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新能源汽车功率器件的自动功率循环及热测试

恒润视频
        近来,全国范围内的重度空气污染越来越严重,改善空气质量的呼声越来越高,新能源汽车自然成为热议的汽车焦点。虽然政府大力推广新能源汽车,然而由于新能源车上功率器件的使用寿命以及性能稳定性等问题,其发展遇到了很大的阻力。
        针对功率器件的使用寿命及性能稳定性,传统测试方式需要先确定器件发生故障的时间范围,然后,在该时间范围内进行一系列的功率循环、再转移到其他设备进行诊断,如此反复,直到功率器件因内部结构损坏而发生故障,以此过程持续的时间作为其使用寿命预估的参考数据。这种方式不仅耗时长,也容易错过器件发生故障的时间点。
        用户并不希翼错过器件随时可能发生故障的任何一个时刻,而且希翼能够对多个样品在同一平台下实时进行功率循环及热测试,以省时且确保数据的可信性;如果测试数据能够直接用于热设计仿真则更好,例如直接导入到热仿真AppFloTHERM以标定和校验其热学模型。
        国际标准化组织、JEDEC固态技术协会制定了一系列与半导体特性相关的测试标准,其中JEDEC JESD51-1的静态热测试法、JEDEC JESD51-14瞬态热界面法测试结壳热阻RTHJC等,明确规定了功率器件的结温、热阻的测量方法。这些标准可以完美地解决上述需求。
        那么,这些热测试标准又是如何实现的呢?
• K系数测试:建立结温与电压之间的关系 
        在器件本身的发热可忽略的情况下,将器件置于温度可控的恒温环境中,通过测量不同温度环境下的电压,得到温度-电压校准曲线,其斜率即为K系数。
• 结温测试
(1)对器件加载恒定的大电流,使结温升高直至热平衡状态;
(2)在1μs内将加热电流快速切换到测量用的小电流;
(3)在结温下降过程中,实时连续采集PN结的电压,直到新的热平衡状态;
(4)利用K系数将电压换算成温度,得到PN结的降温曲线,分析后处理即可得到结温。 
• 结构函数
        对PN结的降温曲线进行数学计算,可得器件的结构函数,其热阻、热容值的变化情况包含了器件内外热流路径的结构信息。
        结构函数是热容—热阻曲线,曲线上平坦的区域代表器件内部热阻大、热容小的结构,陡峭的区域代表器件内部热阻小、热容大的结构在结构函数的末端,其值趋向于一条垂直的渐近线,此时代表热流传到了空气层。由于空气的体积无穷大,因此热容也就无穷大。从原点到这条渐近线之间的热阻值就是PN结到空气环境的热阻RJA。
        亚洲城ca88唯一官网的工程师表示,利用结构函数可以识别器件内部的结构:
• 功率循环测试
        将典型载荷谱加载到功率器件上,通过监测功率循环过程中的结构函数,即可及时获知其性能衰退情况,而根据发生衰退时的循环数则能够预测其使用寿命。
 
应用案例
        在25℃的水冷环境温度下,给某IGBT加一恒定功率(25A、8V)循环(持续加热3s,然后冷却10s),使得结温在25℃至125℃范围内循环波动,监测此过程中IGBT的降温曲线,并实施解析得到其结构函数。
        在运行了15000次循环之后,被测IGBT的结构函数发生显著变化,显示已经发生故障,分析获知其栅极氧化层损坏导致失效。
 
        上述热测试及功率循环分析等现在完全可以采用亚洲城ca88唯一官网带来的功率器件自动功率循环及热测试平台——POWER TESTER 1500A自动进行。
        POWER TESTER 1500A由美国Mentor Graphics企业研发,是迄今为止一款集成了功率循环和热瞬态测试功能的产品,并且通过其独创的结构函数分析功能,可以实时的提供故障原因的诊断数据。
        POWER TESTER 1500A可以同时测量工作电流500安培的三个功率器件,三个通道联用则可以测量1500安培的一个功率器件,因此可用于汽车、半导体、能源等行业中,对MOSFET、IGBT、功率二极管、LED等电力电子设备进行热测试、功率循环测试及使用寿命预估。
 
 

 

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