原创 新能源汽车功率器件的自动功率循环及热测试

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。

用户并不希望错过器件随时可能发生故障的任何一个时刻，而且希望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软件FloTHERM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R_THJC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？

Ø  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。

Ø  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。

Ø  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R_JA。

恒润科技的工程师表示，利用结构函数可以识别器件内部的结构：

Ø  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。

Ø  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恒润科技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公司研发，是迄今为止市面上唯一一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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