее увеличение мощности прекращается, и дальнейший нагрев производится током с полученными параметрами. Отключение подачи греющего тока производят при достижении температуры корпуса полупроводникового прибора значения Т_С=(80-90)°С.

При протекании греющего тока i_heat температура корпуса полупроводникового прибора Т_C возрастает. После завершения переходных тепловых процессов в приборе, через интервал времени t≫3τ, разность между температурами T_j над Т_C составляет постоянную величину, пропорциональную тепловому сопротивлению переход-корпус R_thjc.

В момент времени t₂ при достижении температуры корпуса Т_с заданного значения прерывают протекание греющего тока i_heat(t) и измеряют, и запоминают величины термочувствительного параметра u_hc(t₂) от протекания постоянного измерительного тока I_mesure и температуры корпуса T_C(t₂).

В режиме естественного охлаждения температура полупроводникового прибора снижается по экспоненциальной зависимости. Из-за различия теплоемкостей кристалла и корпуса прибора охлаждения происходит с разными тепловыми постоянными. Теплоемкость полупроводникового кристалла значительно меньше теплоемкости корпуса и через интервал времени t≫3τ_К, где τ_K - тепловая постоянная полупроводникового кристалла прибора, достигается термодинамическое равновесие. После достижения данного состояния температура полупроводникового кристалла становится равной температуре корпуса, и охлаждение происходит с одинаковой тепловой постоянной. В момент времени t₃ измеряют и запоминают величины термочувствительного параметра u_hc(t₃) и температуры корпуса прибора T_C(t₃).

Тепловое сопротивление переход-корпус рассчитывают по формуле:

где:

u_hc(t₂) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока;

ТКН - температурный коэффициент напряжения, рассчитывающийся как:

где:

u_hc(t₃) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения;

T_C(t₃) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения;

u_hc(t₀) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в начальном ненагретом состоянии;

T_C(t₀) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в начальном ненагретом состоянии;

T_C(t₂) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока;

- значение средней мощности потерь в установившемся тепловом режиме в процессе нагрева.

Сущность заявляемого решения поясняется чертежом, на котором в качестве примера отображены временные зависимости информативных параметров на этапах измерения при использовании полусинусоидальной формы греющего тока i_heat. Регулирование мощности потерь P_tot осуществляется фазой греющего тока i_heat.

Признаками, отличающими заявляемое техническое решение от прототипа, являются:

1) измерительный ток I_mesure протекает на всех этапах измерения;

2) нагревание производят током произвольной формы;

3) в процессе нагревания измеряют и запоминают значения греющего тока

4) в процессе нагревания вычисляют среднюю мощность электрических потерь

5) вычисляют ТКН для каждого испытуемого полупроводникового прибора;

6) в качестве испытуемых приборов дополнительно возможно использовать тиристоры и симисторные структуры.

По сравнению с известным решением предлагаемое позволяет определять тепловое сопротивление не только силовых диодов и транзисторов, но и таких распространенных типов силовых полупроводниковых приборов, как тиристоры и симисторы, позволяет снизить затраты при технической реализации за счет применения управляемых нестабилизированных источников греющего тока, которые более просты в управлении, а также за счет применения источника постоянного измерительного тока малой мощности с величиной тока не более 10 А. При этом для определения теплового сопротивления не требуется применение построения градуировочной зависимости и сложной математической обработки результатов измерения с применением аппроксимации экспоненциальными функциями снятой точечной временной зависимости напряжения на испытуемом приборе в процессе нагрева и нахождения точных значений коэффициентов аппроксимации с корреляцией по методу наименьших квадратов, так как его определение осуществляется по простой формуле на основании данных измерения простых электрических параметров и температуры, что повышает дополнительно точность определения.

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении и может быть использовано для контроля их качества. Технический результат: возможность определения теплового сопротивления переход-корпус тиристоров и симисторов, более простая реализации источников греющего и измерительного тока, упрощение обработки результатов измерения. Сущность: через испытуемый прибор пропускают постоянный измерительный ток I_measure заданной величины. В начальном термодинамическом равновесии в момент времени t₀ измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра u_hc(t₀) и температуры корпуса T_C(t₀). С момента времени t₁ до момента времени t₂ нагревают прибор током i_heat произвольной формы. В процессе нагрева в моменты времени n-ого интервала измерения и запоминания термочувствительного параметра измеряют и запоминают значения тока вычисляют среднюю мощность n-ого интервала измерения потерь С момента времени t₁ величину греющего тока i_heat увеличивают от минимальной, равной величине постоянного измерительного тока I_measure, и при сравнении величины вычисленной средней мощности потерь на n-м интервале измерения с предварительно установленной максимально допустимой мощностью Р_max прекращают увеличивать величину греющего тока i_heat, продолжая процесс нагрева. В момент t₁ прерывают протекание греющего тока i_heat, измеряют и запоминают величины термочувствительного параметра u_hc(t₂) от протекания постоянного измерительного тока I_measure и температуры корпуса T_C(t₂). После момента времени t₂ в режиме естественного охлаждения по достижении термодинамического равновесия в момент времени t₃ измеряют и запоминают величины термочувствительного параметра u_hc(t₃) и температуры корпуса прибора Т_C(t₃) и рассчитывают тепловое сопротивление переход-корпус. 1 ил.

Способ определения теплового сопротивления переход - корпус полупроводниковых приборов в корпусном исполнении, заключающийся в том, что полупроводниковый прибор нагревают путем пропускания через него тока i_heat(t) в состоянии высокой проводимости, на интервале нагревания измеряют и запоминают значения его термочувствительного параметра, в качестве которого используют падение напряжения на полупроводниковом приборе u_hc в состоянии высокой проводимости, и температуру корпуса T_C(t) прибора в выбранной точке, прекращают нагрев полупроводникового прибора при достижении температурой корпуса заданного значения и в режиме естественного охлаждения пропускают измерительный ток, не влияющий на тепловое равновесие испытуемого прибора, и запоминают значение термочувствительного параметра и температуру корпуса, при этом длительность интервала охлаждения выбирают из условия безусловного выполнения t≫3τ, где τ - тепловая постоянная конструкции прибора, отличающийся тем, что в процессе осуществления предварительно пропускают постоянный измерительный ток I_measure заданной величины, в начальном термодинамическом равновесии в момент времени t₀ измеряют и запоминают значения термочувствительного параметра u_hc(t₀) и температуры корпуса T_C(t₀), с момента времени t₁ до момента времени t₂ нагревают прибор током i_heat произвольной формы, в процессе нагрева в моменты времени n-го интервала измерения и запоминания термочувствительного параметра измеряют и запоминают значения тока вычисляют среднюю мощность n-го интервала измерения потерь с момента времени t₁ величину греющего тока i_heat увеличивают от минимальной, равной величине постоянного измерительного тока I_measure, и при сравнении величины вычисленной средней мощности потерь на n-м интервале измерения с предварительно установленной максимально допустимой мощностью Р_max прекращают увеличивать величину греющего тока i_heat и продолжают процесс нагрева, в момент t₂ прерывают протекание греющего тока i_heat, измеряют и запоминают величины термочувствительного параметра u_hc(t₂) от протекания постоянного измерительного тока I_measure и температуры корпуса T_C(t₂), после момента времени t₂ в режиме естественного охлаждения по достижении термодинамического равновесия в момент времени t₃, измеряют и запоминают величины термочувствительного параметра u_hc(t₃) и температуры корпуса прибора Т_C(t₃), при этом тепловое сопротивление переход - корпус рассчитывают как

где u_hc(t₂) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока;

u_hc(t₀) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в начальном ненагретом состоянии;

T_C(t₂) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в момент прекращения протекания греющего тока;

T_C(t₀) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в начальном ненагретом состоянии;

- средняя мощность потерь в установившемся тепловом режиме в процессе нагрева;

ТКН - температурный коэффициент напряжения, рассчитываемый как

где u_hc(t₃) - значение термочувствительного параметра полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения;

Т_C(t₃) - значение температуры корпуса полупроводникового прибора в состоянии термодинамического равновесия в режиме охлаждения.