Способ автоматизированного определения теплового сопротивления переход - корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении Российский патент 2018 года по МПК G01R31/26 

Изобретение относится к технике измерения тепловых параметров силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении и может быть использовано для контроля их качества.

Технический результат: возможность быстрого определения теплового сопротивления переход-корпус диодов, тиристоров и транзисторов, более простая реализация тестера.

Сущность: испытуемый прибор подключают на определенное время (t_изм=0.02…0.05 τ) под номинальное напряжение и номинальный синусоидальный ток максимально допустимой частоты, затем подключают под постоянный измерительный ток, измеряют термочувствительный параметр - напряжение на кристалле, и сравнивают его с эталоном.

Известны два способа определения теплового сопротивления R_thjc в соответствии со стандартом ГОСТ 24461-80 [1]. В первом способе используются два токовых режима. Первый - режим нагрева силового полупроводникового прибора (СПП) постоянным греющим током до состояния теплового равновесия, второй - режим измерения термочувствительного параметра, при протекании через СПП измерительного тока, не влияющего на тепловое равновесие.

В качестве термочувствительного параметра рекомендуется использовать прямое напряжение u_F для диодов или напряжение в открытом состоянии u_T для тиристоров и симметричных тиристоров. Температура T_j определяется по градуировочной характеристике прибора. Градуируется ИП в термостате при протекании измерительного тока, не влияющего на тепловое равновесие.

Основными недостатками данных способов являются большие временные и энергетические затраты на процесс градуировки и испытания СПП. Данные обстоятельства определяют низкую производительность метода, поэтому этот метод практически не применим для определения теплового сопротивления R_thjc при автоматизированном контроле силовых полупроводниковых приборов.

Известен способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении в соответствии с патентом №2300115 РФ, МПК7 G01R 31/26 [2]. В этом способе полупроводниковый прибор нагревают путем пропускания через него тока в состоянии высокой проводимости, на интервале нагревания измеряют и запоминают значения его термочувствительного параметра 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>3 τ, где τ - тепловая постоянная конструкции прибора. Повторяя подобные операции, определяют тепловое сопротивления R_thjc по формуле.

Основными недостатками данного способа также являются большие временные и энергетические затраты на процесс градуировки и испытания СПП, поэтому этот способ практически не применим для определения теплового сопротивления R_thjc при автоматизированном контроле силовых полупроводниковых приборов.

Сокращение времени определения R_thjc достигается путем допущения того предположения, что градуировочные зависимости u_F(T)(Tj) одинаковы для партии однотипных приборов. Для этого осуществляется градуировка нескольких приборов, по которым определяется усредненная характеристика, которая и применяется при определении R_thjc для всех приборов. Однако из-за технологических отклонений в процессе производства СПП, не достаточно качественной посадке кристалла в корпус прибора тепловые сопротивления различных СПП могут существенно отличаться от эталонного. Это может привести к перегреву и выходу из строя отдельных СПП при подключении их под номинальные напряжения, ток и частоту коммутаций.

Для устранения названных недостатков предлагается способ автоматизированного определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении, отличающийся тем, что для повышения быстродействия измерений и обеспечения стопроцентного контроля теплового сопротивления у всех СПП подключают каждый СПП под номинальные напряжение, ток и частоту коммутации кратковременно на время, равное 0,02…0,05 постоянной времени теплового процесса прибора t=0,05 τ, затем отключают, измеряют термочувствительный параметр и сравнивают его с эталонным.

Этот способ использует свойство экспоненты быстро изменять почти по линейному закону свою величину на начальном участке. Так за время, равное 0,05 постоянной времени процесса t=0,05 τ, произойдет изменение начального значения любой величины, характеризующей этот процесс, примерно на 5%. Такое изменение любой величины вполне можно измерить в автоматизированной установке. Кроме того, поскольку постоянная времени тепловых процессов у большинства СПП измеряется несколькими минутами, то время измерений при контроле СПП этим способом оказывается невелико - измеряется несколькими секундами. Это также существенно для автоматизированного контроля СПП.

Для реализации способа и определения эталонного значения термочувствительного параметра определяют для одного или нескольких СПП конкретной партии величину теплового сопротивления R_thjc известными трудоемкими методами [1, 2 и др.]. Затем эталонный СПП подключают под номинальные напряжение, ток и частоту переменного сигнала. Через заданное время, например, равное t=0,05 τ - тепловой постоянной конструкции прибора, СПП отключают и измеряют термочувствительный параметр, в качестве которого используют прямое напряжение для диодов при заданном измерительном токе или напряжение в открытом состоянии для тиристоров и симметричных тиристоров. Числовое значение этого напряжения используют в качестве эталона при автоматизированном испытании остальных СПП данной партии. Если у испытуемого СПП величина термочувствительного параметра оказывается больше эталонной, то этот СПП уходит в брак - при дальнейшей эксплуатации при номинальных режимах он будет перегреваться и выйдет из строя. Чтобы исключить при проведении испытаний выход из строя дорогостоящих СПП, выполненных, например, на карбиде кремния, целесообразно проводить испытания сначала при 80% и затем 100% номинального тока.

Литература

1. ГОСТ 24461-80. Приборы полупроводниковые силовые. Методы измерений и испытаний.

2. ПАТЕНТ №2300115 РФ, МПК7 G01R 31/26. Способ определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении / Н.Н. Беспалов (RU), М.В. Ильин (RU). - №200610336; заявл. 02.02.2006; опубл. 27.05.2007, бюл. №15. - 642 с.

Использование: для измерения тепловых параметров силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении. Сущность изобретения заключается в том, что способ автоматизированного определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении для повышения быстродействия измерений и обеспечения стопроцентного контроля теплового сопротивления у всех СПП, подключают каждый СПП под номинальные напряжение, ток и частоту коммутации кратковременно на время, равное 0,02…0,05 постоянной времени теплового процесса прибора t=0,02…0,05 τ, затем отключают, измеряют термочувствительный параметр и сравнивают его с эталонным. Технический результат - обеспечение возможности быстрого определения теплового сопротивления переход-корпус диодов, тиристоров и транзисторов, более простая реализация тестера. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ автоматизированного определения теплового сопротивления переход-корпус силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении, отличающийся тем, что для повышения быстродействия измерений и обеспечения стопроцентного контроля теплового сопротивления у всех СПП каждый СПП подключают под номинальные напряжение, ток и частоту коммутации кратковременно на время, равное 0,02…0,05 постоянной времени теплового процесса прибора t=0,02…0,05 τ, затем отключают, измеряют термочувствительный параметр и сравнивают его с эталонным.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что с целью исключения возможного выхода их строя некоторых СПП повторяют контроль при 80 и 100% номинального тока.