技术领域
[0001] 本
发明涉及电
力电子技术领域，具体地，涉及功率半导体器件的热阻抗测量系统及方法。
背景技术
[0002] 功率半导体器件是电力电子变流器中重要的元件，并且功率半导体器件的非正常工作是变流器的主要故障原因。为了提高变流器的可靠性与经济性，需要对功率半导体器件的热行为以及工作效率进行准确的预测与评估，而在这之前，必须准确地获得功率半导体器件的热阻抗特性。
[0003] 根据热阻抗的定义公式，要获得功率半导体器件的热阻抗特性，需要获得被测器件的动态
温度变化，以及器件的功率损耗。现有的技术通常采用恒定大小及方向的
电流源对持续导通的功率半导体器件进行加热，当达到热稳定状态后，利用附加
开关切断加热电流，并记录被测器件降温过程中多点的温度变化。由于被测器件加热过程中的功率损耗仅包含导通损耗，可以通过器件上导通
电压与被切断前的加热电流乘积获得。
[0004] 但是，功率半导体器件实际应用中通常处于高速开关状态，其功率损耗不但有导通损耗，还包括较大的
开关损耗，而开关损耗是器件的主要热源。当采用传统热阻抗测量方法时，为了达到与实际运行相近的温度范围，需要使被测器件工作在线性放大状态，或施加远大于器件实际工作电流的加热电流。这也使得传统功率半导体器件的热阻抗测试方法，具有测试系统成本高，加热电流变化速度慢，加热电流方向单一，被测器件固定，器件工作状态与实际应用不符合等显著问题。
发明内容
[0005] 针对
现有技术中的
缺陷，本发明的目的是提供一种功率半导体器件的热阻抗测量系统及方法。
[0006] 第一方面，本发明
实施例提供一种功率半导体器件的热阻抗测量系统，包括：直流供电模
块、被测模块、驱动模块、测量模块以及总控
制模块；其中：
[0007] 所述直流供电模块，用于根据所述总
控制模块提供的给定参考电压，向所述被测模块提供
电能；
[0008] 所述被测模块包括：至少一个被测单元，所述被测单元用于模拟功率半导体器件的工作状态；所述被测单元包括：功率半导体器件所组成的测量
电路，以及所述测量电路对应的负载模块；
[0009] 所述驱动模块，用于将所述总控制模块输出的开关状态
信号进行功率放大，得到相应的驱动信号，并通过所述驱动信号控制所述被测单元中功率半导体器件的开关状态；
[0010] 所述测量模块，用于根据所述总控制模块提供的测量信号，检测所述测量电路中的功率半导体器件、所述测量电路对应的负载模块的电气状态和温度状态；
[0011] 所述总控制模块，用于向所述直流供电模块提供给定参考电压，以及对所述测量模块测得的结果进行分析处理，以得到所述被测单元中功率半导体器件的热阻抗特性。
[0012] 可选地，所述测量电路包括：由功率半导体器件组成的全桥电路，或H桥电路。
[0013] 可选地，所述测量电路中还包括：
散热器，所述
散热器用于消散功率半导体器件产生的热量。
[0014] 可选地，所述测量模块包括：温度测量子模块、电压测量子模块、电流测量子模块；其中：
[0015] 所述温度测量子模块，用于获取测量电路的温度参数，所述温度参数包括：功率半导体器件的
结温、功率半导体器件的
外壳温度、散热器的温度、
环境温度中的任一或者任多个温度值；
[0016] 所述电压测量子模块，用于获取测量电路中功率半导体器件、所述测量电路中对应的负载模块的电压值；
[0017] 所述电流测量子模块，用于获取测量电路中功率半导体器件、所述测量电路中对应的负载模块的电流值。
[0018] 可选地，所述温度测量子模块采用温度
传感器，或者温敏电气参数的
测量传感器；
[0019] 所述测量电路对应的负载模块包括以下任一形式：
[0020] 纯电感电路；
[0021] 由电感、电容、
电阻、
变压器所组成的混合型电阻抗网络。
[0022] 可选地，所述功率半导体器件包括以下任一类型：
[0023] 基于
硅、
碳化硅、氮化镓的
半导体芯片；
[0024] 采用模块、压接、分立式封装技术制作的功率半导体器件。
[0025] 第二方面，本发明实施例提供一种功率半导体器件的热阻抗测量方法，应用于第一方面中任一项所述的一种功率半导体器件的热阻抗测量系统中，所述方法包括：
[0026] 根据驱动信号控制被测单元中功率半导体器件的开关状态，以在所述被测单元中形成加热电流；
[0027] 在所述功率半导体器件达到热稳定状态之后，通过所述驱动信号控制所述被测单元中功率半导体器件的开关状态，改变所述被测单元中的加热电流；
[0028] 获取所述被测单元中功率半导体器件的功率损耗，以及测量和记录所述功率半导体器件的温度变化值；
[0029] 根据所述功率半导体器件的功率损耗以及温度变化值，分析得到所述功率半导体器件的热阻抗参数。
[0030] 可选地，所述加热电流的形式包括以下任一：
[0031] 流经功率半导体器件的单向脉冲电流；
[0032] 流经功率半导体器件的连续直流，或者交流电流。
[0033] 可选地，所述功率半导体器件的功率损耗包括：开关损耗和导通损耗。
[0034] 与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
[0035] 1、本发明提供的功率半导体器件的热阻抗测量系统，可以自由快速地调节被测器件加热电流大小及方向，从而实现单个或多个被测器件的循环测量，增加测量数据的可信度及通用性。
[0036] 2、本发明提供的功率半导体器件的热阻抗测量系统，其中的测试电路结构与功率半导体器件常用的电路拓扑结构相近，被测器件工作于实际应用中的开关状态，因而所得到的测试数据更贴近被测器件在实际运行工况下的特性。
[0037] 3、本发明提供的功率半导体器件的热阻抗测量方法，考虑了实际运行状况下功率半导体器件的开关损耗，达到相同测试温度所需的加热电流更小，并且加热电流依靠被测器件的工作状态进行自由调节，从而避免了附加开关，供电系统可以采用较小功率的电压源，从而大大减少了测试系统成本。
[0038] 4、本发明提供的功率半导体器件的热阻抗测量方法，可以实现加热电流的迅速下降，使被测器件承受的损耗功率更接近理想的阶跃信号，得到的热阻抗数据更加准确。
附图说明
[0039] 通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0040] 图1为本发明提供的功率半导体器件热阻抗测量系统的结构示意图；
[0041] 图2为本发明中被测模块的结构示意图；
[0042] 图3为本发明提供的功率半导体器件热阻抗测量系统的实施例一的结构示意图；
[0043] 图4为本发明提供的功率半导体器件热阻抗测量方法的
流程图；
[0044] 图5为本发明提供的热阻抗测量方法的实施例一的负载电流
波形示意图；
[0045] 图6为本发明提供的热阻抗测量方法的实施例一在测试一组测试被测功率半导体器件的波形示意图。
[0046] 图中：
[0047] 1-直流供电模块；
[0048] 2-被测模块；
[0049] 3-驱动模块；
[0050] 4-总控制模块；
[0051] 5-测量模块。
具体实施方式
[0052] 下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0053] 图1为本发明提供的功率半导体器件热阻抗测量系统的结构示意图，如图1所示，本系统可以包括：直流供电模块1、被测模块2(包含n个被测单元和n个被测散热器)、驱动模块3、测量模块5、总控制模块4。其中，所述直流供电模块1直流输出端口组数与所述被测单元数相同(如图1所示包含n个被测单元，n为大于等于1的整数)，直流供电模块1的输出端口与所述被测单元的直流
母线对应相连。所述直流供电模块1能够根据总控制模块4的直流电压参考给定值，改变输出端直流电压。所述驱动模块3接收总控制模块4输出的开关状态信号，并将其功率放大后驱动所述被测单元中的功率半导体器件。所述测量模块5用于检测所述被测单元中的功率半导体器件及负载模块的电气及温度状态；所述总控制模块4，根据所述测量模块5检测到的电气、温度信息进行判断和运算，并提供所述驱动模块3的开关状态信号；或者提供所述直流供电模块1的参考给定值；或者提供所述测量模块5的测量信号。
[0054] 图2为本发明中被测模块的结构示意图，根据图2所示，所述被测模块包括被测单元和可选的被测散热器。所述被测单元包括两只桥臂(图2中标识为ARM1、ARM2)所组成的H桥或全桥电路以及对应的负载模块7；其中所述桥臂为功率半导体器件所构成的任意拓扑形式的半桥结构，所述负载模块数目与所述被测单元数目相同，每个负载模块的两端口分别与每个被测单元中两只桥臂的中点相连接。图2中每条桥臂包括两个同向
串联的被测功率半导体器件模块(图2中标识为DUT1_H、DUT1_L和DUT2_H、DUT2_L)以及被测功率半导体器件对应的被测散热器(图2中标识为HS1_H、HS1_L和HS2_H、HS2_L)，被测模块2中的功率半导体器件包括：绝缘栅双极型晶体管(IGBT)以及与IGBT反向并联的
二极管(Diode)。
[0055] 图3为本发明提供的功率半导体器件热阻抗测量系统的实施例一的结构示意图；包括一个被测单元、一个驱动模块3、一个总控制模块4以及一个测量模块5；其中被测单元包括一个H桥测试电路和一个纯电感负载模块L，H桥测试电路包括四个被测功率半导体器件模块DUT1_H(包括T1、D1)、DUT1_L(包括T2、D2)、DUT2_H(包括T3、D3)、DUT2_L(包括T4、D4)；测量模块5通过五个
探头S1、S2、S3、S4、SL分别测量功率半导体器件DUT1_H、DUT1_L、DUT2_H、DUT2_L、电感负载L和对应
散热片的电气/温度状态，其中所述探头包括电压探头、电流探头、测温探头中的一种或几种；测量模块还通过四个结温测量模块ST1、ST2、ST3、ST4测量四个被测功率半导体器件模块的结温。四个结温测量模块以被测功率半导体器件的导通压降为温敏参数，来估算器件的结温。
[0056] 进一步地，在功率半导体器件热阻抗测量平台的
基础上，本发明提出了相应的功率半导体热阻抗测量方法，图4为本发明提供的功率半导体器件热阻抗测量方法的流程图；获取被测单元中所有功率半导体器件在给定加热电流与散热条件下热阻抗的循环测试方法如下：
[0057] S1：设定被测器件，执行步骤S2；
[0058] S2：根据设定的被测器件，设定加热电流的大小及其方向，将其作为所述被测模块中负载模块的电流目标值，执行步骤S3；
[0059] S3：通过控制测试单元中器件的开关，在负载模块中产生电流，当达到电稳定状态时，流经被测器件的电流为连续电流或占空比固定的单向脉冲电流，执行步骤S4；
[0060] S4：记录被测器件的温度，若被测器件已达到热稳定状态，则执行步骤S5，若被测器件未达到热稳定状态，则返
回执行步骤S3；
[0061] S5：通过控制测试单元中器件的开关快速切断加热电流，执行步骤S6；
[0062] S6：记录被测器件在降温过程中的温度变化，执行步骤S7；
[0063] S7：比较测试器件温度与环境温度，若被测器件结温已达到环境温度，则执行步骤S8，若被测器件的结温仍高于环境温度，则返回执行步骤S3；
[0064] S8：若所有的被测器件均已完成热阻抗测量，则执行步骤S9，若被测模块中仍有被测器件未完成热阻抗测量，则返回执行步骤S1；
[0065] S9：测试结束。
[0066] 图5为本发明提供的热阻抗测量方法的实施例一的负载电流波形示意图，给出了对图3中四个功率半导体器件模块(一共八个被测器件)进行循环热阻抗测量的顺序，电流参考方向为由图2中的ARM1流向ARM2。一个热阻抗测量周期(图5中标识的T)包括四个加热过程(图5中标识的P1、P3、P5、P7)和对应的降温过程(图5中标识的P2、P4、P6、P8)。不同的负载电流方向可以对不同的被测器件进行加热，当负载电流为正时，可对T1、D2、D3、T4进行加热，当负载电流为负时，可对D1、T2、T3、D4进行加热。降温过程的长度根据测试条件与测试目标确定，本实施例利用器件的导通压降对结温进行测量，为了在降温过程中避免测量单元
短路和负载电流变化造成的温升，不能同时导通同一桥臂或对
角线桥臂上的模块进行温度测量，即只能对以下两个组合的器件同时进行温度测量，DUT1_H和DUT2_H，DUT1_L和DUT2_L。图6给出了本发明提供的热阻抗测量方法的实施例一在测试一组测试被测功率半导体器件时(图5中标注为P1、P2)的波形示意图，包括负载电流iL、器件结温Tj、测试电流iM以及功率半导体器件的驱动电压波形vGE。P1、P2阶段对T1、D3同时进行了热阻抗测量，在P1阶段中通过测量单元中四个功率半导体器件的快速开关，将负载电流控制为纹波可忽略不计的恒定直流电流，对被测器件进行加热。当被测器件达到热稳定状态后，通过改变开关状态，使负载电流快速下降至零，进入P2阶段。在P2阶段中，通过结温测量模块ST1、ST3分别向T1、D3注入测量电流，保持被测器件导通，测量电流的大小远小于加热电流，由测量电流产生的热量可忽略不计。
[0067] 需要说明的是，本发明提供的所述功率半导体器件热阻抗特性的测试方法中的步骤，可以利用所述功率半导体器件损耗特性的测试平台中对应的模块、装置、单元等予以实现，本领域技术人员可以参照所述系统的技术方案实现所述方法的步骤流程，即，所述系统中的实施例可理解为实现所述方法的优选例，在此不予赘述。
[0068] 以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在
权利要求的范围内做出各种变化或
修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本
申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。
