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用于測定功率電子裝置的半導體器件的溫度標定特征曲線的方法和裝置制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用于測定功率電子裝置的半導體器件(3)的溫度標定特征曲線的裝置和方法。所述裝置和方法的特征尤其在于：能夠簡單地且經濟上適宜地測定溫度標定特征曲線。為此，將半導體器件(3)的功率端子-與負載電流的第一電流源(1)、-與測量電流的第二電流源(2)，和-與用于測量在功率端子或與功率端子連接的輔助端子上下降的電壓的電壓表(V)互聯。此外，與數據處理系統連接的半導體器件(3)-間隔地在接通第一電流源(1)的情況下經由所述半導體器件的損失功率加熱和-在切斷第一電流源(1)并接通第二電流源(2)時測量在作為代表溫度的數值的通過半導體器件(3)的熱學主時間常數測定的持續時間之后在間隔之間在功率或輔助端子上下降的電壓，包括所屬的溫度。該數值在近似之后形成半導體器件(3)的標定特征曲線。
【專利說明】用于測定功率電子裝置的半導體器件的溫度標定特征曲線的方法和裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種用于測定功率電子裝置的半導體器件的溫度標定特征曲線的方法和裝置。

【背景技術】
[0002]功率電子裝置的半導體器件例如是已知的具有絕緣柵電極的雙極晶體管(insulated-gate bipolar transistor,縮寫IGBT)。這種器件將雙極晶體管的良好導通特性和高截止電壓形式的優點以及場效應晶體管的盡可能無功率損失的控制的優點結合在一起。
[0003]在此，區分四種不同的基礎類型。根據基礎材料的摻雜，能夠制造η和p通道的功率半導體。所述功率半導體分別劃分成自導通和自截止的類型。半導體器件具有端子集電極(C)和發射極(Ε)。另外的柵極端子(G)在全部類型中用作為控制端子。
[0004]為了獲取也稱作VCE(T)的標定特征曲線UCE(T)，半導體器件被動地置于特定的溫度水平上并且在那里測量相應的UCE電壓，而小測量電流流動。由此引起的加熱能夠被忽略。
[0005]被動的加熱通過外部的熱輸送進行。為了該目的，半導體器件被置于封裝的加熱設備中，直到半導體的溫度達到加熱設備的溫度。因此，在半導體中均勻的溫度分布占優。借助于所饋送的測量電流I測量記錄標定特征曲線的測量點。
[0006]根據所需的測量點的數量，投入多個溫度等級并且在那進行測量。用于獲得特定特征曲線的整個過程持續多個小時。標定過程在較晚的使用地點發生。為了測量和標定，使用不同的構造方式，從而無法排除測量偏差。
[0007]通過參考文獻DE 30 37 192 A1已知一種用于半導體設備的測試方法，所述測試方法在相對短的時間中提供半導體在不同溫度下的特征數據。在此，半導體設備借助于加熱體局部地被加熱，并且在不同的溫度下執行對特征數據的測量。用于記錄測量結果的測試電路在該方法期間保持在室溫。
[0008]參考文獻DE 38 32 273 A1包含用于測定IGBT器件熱阻的設備和方法。對此，首先在要測試的IGBT器件的冷狀態下測量集電極-發射極電壓，隨后對IGBT器件加載在功率和持續時間方面所測定的電功率脈沖，并且在第二測量中直接在功率脈沖結束之后測定集電極-發射極電壓。


【發明內容】

[0009]在權利要求1和6中說明的本發明基于下述目的:簡單地測定功率電子裝置的半導體器件的溫度標定特征曲線。
[0010]所述目的借助權利要求1和6所詳述的特征來實現。
[0011]用于測定功率電子裝置的半導體器件的溫度標定特征曲線的裝置和方法的特征尤其在于:能夠簡單地且經濟上適宜地測定溫度標定特征曲線。為此，將半導體器件的功率端子
[0012]-與負載電流的第一電流源、
[0013]-與測量電流的第二電流源、
[0014]-與用于測量在功率端子或與功率端子連接的輔助端子上下降的電壓的電壓表互聯。
[0015]此外，與數據處理系統連接的半導體器件
[0016]-間隔地在接通第一電流源的情況下經由所述半導體器件的損失功率加熱
[0017]-在切斷第一電流源和接通第二電流源時測量在在作為代表溫度的數值的通過半導體器件的熱學主時間常數測定的持續時間之后在間隔之間的在功率或輔助端子上下降的電壓，
[0018]-同時借助于至少一個耦合到半導體器件上的且與數據處理系統互連的溫度傳感器，檢測溫度，和
[0019]-將相應的溫度與電壓值相關聯。
[0020]電壓值和溫度在近似之后形成半導體器件的標定特征曲線。
[0021]該方法和本發明的特征因此在于:通過由其自身的損失功率主動地加熱測試體來獲得溫度標定特征曲線。在測量結構中的標定中，功率電子裝置的半導體器件形式的模塊主動地、即用負載電流加熱。
[0022]加熱過程在多個間隔中進行。半導體器件不被冷卻，僅在切斷風扇時對空氣冷卻器或者水冷卻器的熱容加載。經由負載電流和由此設定的正向電壓主動地加熱模塊中的芯片一定特定時間。在切斷負載電流之后，經由功率端子饋送測量電流，因為從流動的測量電流中產生的加熱相對于從負載電流中產生的加熱是可忽略的。
[0023]在初始時，芯片上的溫度強烈下降。半導體器件的熱容經由相應的熱阻釋放到冷卻器中。在此，芯片溫度在特定固定時間之后達到近似冷卻體的溫度。之后，這兩者同樣迅速下降。直到這兩個溫度大致位于相同水平的時間能夠從半導體器件的最大的熱學主時間常數中估算出。熱學主時間常數能夠從制造商說明中測定、通過制造商測定的說明或者能夠手動地估算出來。
[0024]令人驚訝地顯示出:芯片和冷卻體的溫度都快速地位于相同的水平上。在冷卻期間，能夠將溫度值分配給在功率端子或輔助端子上下降的電壓。這借助于與數據處理系統連接的且耦聯到半導體器件上的溫度傳感器實現。
[0025]在測量之后進行重新的加熱和冷卻過程，由此設定新的測量點。能夠長時間地選擇冷卻階段直至設定先前間隔的啟動溫度之上的溫度。
[0026]加熱和冷卻的該過程被重復直至達到關于溫度的標定特征曲線的期望的上部的點。通過流動的測量電流引起的加熱是可忽略的。
[0027]作為圖表中的測量點并且借助近似來獲得半導體器件的溫度標定特征曲線。
[0028]該方法的控制、測量值的存儲和評估借助于數據處理系統進行。
[0029]該方法和設備的特征在于極其小的持續時間。當已知的方法根據模塊大小而需要多個小時、典型地二至三個小時時，通過主動地加熱功率半導體僅需要幾分鐘、例如三至六分鐘。當然，也在冷卻期間能夠通過流動的或穿涌流的介質進行強制冷卻，使得芯片和殼體的溫度更快速地接近。所述冷卻能夠連續地或者階梯延續地進行。
[0030]標定有利地能夠在最稍晚的使用地點進行，其中也取消調試時間。
[0031]在從屬權利要求2至5和7中說明了本發明的有利的設計方案。
[0032]根據權利要求2的改進形式，間隔確定了加熱并且間隔之間的時間確定了冷卻和測量。階梯式地進行加熱，其中冷卻的持續時間長至使得溫度大于測量點的通過先前間隔引起的溫度。
[0033]根據權利要求3的改進形式，在整數倍的熱學主時間常數之后在間隔之間的冷卻期間，半導體器件的冷卻體和芯片盡可能地位于相同的溫度水平上。此后，進行對在功率端子或輔助端子上下降的電壓和溫度的測量。
[0034]根據權利要求4的改進形式，熱學主時間常數的倍數是熱學主時間常數的四倍或四倍以上。
[0035]根據權利要求5的改進形式，第一電流源的電流是半導體器件的額定電流的25%至 100%。
[0036]根據權利要求7的改進形式，半導體器件是具有絕緣柵電極的雙級晶體管、功率M0SFET(M0SFET:金屬氧化物半導體場效應晶體管)、功率JFET(截至層結型場效應晶體管)、晶閘管、二端交聯關元件、三端交聯關元件或二極管。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]在附圖中分別原理性地示出本發明的實施例并且在下面詳細描述。
[0038]其示出:
[0039]圖1示出用于主動測定具有絕緣柵電極的、作為功率電子裝置的半導體器件的雙極晶體管的溫度標定特征曲線的裝置，和
[0040]圖2示出測量的變化曲線。

【具體實施方式】
[0041]在下面的實施例中，共同詳細闡述用于測定具有絕緣柵電極的、作為功率電子裝置的半導體器件3的雙級晶體管3的溫度標定特征曲線的裝置和方法。
[0042]用于測定具有絕緣柵電極的、作為功率電子裝置的半導體器件3的雙級晶體管3的溫度標定特征曲線的裝置基本上由負載電流1:--的第一電流源1、測量電流的第二電流源2、用于測量集電極-發射極路徑上下降的電壓UCE的電壓表V、數據處理系統和與雙級晶體管3耦聯的溫度傳感器組成。
[0043]圖1示出用于主動測定具有絕緣柵電極的、作為功率電子裝置的半導體器件3的雙級晶體管D的溫度標定特征曲線的裝置的原理圖。
[0044]具有絕緣柵電極的雙極晶體管3下面稱作為功率半導體3。
[0045]功率半導體3的集電極-發射極路徑與
[0046]-小于或等于額定電流的電流I的第一電流源1、
[0047]-測量電流I的第二電流源2、
[0048]-用于測量在集電極-發射極路徑上下降的電壓UCE的電壓表V和
[0049]-用于控制測量、存儲測量數據和評估的數據處理系統互聯。
[0050]數據處理系統還與溫度傳感器聯接。集電極和發射極是功率半導體3的功率端子和輔助端子或功率端子。
[0051]數據處理系統和溫度傳感器在圖1中沒有示出。
[0052]功率半導體3在特定的且預設的時間間隔中在第一電流源1接通的情況下經由其損失功率加熱。第一電流源1的電流1:--在此例如為功率半導體3的額定電流的50%。
[0053]借助于數據處理系統進行控制。
[0054]在切斷第一電流源1并接通第二電流源2時，測量在作為代表溫度的數值的通過功率半導體器件3的熱學主時間常數確定的持續時間?之后在間隔之間在集電極-發射極路徑上下降的電壓Ura。同時，借助與功率半導體3耦聯的溫度傳感器來測量溫度。該數值存儲在數據處理系統中進而被處理，使得數值例如在線性近似之后形成功率半導體3的標定特征曲線。
[0055]圖2示出測量的變化曲線的原理圖。
[0056]間隔升確定加熱，并且間隔升之間的時間tT降和確定冷卻和測量。加熱階梯式地進行，其中電流1:--流動。
[0057]用于冷卻的持續時間tTK和?長至使得測量點i+Ι的溫度大于測量點i的通過先前間隔t μ引起的溫度。
[0058]圖2對此示出芯片溫度的溫度變化曲線Tvj，其中vj代表虛擬的連結，并且示出了功率半導體3的殼體溫度的溫度變化T。，其中C代表殼體。
[0059]功率半導體3的芯片和功率半導體3的冷卻體在五倍的熱學主時間常數之后在間隔之間的冷卻期間盡可能地位于相同的溫度水平，其中尤其在此測量集電極-發射極路徑上下降的電壓(測量點i和i+1)。
[0060]數值和配屬于此的溫度例如在線性近似之后在數據處理系統中形成了功率半導體3的標定特征曲線。
【權利要求】
1.一種用于測定功率電子裝置的半導體器件的溫度標定特征曲線的方法，其特征在于，將所述半導體器件(3)的功率端子 -與負載電流(Iiis)的第一電流源(I)、 -與測量電流(I3w)的第二電流源(2)、 -與用于測量在所述功率端子或與所述功率端子連接的輔助端子上下降的電壓(Uce)的電壓表(V) 互聯，其中與數據處理系統連接的所述半導體器件(3) -間隔地在接通所述第一電流源(I)的情況下經由所述半導體器件的損失功率加熱，-在切斷所述第一電流源(I)并接通所述第二電流源(2)時測量在作為代表溫度的數值的通過所述半導體器件(3)的熱學主時間常數測定的持續時間之后在間隔之間在所述功率端子或所述輔助端子上下降的電壓(Uce)， -同時借助于至少一個耦合到所述半導體器件(3)上的且與所述數據處理系統互連的溫度傳感器，檢測所述溫度，和 -將相應的所述溫度與電壓值相關聯， 使得所述電壓值和所述溫度在近似之后形成所述半導體器件(3)的標定特征曲線。
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述間隔確定了所述加熱和所述間隔之間的時間確定了冷卻和測量，并且階梯式地進行所述加熱，其中所述冷卻的持續時間長至使得所述溫度大于所述測量點的通過先前間隔產生的溫度。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，在整數倍的所述熱學主時間常數之后在所述間隔之間的所述冷卻的期間，所述半導體器件(3)的所述冷卻體和所述芯片盡可能地位于相同的溫度水平上，其中進行對在所述功率端子或所述輔助端子上下降的所述電壓和所述溫度的測量。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱學主時間常數的所述倍數是所述熱學主時間常數的四倍或四倍以上。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一電流源(I)的電流是所述半導體器件⑶的額定電流的25%至100%。
6.一種用于根據權利要求1所述的方法測定功率電子裝置的半導體器件的溫度標定特征曲線的裝置，其特征在于，所述半導體器件(3)的功率端子與 -負載電流(Iiis)的第一電流源(I)、 -測量電流(I3w)的第二電流源(2)、 -用于測量在所述功率端子或與所述功率端子連接的輔助端子上下降的電壓(UeE)的電壓表(V)和 -數據處理系統 互聯成使得 a)所述半導體器件(3)間隔地在接通所述第一電流源(I)的情況下經由所述半導體器件的損失功率加熱， b)在切斷所述第一電流源(I)并接通所述第二電流源(2)時測量在作為代表溫度的數值的通過所述半導體器件(3)的熱學主時間常數確定的持續時間之后在間隔之間在所述功率端子或所述輔助端子上下降的電壓(Uce)， c)同時借助于至少一個耦合到所述半導體器件(3)上的且與所述數據處理系統互連的溫度傳感器檢測所述溫度，和 d)相應的所述溫度與電壓值相關聯， 以至于所述電壓值和所述溫度在近似之后形成所述半導體器件(3)的標定特征曲線。
7.根據權利要求6所述的裝置，其特征在于，所述半導體器件(3)是具有絕緣柵電極的雙級晶體管、功率MOSFET、功率JFET、晶閘管、二端交聯關元件、三端交聯關元件或二極管。
【文檔編號】G01R31/26GK104303063SQ201380025573
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年3月16日 優先權日:2012年3月17日
【發明者】馬爾科·博爾拉恩德爾, 克里斯蒂安·黑羅爾德, 塞巴斯蒂安·希勒 申請人:西門子公司