测量半导体器件的结温的方法与流程

本公开涉及一种测量半导体器件的结温的方法，特别地，涉及一种在功率切换应用中使用的半导体器件。

背景技术：

1、功率电子装置的日益增长的功率密度已经导致包含在这种装置中的半导体功率部件的温度成为可靠性问题的主要根本原因。这些可能导致有限的寿命和早期的设备失效，以及不一致的性能。虽然模型可以用于实现预测性和预防性的维护方案，但是这些模型依赖于有效和精确的输入数据。

2、半导体芯片表面上的有源发热薄层通常称为结，其温度表示为tj。该温度及其瞬态变化是半导体部件的可工作性和寿命的关键因素。在实时工作期间记录tj是具有挑战性的工程问题，但是对于更精确地跟踪设备老化和防止可能的故障是重要的。

3、这个问题在功率切换应用中尤其严重，其中使用半导体元件的广泛的应用产生了大量的测量需求。切换元件可以在应用中分组，例如根据额定电压和电流或切换频率。例如，在用于汽车发动机和机车的发动机控制单元中应用的切换元件可以具有几百赫兹的切换频率，但是用于功率转换(例如dc/dc和ac/dc转换应用)中的切换元件将具有几千赫兹的切换频率。切换元件可以包括不同的半导体器件，例如超级结mosfet、igbt、在碳化硅衬底上制造的宽带隙材料mosfet、以及氮化镓hemt器件。因此，由于每个tj结温度的测量需要监测不同的物理参数，从而需要各种仪器和测试方法，所以几乎不可能产生通用的测量解决方案。

4、另一个问题是，为了获得有效的测量数据、为了实现预测性维护方案、或为了了解失效模式，可以从实际使用中的切换元件获得数据。然而，可以使用试图复制切换元件在使用中将面对的工作条件的特定测试环境来获得数据。已建立的测试台系统以低切换频率跟踪测试中的温度变化，其中示例性切换周期时间在0.1秒至1000秒的量级。在该切换域中，功耗主要是由于处于其“接通”状态的切换元件的传导损耗。这种工作模式引起的失效机制可能与切换元件实际使用时所遇到的那些失效机制显著不同。因此，目前在申请时市场上可获得的主流测量技术对于不能直接测量结温tj的问题实际上是不同的解决方法。这些技术反而依赖于试图间接测量切换元件的结温tj。

5、位于可接近位置的外部传感器可以用于测量切换元件工作期间的温度，但是容易接近的位置可能不在主要的热传导路径中。结果，获得了功率切换装置的健康状态的失真且经常不充分的图像。较大的功率切换模块可以将温度传感器集成到基板上，但是这些较大的功率切换模块将产生系统地低于实际结温tj的温度。可替代地，可以尝试通过在耗能的半导体器件层上集成传感器而在切换元件本身中包含温度传感器。然而，由于特定封装和集成到设备中的专用读出电子器件的要求，这导致设备成本惊人地增加。因此，这些方案中没有一个方案是对庞大的市场应用有吸引力的解决方案。

6、代替直接测量的另一种方法依赖于使用可替代的热参数或电参数的计算。这些计算根据从结朝向对于温度测量可接近的点的热传导路径的等效一维热电阻-电容模型导出最热点的温度。这通过使用在器件上所测量的平均功率并且由外部传感器温度来完成。等效热电阻-电容模型是所使用的值本身基于模拟或部分地基于所选样本的测量。所计算的温度可能与在实际的真实模块或封装的分立器件中的实际温度显著不同。

7、热传导路径在装置的寿命期间可能变化，因为可能发生磨损、退化、安装分层和焊接问题。因为模型稳定地将监测点温度转换为结温度tj，所以不能精确地监测这种影响的后果。因此，现有方法具有许多缺点，所有这些缺点都与从现实系统中更远的点估算半导体结温tj有关。

8、缺乏用于直接测量在实际频率下工作的系统中的结温tj的精确方法对于成功利用半导体切换元件是个问题。

9、在测量tj的所有尝试中，温度测量基于对半导体器件的温敏电参数(即，被称为tsp)的记录。这些参数不仅取决于结温，而且取决于确定器件工作点的所有变量，例如器件引脚上的电压和通过器件的电流。现有的尝试集中于单个tsp的使用，主要是在以连续供电或低频切换工作的测试系统中。引入大量tsp的尝试没有考虑到它们的相互关系和相关性。

10、为了以适当的精确度确定结温，应当校准任何温度相关参数的温度依赖性。校准过程是在一组或几组影响变量(例如器件的电压和电流)下确定要记录的温度与实际测量的半导体器件参数之间的有效映射。

11、温敏电参数的温度依赖性可以低于它们对其它变量的依赖性。在以前的应用中，认识到单个温敏电参数受到器件劣化的影响，这种非热变化已经仅用作可靠性测试中的停止标准。

技术实现思路

1、本公开旨在通过在第一方面中提供一种实时测量半导体切换元件的结温度tj的方法来解决上述问题。该方法包括：a)对半导体切换元件的第一温敏参数(tsp)进行多次测量，同时对确定半导体切换元件工作点的其它量进行记录；b)对半导体切换元件的至少第二温敏参数进行多次测量，同时对确定半导体切换元件工作点的其它量进行记录，其中第二温敏参数不同于第一温敏参数；c)基于第一温敏参数和至少第二温敏参数的测量值来计算结温值；以及d)比较第一计算结温值和至少第二计算结温值来确定实际结温tj，其中对第一温敏参数和至少第二温敏参数的多次测量中的每次测量都与半导体切换元件的切换事件同步。

2、通过测量至少两个独立的温敏参数并使这些测量与切换事件本身同步，可以直接根据实际寿命的测量精确地确定半导体结温tj。可以识别和处理影响一个温敏参数但在不同程度上影响另一个参数的可能的磨损或退化效应。由于不与半导体切换元件的切换行为相关的瞬态事件或其它事件而引起的影响被最小化。针对各个参数本身，包括与切换事件的同步延迟和进行时隙测量的持续时间，对每个温敏参数的测量进行优化。

3、第二温敏参数可以独立于第一温敏参数。

4、在一个实施例中，步骤c)可以包括：关联第一温敏参数的测量值并关联至少第二温敏参数的测量值，以确定第一温敏参数和至少第二温敏参数中的每一者的单个值；以及根据第一温敏参数和至少第二温敏参数中的每一者的这些单个值确定第一初始结温和至少第二初始结温。

5、可替代地，步骤c)包括根据第一温敏参数和至少第二温敏参数的测量值中的每一者确定结温tj的值；以及关联所确定的tj的值，以获得第一初始结温tj和至少第二初始结温tj。

6、可以在第一专用时隙中针对第一变量测量第一温敏参数，并且可以在第二专用时隙中测量至少第二温敏参数。

7、每个专用时隙可以由用于在切换事件之后测量温敏参数的最佳时间来确定。

8、每个专用时隙的持续时间可以由在切换事件发生之后的温敏参数的行为来确定。

9、以上全部可以系统地扩展到任何更多的n个温敏参数。该方法还可以包括校准第一温敏参数和校准第二温敏参数的步骤。而且，校准步骤可以与实时测量分开地在恒温环境中进行，或在实时测量期间使用附加的传感器来进行。可替代地，在实时测量期间通过参考其它可用参数来校准第一温敏参数或至少第二温敏参数。

10、温敏半导体参数可以在切换瞬态下确定，并且包括栅极电压或其它输入引脚电压的电平、时序或波形。可替代地，温敏半导体参数在切换瞬态下确定，并且包括晶体管或p-n结型控制引脚器件的输入电流的电平、时序或波形。进一步可替代地，温敏半导体参数在切换操作的导通阶段确定，并且包括半导体器件在切换导通时间段中的漏极电压或集电极电压的电平、时序或波形。又进一步可替代地，温敏半导体参数包括特征切换时间。

11、第一温敏参数和至少第二温敏参数可以在工作电压和电流下测量。

12、可以使用一组多个不同的温敏参数来确定半导体切换元件的半导体结温。

13、在第二方面中，本公开提供一种被配置成实时测量半导体切换元件的结温tj的设备。该设备包括：第一数据采集单元，其被配置成测量半导体切换元件的第一温敏参数；至少第二数据采集单元，其被配置成测量半导体切换元件的至少第二温度相关参数；以及处理单元，其被配置成接收来自第一数据采集单元和至少第二数据采集单元的输入以及指示半导体切换元件的辅助温度、电流和电压的进一步输入，并且使用上述方法来确定结温tj的值。