Петля теплового гистерезиса вольт-амперной характеристики силового полупроводникового прибора

№ 3’2017
PDF версия
Одним из главных параметров любого силового полупроводникового прибора (СПП), определяющим его нагрузочную способность и надежность, является температура полупроводниковой структуры. Поскольку ее непосредственное измерение не представляется возможным, для оценки теплового состояния СПП прибегают к различным косвенным методам. В статье излагается способ измерения одного из таких косвенных тепловых параметров — петли теплового гистерезиса прямой вольт-амперной характеристики (ПВАХ) СПП. Этот параметр позволяет осуществлять сравнительную оценку качества изготовления однотипных приборов. С помощью предложенной в статье методики можно осуществлять отбраковку транзисторов по тепловому параметру в одной партии однотипных СПП в течение нескольких секунд (один транзистор). Это существенно меньше по сравнению с «классической» методикой, где необходима предварительная градуировка транзисторов. Тепловое сопротивление (Rth) транзистора можно найти через коэффициент корреляции Rth с шириной петли.

Известно, что при протекании тока нагрузки через СПП в нем выделяется определенная мощность, что приводит к нагреву прибора. При изменении температуры полупровод­никовой структуры СПП происходит изменение положения его ПВАХ. Если СПП нагревается импульсом тока определенной амплитуды и длительности (например, колоколообразной, полусинусоидальной, треугольной), то ПВАХ, непрерывно изменяясь, формирует петлю теплового гистерезиса (ПТГ, рис. 1) [1].

Характерный вид ПТГ ПВАХ силового полупроводникового прибора

Рис. 1. Характерный вид ПТГ ПВАХ силового полупроводникового прибора

Параметры этой петли, например ее площадь (S) или ширина («Ш»), в определенной степени характеризуют тепловые свойства СПП: тепловую инерционность, теплоемкость, степень перегрева полупроводниковой структуры относительно корпуса прибора. А эти параметры, в свою очередь, характеризуют качество изготовления прибора и его нагрузочную способность.

Например, чем хуже контактные соединения в конструкции прибора, тем медленнее от полупроводниковой структуры отводится тепловая энергия, тем больше ее нагрев и больше площадь ПТГ. Поскольку температура структуры является главным фактором, определяющим нагрузочную способность СПП и его надежность, то ПТГ может служить одним из показателей надежности прибора.

Измерение параметров ПТГ позволяет не только судить о качестве изготовления прибора, но и производить неразрушающую отбраковку потенциально ненадежных образцов.

Наблюдать ПТГ и оценивать ее параметры можно с помощью современных цифровых осциллографов и генератора нагрузочного тока. Но для инженерной практики желательно иметь специальные измерительные устройства, позволяющие оперативно оценивать количественные параметры ПТГ. Одним из узлов таких устройств является источник греющего тока. Для повышения точности измерений желательно нагревать испытуемый прибор (ИП) до температуры, близкой к предельно допустимой. Для этого требуется формировать импульсы тока значительной амплитуды. Для силовых транзисторов амплитуда импульсов тока может быть порядка десятков ампер, а для мощных диодов и тиристоров — до сотен ампер. В большинстве случаев для формирования таких импульсов используются емкостные накопители энергии.

Структурная схема генератора импульсного тока и один из вариантов его схемной реализации приведены, соответственно, на рис. 2 и 3.

Структурная схема формирователя импульсов тока

Рис. 2. Структурная схема формирователя импульсов тока.
В — выпрямитель;
К1, К2 — ключи;
Н — емкостной накопитель;
ФИ — формирователь импульсов;
СУ — система управления;
ИП — испытуемый СПП

Электрическая схема формирователя импульсов тока

Рис. 3. Электрическая схема формирователя импульсов тока

Емкость CН совместно с дросселем L образует колебательную систему, позволяющую формировать импульсы тока с заданной амплитудой и длительностью.

При замкнутом ключе К1 происходит заряд накопительной емкости CН. После ее заряда ключ К1 должен быть разомкнут. При замыкании ключа К2 происходит формирование импульса тока через открытый ИП (диод, тиристор, транзистор). Амплитуда импульса тока определяется величиной напряжения на СН, а его длительность — величинами L и CН.

Структура измерительного модуля (ИМ) зависит от того, какой параметр ПТГ измеряется: ширина или площадь.

На рис. 4 приведена структурная схема устройства для измерения ширины ПТГ [2].

Рис. 4. Устройство измерения ширины ПТГ ПВАХ

Рис. 4. Устройство измерения ширины ПТГ ПВАХ.
ГИ — генератор импульсов тока;
ПУ — пороговое устройство;
К — ключ;
Рег — цифровой регистр;
АЦП — аналого-цифровой преобразователь;
ВУ — вычислительное устройство;
УИ — устройство индикации

Процесс измерения ширины ПТГ происходит следующим образом. Напряжение, пропорциональное току через ИП, поступает на ПУ, которое дает разрешение на считывание информации о величине падения напряжения на ИП только при достижении греющим током заранее установленной величины I0. Импульс с ПУ на некоторое время открывает ключ К для считывания информации о величине падения напряжения DU на ИП на восходящей и нисходящей ветвях гистерезисной петли. Информация считывается в регистр и передается далее в ВУ для оценки величины DUАDUБ, затем на устройство отображения информации.

Однако величину теплового смещения ПВАХ можно оценить и другим способом. Если с помощью характериографа на импульсных токах малой длительности (десятки микросекунд) построить ПВАХ транзистора при двух температурах, поместив его в тепловую камеру, то по этим зависимостям легко можно измерить интервал (а–б) изменения падения напряжения на транзисторах (эквивалент ширины ПТГ) (рис. 5).

Изменения величины теплового гистерезиса «Ш» по двум изотермическим ПВАХ

Рис. 5. Изменения величины теплового гистерезиса «Ш» по двум изотермическим ПВАХ

Количественные результаты измерения величины «Ш» при измерении способом, предложенным в [2] и приведеннsм на рис. 5, могут различаться с учетом разницы в параметрах тестовых импульсов тока, но для сравнительного анализа качества транзисторов в партии они приемлемы в равной мере.

Результаты измерения на партии транзисторов в количестве 50 шт. при амплитуде тока 50 А и длительности импульса 80 мкс показали, что различие в величине «Ш» достаточно велико и может составлять более ±50% при среднем значении 0,4 В.

 

Выводы

ПТГ прямой ветви ВАХ СПП является интегральным параметром, позволяющим производить сравнительную оценку приборов по потенциальной нагрузочной способности, качеству изготовления и выявлять потенциально ненадежные образцы. Чем больше количественная величина этого параметра, тем менее качественным является прибор.

Литература
  1. Мартыненко В. А., Сорокин В. В., Хапугин А. А., Чумаков Г. Д. Исследования статических и динамических ВАХ мощных тиристоров в проводящем состоянии // Электроника и информационные технологии. 2009. № 3
  2. Патент № 2597149 (РФ) «Способ оценки теплового параметра силовых полупроводниковых приборов и устройство для его осуществления» / В. М. Бардин, Д. П. Новиков.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *