具有正负双向工作电流SiC二极管热阻测试仪开发与研究

发布时间：2017-08-30 23:39

  本文关键词：具有正负双向工作电流SiC二极管热阻测试仪开发与研究

  更多相关文章： SiC肖特基二极管 热阻 热阻仪 正装器件 正向电流 倒装器件 负向电流

【摘要】：SiC肖特基二极管是一种大电流、高反压的宽带隙半导体器件。其整流电流可以高达几千安培,其正向导通电压非常小约为0.4V,然而其反向恢复时间非常短只有几纳秒。该产品的应用范围非常广泛,包括各种高频低压开关电源、大电流整流二极管、保护二极管、续流二极管,也可以用在彩电的二次电源整流、高频电源整流中等。SiC肖特基二极管近年来发展越来越迅速,其工作功率也越来越大。SiC肖特基二极管散热封装结构是决定器件温升与热阻重要因素之一,温升与热阻又直接决定了其应用可靠性。随着SiC肖特基二极管功率不断增大,散热将是一个需要解决的关键问题,所以测定温升热阻、优化封装结构十分必要,对于其今后的发展有重要意义。本文利用肖特基结以及PN结结电压随温度的变化关系,开发了对大功率SiC肖特基二极管的热阻测量系统,并结合结构函数方法,通过工程方法建立热阻测量平台,从而能够清晰地分析出器件热量传递路径上的各层结构热阻。本文所选用的SiC肖特基二极管为正装大功率器件,含义是器件的负极和器件下表面的铜座散热器是相互连接的,而倒装器件的含义是器件的正极和器件下表面的铜座散热器是相互连接的。因此对于器件的下表面铜座散热器而言,不同封装将对应不同方向的电流,此处定义正装对应于正向电流,倒装对应于负向电流。先前设计的可以产生负向电流用来测试倒装器件激光器的热阻仪,却不方便用来测量正装器件SiC肖特基二极管。因为即使热阻仪外接SiC肖特基二极管时反个方向接以间接产生所谓的“正向电流”,但由于散热器与恒温平台有直接接触。研究表明:这种接法会使大地与SiC肖特基二极管负极之间产生一个电压差,这将严重影响后面对热阻测量的精度。论文基于先前通过负向电流对倒装器件激光器的测量方法,设计了正向电流测量方法以及相应的硬件电路,软件程序等配套设施,并对两种方法进行了整合从而设计出一款具有正负双向工作电流的半导体二端器件热阻仪,能够通过工作模式的切换,实现对正装器件和倒装器件的测试。本文对大功率SiC肖特基二极管采用正向电流测量,而对倒装的激光器则采用负向电流测量。这样可以避免大地与SiC肖特基二极管负极之间电压差的影响。本文工作主要包括以下五个方面:一、在先前大功率激光器热阻仪的基础上自主研发了具有正负双向工作电流的可测试SiC肖特基二极管和激光器两种封装器件的热阻仪,其主要包括功能模块电路设计、逻辑模块电路设计与配套机箱设计。其功能模块电路设计分别由工作模式选择电路的设计、工作电路的设计、测试电路的设计、状态切换开关电路的设计以及采集放大电路的设计组成;而逻辑模块电路设计则是根据异步串口通信协议在FPGA的基础上实现的,并由控制部分、波特率生成部分、串口发送部分、串口接收部分组成,并通过将串行的数据转换为并行可执行的命令以实现与计算机之间的通信,最终达到通过功能模块电路中状态切换开关电路对工作电路的控制,并将实时采集到的各种电压电流数据信息反馈到计算机,来完成实时监测的目的。二、编写配套的软件和程序,通过FPGA把计算机发送的串行数字信号转化为数模转换器可识别的信号,数模转化器接收信号后输出恒定的电压信号,通过工作电路和测试电路实现恒定电流的输出,用状态切换开关电路对工作电路进行开启和关闭从而控制被测器件的加热时间,当被测器件温度上升到稳态时关断工作电路以切断其用来加热被测器件的大功率工作电流,此时被测器件上只有一个温升影响可以忽略的小功率测试电流通过。三、采集放大电路将采集到的电压信号放大10倍后,通过采集卡传送到计算机,再通过结构函数算法对数据进行处理,以获得被测器件热阻构成数据。四、完成所有软硬件的调试后,对热阻仪进行工程封装设计,完成配套机箱的散热及位置摆放等方面的实践工作。五、通过电学法研究了SiC二极管双正极并联与单独使用时的内部各结构热阻。最后利用比较法总结可以验证出SiC二极管热量传递的内部结构。本文的研究成果有利于提高我国商业化半导体器件热阻测试设备的技术指标与功能,在半导体热阻测试领域具有重要的实践价值和应用意义。
【关键词】：SiC肖特基二极管 热阻 热阻仪 正装器件 正向电流 倒装器件 负向电流
【学位授予单位】：北京工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN311.7
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题研究背景11-15
• 1.1.1 半导体肖特基二极管与SiC器件的特点11
• 1.1.2 SiC肖特基二极管的发展11-12
• 1.1.3 SiC肖特基二极管的温升及热阻12-13
• 1.1.4 热阻测试技术研究及国内外研究现状13-15
• 1.2 课题研究意义15
• 1.3 论文技术设计指标15-16
• 1.4 本章小结16-17
• 第2章 SiC肖特基二极管温升与热阻测试原理17-23
• 2.1 SiC肖特基二极管的结构17
• 2.2 热阻及其测试原理17-18
• 2.3 电学法测试的方法18-22
• 2.3.1 校准过程19-20
• 2.3.2 测量过程20-22
• 2.4 本章小结22-23
• 第3章兼容正装/倒装二极管温升与热阻测试仪设计与实现23-53
• 3.1 热阻仪模拟功能电路部分设计23-36
• 3.1.1 恒流源电路的设计23-24
• 3.1.2 集成运放恒流源的原理24-25
• 3.1.3 工作电路25-27
• 3.1.4 测试电路27-29
• 3.1.5 工作模式选择电路设计29-30
• 3.1.6 状态切换开关电路设计30-32
• 3.1.7 采集放大电路32-34
• 3.1.8 关键器件的选择34-36
• 3.2 热阻仪逻辑部分的设计36-45
• 3.2.1 FPGA介绍36-37
• 3.2.2 通信方式37-38
• 3.2.3 模块设计38-43
• 3.2.4 FPGA部分的工作流程43-45
• 3.3 热阻仪测试正装和倒装二极管的功能整合45-46
• 3.3.1 基于大功率激光器热阻仪设计思路的热阻仪的改进与整合45-46
• 3.3.2 整合开关电路的设计46
• 3.4 PCB的制作46-48
• 3.4.1 影响PCB版图制作的因素46
• 3.4.2 PCB版图设计中所使用的解决办法和最终版图46-48
• 3.5 热阻仪的散热设计48-51
• 3.5.1 自然散热设计48-49
• 3.5.2 强迫散热设计49-51
• 3.6 本章小结51-53
• 第4章 SiC肖特基二极管温升与热阻特性研究与分析53-57
• 4.1 热阻测量结果及其内部热阻结构的分析53-54
• 4.2 同一SiC肖特基二极管在单脚与双脚并联情况下测量下热阻的对比54-55
• 4.3 同一SiC肖特基二极管在不同情况实验下的内部热流结构的分析图55-56
• 4.4 本章小结56-57
• 结论57-59
• 参考文献59-63
• 攻读学位期间发表的学术论文63-65
• 致谢65

【相似文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 周慧;;日本出售SiC肖特基势垒二极管[J];半导体信息;2004年01期

2 王玉霞,何海平,汤洪高;宽带隙半导体材料SiC研究进展及其应用[J];硅酸盐学报;2002年03期

3 杨霏;闫锐;陈昊;张有润;彭明明;商庆杰;李亚丽;张雄文;潘宏菽;杨克武;蔡树军;;SiC肖特基势垒二极管的反向特性[J];微纳电子技术;2010年01期

4 徐军,谢家纯,董小波,王克彦,李W，

本文编号：762179