PL224783B1 - Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego mocy z izolowaną bramką - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego mocy z izolowaną bramką, mający zastosowanie przy kontroli jakości elementów półprzewo dnikowych dla przemysłu elektronicznego.

Znane są z amerykańskiego opisu patentowego US nr 4.840.495 „Metoda i urządzenie do pomiaru rezystancji termicznej takich elementów jak układy scalone LSI”.

W znanej metodzie rezystancję termiczną określa się na podstawie pomiaru różnicy temperatur między obiema stronami układu scalonego przy przepływie przez niego strumienia ciepła o znanej wartości.

Znany układ pomiarowy składa się ze źródła ciepła, źródła zimna, badanego układu, miernika różnicy temperatur oraz układu sterującego.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest złożona konstrukcja źródeł ciepła i zimna oraz wyk onywanie pomiaru przy braku zasilania badanego układu scalonego.

Znana jest z amerykańskiego opisu patentowego US nr 5.027.064 „Metoda pomiaru temper atury pracy przyrządów półprzewodnikowych wraz z monitorowaniem charakterystyk częstotliwościowych”.

Znana metoda pomiaru wykorzystuje jako parametr termoczuły małosygnałowe wzmocnienie badanego elementu.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest mała powtarzalność charakterystyki termometrycznej oraz brak możliwości pomiaru rezystancji termicznej znanych układów scalonych.

Znany jest z amerykańskiego opisu patentowego US nr 5.781.075 „Przyrząd do pomiaru temperatury”, posiadający dwukońcówkowy czujnik, do którego końcówek są dołączone źródło prądu polaryzującego oraz źródło napięciowe, przy czym wydajności tych źródeł są programowane układowo. Znany czujnik zawiera spolaryzowane przewodząco złącza półprzewodnikowe umożliwiające pomiar temperatury otoczenia.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest możliwość pomiaru tylko temperatury otoczenia, bez możliwości wyznaczenia temperatury wnętrza elementu półprzewodnikowego.

Znana jest z japońskiego opisu patentowego JP nr H01 41378 „Metoda testowania układów scalonych”. Znana metoda dotyczy pomiaru rezystancji termicznej cyfrowych układów scalonych ECL i wymaga dostępu do wszystkich zacisków tranzystora bipolarnego zawartego w tym układzie scalonym. Pomiar wykonywany jest impulsowo. Parametrem termoczułym jest napięcie na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu p-n. Układ pomiarowy, realizujący znaną metodę, zawiera 3 przełączniki, blok pomiarowy, blok sterowania przełącznikami oraz źródło zasilania.

Niedogodnością znanej metody jest brak możliwości zastosowania jej do pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego mocy z izolowaną bramką, ze względu na brak dostępu do zacisku sterującego tranzystora bipolarnego w strukturze tranzystora.

Znany jest z japońskiego opisu patentowego JP nr 2004 317432 „Regulator temperatury elementów półprzewodnikowych oraz urządzenie do badań elementu półprzewodnikowego”.

Znany regulator jest przeznaczony do skutecznego zapewnienia równomiernego rozkładu temperatury wewnątrz elementu półprzewodnikowego z kablem. Do regulacji tej wykorzystuje doprowadzany z zewnątrz płyn o ustalonej temperaturze, który przez doprowadzenia jest wprowadzany do struktury półprzewodnikowej elementu i w ten sposób utrzymuje jej stałą temperaturę.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest brak możliwości zmierzenia wartości rezystancji termicznej.

Znana jest z niemieckiego opisu patentowego DE nr 3832273 „Metoda i układ do wyznaczania rezystancji termicznej elementów tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką”.

W znanej metodzie impulsowej wykorzystuje się w charakterze parametru termoczułego napięcie na spolaryzowanej w kierunku przewodzenia diodzie antyrównoległej.

Znany układ pomiarowy zawiera komputer, łączący się z interfejsem przez szynę sterującą i szynę danych, zasilacze prądowe, badany tranzystor, układ sterujący nagrzewaniem badanego elementu, kartę pomiarową oraz elementy zapewniające przełączanie badanego elementu z zasilania grzejnego do zasilania pomiarowego.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest wysoka komplikacja układu pomiarowego oraz k onieczność przełączania badanego elementu w czasie wykonywania pomiaru.

PL 224 783 B1

Znane jest z rosyjskiego opisu patentowego RU nr 2185634 „Urządzenie mierzące rezystancję termiczną tranzystorów”.

W znanym urządzeniu badany tranzystor bipolarny pobudzany jest z generatora ciągiem impulsów prostokątnych napięcia na kolektorze. Impulsy pobudzające mają ustaloną częstotliwość i amplitudę, natomiast współczynnik wypełnienia narasta liniowo w funkcji czasu.

Obwód emitera jest polaryzowany ze źródła prądu stałego. Parametrem termoczułym jest napięcie na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu baza-emiter.

Niedogodnością znanego urządzenia jest ograniczenie zakresu jego zastosowań wyłącznie do tranzystorów bipolarnych.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL nr 120.091 „Sposób pomiaru rezystancji termicznej monolitycznych półprzewodnikowych układów scalonych”, który polega na wyznaczeniu wartości rezystancji termicznej z jej definicji po pomiarze temperatury wnętrza układu przy wykorzystaniu napięcia na diodzie podłożonej przy wydzielaniu mocy w obszarze kolektora tranzystora bipolarnego zawartego w strukturze badanego układu scalonego.

Niedogodnością znanego sposobu jest możliwość zastosowania go tylko do bipolarnych układów scalonych z izolacją złączową.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL nr 132.113 „Sposób pomiaru rezystancji termicznej tranzystorów bipolarnych” polegający na pomiarze dwóch wartości napięcia baza-emiter przy dwóch wartościach napięcia kolektor-emiter i ustalonej wartości prądu kolektora oraz temperatury otoczenia, a następnie wyliczeniu wartości rezystancji termicznej według znanego wzoru.

Niedogodnością znanego sposobu jest mała dokładność pomiaru spowodowana nieuwzględnieniem w metodzie wpływu rezystancji szeregowych bazy i emitera na napięcie baza-emiter.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL nr 173.206 „Sposób pomiaru rezystancji termicznej diod półprzewodnikowych ze złączem p-n w zakresie przebicia”, polegający na pomiarze napięcia na diodzie pracującej w zakresie przebicia przy dwóch wartościach temperatury otoczenia i ustalonej wartości prądu, a następnie wyliczeniu wartości rezystancji termicznej według znanego wzoru.

Niedogodnością znanego sposobu jest ograniczony zakres punktów pracy diod, dla których można wykonać pomiar oraz konieczność wykonania jednego z pomiarów napięć natychmiast po przełączeniu sygnału zasilającego badaną diodę.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL nr 173.831 „Układ do pomiaru przejściowej impedancji termicznej tranzystora bipolarnego”, w którym emiter tranzystora pracującego w układzie wspólnej bazy jest połączony z wyjściem źródła małego prądu oraz z wyjściem źródła prądu grzejnego poprzez przełącznik, który jest sterowany sygnałem prostokątnym gt. Tranzystor jest usytuowany w termostacie, a kolektor jest połączony z wejściem źródła napięciowego.

Niedogodnością znanego układu jest ograniczenie zastosowania go tylko do tranzystorów bipolarnych pracujących w zakresie aktywnym normalnym.

Znany jest z polskiego opisu patentowego PL nr 187.668 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej inteligentnego unipolarnego układu scalonego mocy”.

Znany sposób pomiaru obejmuje trzy etapy: kalibrację charakterystyki termometrycznej złącza p-n, zawartego w strukturze wyjściowego tranzystora MOS przy jednej wartości temperatury otoczenia oraz przy prądzie wymuszonym przez źródło prądu pomiarowego i wyznaczenie nachylenia charakterystyki, pobudzenie badanego układu scalonego falą prostokątną mocy i pomiar w stanie ustalonym wartości napięcia w węźle napięciowym, przy wysokim poziomie mocy i napięcia przy niskim poziomie mocy oraz wyznaczenie wartości rezystancji termicznej ze wzoru analitycznego.

Niedogodnością znanego sposobu jest konieczność pobudzania badanego układu scalonego mocą o kształcie fali prostokątnej, przez co niemożliwy jest pomiar tą metodą rezystancji termicznej regulatorów impulsowych w ich typowych warunkach zasilania.

Znany układ pomiarowy zawiera źródła prądu pomiarowego i grzejnego, dwa przełączniki, wzmacniacz pomiarowy, przetwornik A/C oraz komputer. W czasie realizacji pomiaru, na wejście sterujące badanego układu scalonego podawane są odpowiednie sygnały cyfrowe, których sekwencja jest zależna od typu badanego układu scalonego.

Niedogodnością znanego rozwiązania jest ograniczenie zakresu stosowalności znanej metody tylko do układów scalonych typu SMART-POWER.

Znane są z polskiego opisu patentowego PL nr 191.944 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej elementów półprzewodnikowych zawierających złącze p-n.

PL 224 783 B1

W znanym sposobie pomiar wykonywany jest w trzech etapach. Pierwszy etap obejmuje pomiary współrzędnych czterech punktów leżących na izotermicznych charakterystykach spolaryzowanego w kierunku przewodzenia złącza p-n, zawartego w badanym elemencie, drugi etap polega na pomiarze współrzędnych jednego punktu na nieizotermicznej charakterystyce tego złącza, w trzecim etapie obliczana jest wartość rezystancji termicznej przy wykorzystaniu znanego wzoru.

Znany układ pomiarowy zawiera badany układ scalony, wzmacniacz pomiarowy, przełącznik, źródło prądu pomiarowego i grzejnego, przetwornik A/C oraz komputer.

Niedogodnością znanego sposobu jest skomplikowana i czasochłonna procedura pomiarowa oraz konieczność pracy badanego układu scalonego w nietypowych dla niego warunkach zasilania.

Znane są z polskiego opisu patentowego PL nr 194.602 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej scalonych regulatorów zasilaczy impulsowych”.

Znany sposób obejmuje trzy etapy: pomiar napięcia na spolaryzowanym w kierunku przewodzenia złączu p-n zawartym w bloku oscylatora przy odłączonym zasilaniu badanego regulatora i w ustalonej temperaturze otoczenia. W drugim etapie mierzy się w stanie ustalonym, przy włąc zonym zasilaniu regulatora, napięcie na tym samym złączu oraz napięcie i prąd zasilania regulatora w tej samej temperaturze otoczenia. W trzecim etapie wylicza się wartość rezystancji termicznej przy użyciu znanego wzoru.

Znany układ zawiera badany regulator, zawierający oscylator ze złączem p-n, którego katoda jest uziemiona, a anoda połączona z woltomierzem i źródłem prądu pomiarowego. Wyprowadzenie zasilania regulatora połączone jest z amperomierzem. Przełącznik łączy lub rozłącza amperomierz ze źródłem zasilania. Źródło prądu pomiarowego polaryzuje w kierunku przewodzenia złącze p-n zawarte w oscylatorze badanego regulatora. Napięcie na tym złączu mierzone jest przez woltomierz.

Niedogodnością znanej metody jest konieczność przełączania układu zasilania badanego regulatora, co utrudnia jego badania w typowym układzie aplikacyjnym.

Znane są z polskiego opisu patentowego PL nr 197.351 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej scalonych regulatorów PWM”.

Znany układ zawiera zasilacz napięciowy, który poprzez amperomierz połączony jest z wejściem zasilającym badanego regulatora i woltomierz połączony równolegle z wejściem zasilającym regulatora, natomiast oscyloskop cyfrowy jest połączony z wyjściem regulatora, umieszczonego w termostacie.

W znanym sposobie pomiar rezystancji termicznej odbywa się dwuetapowo, przy czym pierwszy etap realizowany jest przy zmianach temperatury termostatu i wymaga pomiaru czasu trwania impulsu na wyjściu regulatora PWM natychmiast po włączeniu zasilania regulatora, natomiast drugi etap realizowany jest w stanie ustalonym. W etapie tym mierzone są napięcie i prąd zasilania oraz czas trwania impulsu. Po odczytaniu z charakterystyki termometrycznej wartości temperatury wnętrza odpowiadającej czasowi trwania impulsu, wartość rezystancji termicznej stanowi iloraz nadwyżki temperatury wnętrza elementu ponad temperaturę otoczenia przez iloczyn napięcia zasilającego oraz prądu zasilania, przy czym wartość temperatury wnętrza jest odczytywana z chara kterystyki termometrycznej dla czasu trwania impulsu wyznaczonego w drugim etapie pomiaru.

Niedogodnością znanego sposobu jest ograniczenie zakresu jego stosowalności wyłącznie do scalonych regulatorów PWM.

Znane są z polskiego opisu patentowego PL nr 206.218 „Sposób i układ do pomiaru rezystancji termicznej scalonego regulatora impulsowego”.

Znany układ zawiera termostat, oscyloskop cyfrowy, przetwornik analogowo-cyfrowy i komputer. Układ ten charakteryzuje się tym, że źródło napięcia wejściowego połączone jest z wejściem badanego regulatora za pośrednictwem półprzewodnikowego przełącznika mocy, sterowanego sygnałem cyfrowym z komputera. Do wejścia badanego regulatora jest podłączone także źródło ujemnego napięcia przez rezystor oraz wejście przetwornika analogowo-cyfrowego. Do zacisków, zawartego w strukturze badanego regulatora, półprzewodnikowego elementu kluczującego są podłączone wejścia dwukanałowego oscyloskopu cyfrowego, rezystor oraz elementy układu aplikacyjnego badanego regulatora. Oscyloskop cyfrowy i przetwornik analogowo-cyfrowy podłączone są do komputera sterującego.

W znanym sposobie pomiar rezystancji termicznej scalonego regulatora impulsowego pracującego w konfiguracji przetwornicy BOOST, wykorzystujący w charakterze parametru termoczułego napięcie na diodzie podłożowej spolaryzowanej w kierunku przewodzenia prądem, realizowany w trzech etapach, obejmujących wyznaczenie nachylenia charakterystyki termometrycznej, pomiar

PL 224 783 B1 napięcia na diodzie podłożowej w czasie kalibracji oraz w stanie ustalonym i obliczenie wartości rezystancji termicznej ze wzoru analitycznego. Sposób charakteryzuje się tym, że w drugim etapie pomiaru badany regulator pracuje w układzie aplikacyjnym i generuje impulsowy przebieg mocy, a wartość mocy występującej we wzorze końcowym metody wyznaczana jest przez uśrednianie iloczynu zmierzonych przebiegów czasowych napięcia i prądu na zaciskach półprzewodnikowego elementu kluczującego mocy, zawartego w strukturze badanego regulatora. Wartość rezystancji termicznej obliczana jest ze znanego wzoru.

Niedogodnością znanego sposobu jest ograniczenie zakresu jego stosowalności wyłącznie do scalonych regulatorów impulsowych współpracujących z przetwornicą BOOST.

Znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego PL nr 277168 „Sposób pomiaru rezystancji termicznej scalonych układów cyfrowych TTL i CMOS” polegający na wydzielaniu mocy o dwóch wart ościach określonych przez dwie wartości obciążenia włączonego między wyjście bramki a zasilanie. Pomiar temperatury wnętrza jest realizowany za pośrednictwem występującej na dowolnym wejściu bramki, przewodząco spolaryzowanej diody, przez którą płynie prąd o ustalonej wartości.

Niedogodnością znanego sposobu jest możliwość pomiaru rezystancji termicznej tylko podstawowych bramek TTL i CMOS.

Istotą wynalazku jest sposób pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego z izolowaną bramką wykorzystujący w charakterze parametru termoczułego napięcie między wyprowadzeniami bramki i emitera tranzystora, realizowany w trzech etapach. W pierwszym etapie jest wykonywana kalibracja charakterystyki termometrycznej stanowiącej zależność parametru termoczułego od temperatury, przy ustalonej wartości prądu kolektora i napięcia między wyprowadzeniami bramki i emitera tranzystora. W drugim etapie pomiaru tranzystor pracuje w zakresie aktywnym i mierzone są współrzędne trzech punktów pracy tranzystora leżących na liniowym odcinku zależności napięcia bramka -emiter od napięcia kolektor-emiter przy określonej wartości prądu kolektora. W drugim etapie pomiaru mierzone są współrzędnych trzech punktów A(u_GE1, u_CE1, i_C), B(u_GE2, u_CE2, i_C), C(u_GE3, u_CE3, i_C), leżących na liniowym odcinku przy zależność u_GE(u_CE).

W trzecim etapie pomiaru wartości rezystancji termicznej R_th obliczana jest ze wzoru

R _ (.^UGE3 - ^UGEl) i-C ' (^UCE3 ~ ^UCEl) ' F w którym F oznacza nachylenie charakterystyki termometrycznej wyznaczonej w etapie pierwszym.

Korzystnym skutkiem zastosowania sposobu według wynalazku jest wyznaczenie rezystancji termicznej w typowych warunkach pracy mierzonego tranzystora bez potrzeby zasilania impulsowego tego elementu i bez stosowania kosztownych szybkich woltomierzy oraz wyeliminowanie błędu pomiaru związanego z kluczowaniem źródła zasilającego tranzystor.

Istotą wynalazku jest układ, zawierający tranzystor bipolarny mocy z izolowaną bramką, dwa zasilacze, dwa rezystory, dwa woltomierze, amperomierz i termostat. Układ charakteryzuje się tym, że pierwszy zasilacz napięciowy przez pierwszy rezystor jest połączony z emiterem tranzystora. Drugi zasilacz napięciowy szeregowo połączony z drugim rezystorem oraz amperomierzem, zasila kolektor tranzystora. Bramka tranzystora jest połączona z masą układu, a pierwszy woltomierz jest włączony między emiterem a bramką badanego tranzystora. Drugi woltomierz jest włączony między kolektor a bramkę tranzystora umieszczonego w termostacie.

Korzystnym skutkiem zastosowania układu według wynalazku jest możliwość wykonania pomiaru rezystancji termicznej metodą stałoprądową.

Przedmiot wynalazku wyjaśnia przykład wykonania sposobu pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego mocy z izolowana bramką.

Pomiar realizowany jest w trzech etapach. W pierwszym etapie mierzy się charakterystykę termometryczną badanego tranzystora stanowiącą zależność napięcia bramka-emiter u_GE od temperatury T przy ustalonej wartości prądu kolektora i_C oraz napięcia kolektor-emiter u_CE. W oparciu o wyniki przeprowadzonych pomiarów zależności u_GE(T) wyznacza się nachylenie charakterystyki termometrycznej F. Przed przystąpieniem do pomiaru napięć bramka-emiter u_GE oraz kolektor-emiter u_CE za pomocą woltomierzy 7 i 8 ustala się wartość prądu kolektora poprzez regulację wydajności napięciowej zasilacza napięciowego 1 oraz rezystancji rezystora 3, a za pomocą zasilacza napięciowego 2 i rezystora 4 reguluje się wartość napięcia u_CE. Wartość tego napięcia stanowi sumę napięć u_CG oraz u_GE, które mierzy się za pomocą woltomierzy odpowiednio 7 oraz 8. Prąd kolektora i_C mierzy się za

PL 224 783 B1 pomocą amperomierza 6. Regulację wartości temperatury otoczenia w czasie pomiaru zapewnia umieszczenie badanego tranzystora 5 w termostacie 9.

W drugim etapie pomiaru mierzone są współrzędne trzech punktów pracy badanego tranzystora A(u_GE1, u_CE1, i_C), B(u_GE2, u_CE2, i_C), C(u_GE3, u_CE3, i_C), leżące w zakresie aktywnym pracy badanego tranzystora. Wszystkie punkty odpowiadają ustalonej wartości prądu kolektora i_C. Wartości napięcia między kolektorem a emiterem należy tak wybrać, aby dla punktów A, B oraz C obserwowana była liniową zależność u_GE(u_CE). Współrzędne tych punktów powinny być zmierzone w stanie ustalonym, to znaczy wtedy, gdy w ciągu 1 minuty wskazania woltomierza 7 nie zmieniają się bardziej niż o 1 mV.

W trzecim etapie pomiaru obliczana jest wartość rezystancji termicznej R_th ze wzoru

R _ (^UGE3 - ^UGE'j i-C ' (^UCE3 ~ ^UCEl) ' F w którym F oznacza nachylenie charakterystyki termometrycznej wyznaczonej w pierwszym etapie pomiaru.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony na rysunku, przedstawiającym schemat układu do pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego mocy z izolowana bramką.

Układ ten składa się z badanego tranzystora bipolarnego mocy z izolowaną bramką 5, dwóch zasilaczy zasilających obwód źródła 1 oraz drenu 2, dwóch rezystorów 3 i 4 ograniczających prąd kolektora oraz emitera, dwóch woltomierzy 7 i 8, mierzących odpowiednio napięcia u_GE oraz u_CE, amperomierza 6 i termostatu 9. Układ charakteryzuje się tym, że pierwszy zasilacz napięciowy 1 przez rezystor 3 jest połączony z emiterem badanego tranzystora 5. Drugi zasilacz napięciowy 2, szeregowo jest połączony z rezystorem 4 oraz amperomierzem 6, zasila kolektor badanego tranzystora 5. Bramka tranzystora jest połączona z masą układu, pierwszy woltomierz 7 jest włączony między emiterem, a bramką badanego tranzystora 5, a drugi woltomierz 8 jest włączony między kolektorem a bramką badanego tranzystora 5 umieszczonego w termostacie 9.

Claims (2)

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego mocy z izolowaną bramką, realizowany w trzech etapach obejmujących kalibrację charakterystyki termometrycznej, pomiary współrzędnych punktów na charakterystyce statycznej tranzystora i obliczenie wartości rezystancji termicznej ze wzoru analitycznego, znamienny tym, że w charakterze parametru termoczułego jest wykorzystywane napięcie między wyprowadzeniami bramki i emitera tranzystora, w pierwszym etapie jest wykonywana kalibracja charakterystyki termometrycznej stanowiącej zależność parametru term oczułego od temperatury przy ustalonej wartości prądu kolektora i napięcia między wyprowadzeniami kolektora i emitera tranzystora, w drugim etapie pomiaru tranzystor pracuje w zakresie aktywnym i mierzone są współrzędne trzech punktów pracy tranzystora leżących na liniowym odcinku przy ust alonej zależności napięcia bramka-emiter od napięcia kolektor-emiter przy określonej wartości prądu kolektora, w trzecim etapie pomiaru rezystancja termiczna obliczana jest ze wzoru analitycznego.

2. Układ do pomiaru rezystancji termicznej tranzystora bipolarnego mocy z izolowaną bramką zawierający badany tranzystor, dwa zasilacze napięciowe, dwa rezystory, dwa woltomierze, amperomierz i termostat, znamienny tym, że pierwszy zasilacz napięciowy (1) przez pierwszy rezystor (3) jest połączony z emiterem tranzystora (5), drugi zasilacz napięciowy (2) szeregowo jest połączony z drugim rezystorem (4) oraz amperomierzem (6) zasilając kolektor tranzystora (5), a którego bramka jest połączona z masą układu, pierwszy woltomierz (7) jest włączony między emiterem a bramką tranzystora (5) zaś drugi woltomierz (8) jest włączony między kolektor a bramkę tranzystora (5), i jest umieszczony w termostacie (9).