一种半导体器件的工作结温的实时监测方法及装置与流程

本发明涉及功率半导体器件可靠性监测，特别是一种半导体器件的工作结温的实时监测方法及装置。

背景技术：

1、功率半导体器件作为电能转换的核心元件，广泛应用于新能源发电、电动汽车及工业变频等领域。其工作结温直接影响器件的可靠性及系统寿命，实时监测结温对优化热管理和预防失效至关重要。目前主流方法包括温敏电参数法和寄生二极管压降法，二者均具备微秒级响应能力，且无需破坏器件封装结构。此外，热网络模型法通过热阻参数拟合壳温至结温的传递关系，亦在工程中广泛应用。

2、然而，现有方法仍存在局限：其一，高频开关工况下的干扰抑制不足。碳化硅等宽禁带器件的高开关速度引发强烈寄生振荡与电磁噪声，导致温敏电参数在瞬态过程中出现幅值畸变，影响结温反演精度；其二，长期老化引发的模型漂移未动态补偿。功率循环下键合线脱落、焊层裂纹等退化机制导致热阻参数时变，而传统温敏参数法依赖初始标定曲线，难以自适应校正老化后的温度映射关系。

技术实现思路

1、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

2、因此，本发明提供了一种半导体器件的工作结温的实时监测方法解决高频开关工况下测量信号抗干扰能力不足与长期老化导致温度模型参数漂移的补偿问题。

3、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

4、第一方面，本发明提供了一种半导体器件的工作结温的实时监测方法，其包括，

5、实时捕获抑制电感电压信号和开关管驱动脉冲信号，生成带时间戳的原始电压波形数据；

6、对带时间戳原始电压波形数据进行小波包分解，获得能量比值参数，并结合时频分布能量梯度分析生成抗干扰的电压建立时间参数；

7、基于抗干扰的电压建立时间参数对半导体材料特性参数进行校正，生成校正后的载流子寿命参数；

8、基于校正后的载流子寿命参数，通过结温映射函数获取二极管结温数据，并通过热传递物理关系与动态热阻比例系数生成开关管结温数据；

9、基于开关管结温数据和二极管结温数据进行时间窗口分析，计算结温波动幅度并进行剩余寿命评估和动态预警。作为本发明所述半导体器件的工作结温的实时监测方法的一种优选方案，其中：所述实时捕获抑制电感电压信号和开关管驱动脉冲信号，生成带时间戳的原始电压波形数据，具体步骤如下，

10、使用高压差分探头连接功率回路杂散电感两端，捕获抑制电感电压信号；低电容逻辑探头接入开关管栅极引脚采集开关管驱动脉冲信号；

11、以开关管驱动脉冲信号的上升沿和下降沿为示波器主触发源，使用同步电路将抑制电感电压信号与开关管驱动脉冲信号时间基准对齐；

12、通过恒温晶振生成微秒级时间基准，由高速mcu记录时间戳，将对齐后的抑制电感电压信号和开关管驱动脉冲信号同时写入数据帧头部，生成带时间戳的原始电压波形数据。

13、作为本发明所述半导体器件的工作结温的实时监测方法的一种优选方案，其中：所述对带时间戳原始电压波形数据进行小波包分解，获得能量比值参数，具体步骤如下，

14、基于带时间戳的原始电压波形数据，通过时域对齐操作，获得时间连续且采样间隔一致的电压序列，并进行多尺度分解，生成覆盖全频段的树状子带结构；

15、对树状子带结构进行计算获得低频带总能量与高频带总能量的独立数值，并进行比值运算，生成表征信号频域分布特性的能量比值参数。

16、作为本发明所述半导体器件的工作结温的实时监测方法的一种优选方案，其中：所述结合时频分布能量梯度分析生成抗干扰的电压建立时间参数，具体步骤如下，

17、基于能量比值参数进行能量梯度分析，获得电压波形瞬态过程的能量扩散特征；

18、对能量扩散特征进行干扰敏感区识别，生成电压建立过程中易受干扰的时段标记序列，并进行校正生成抗干扰的电压建立时间参数。

19、作为本发明所述半导体器件的工作结温的实时监测方法的一种优选方案，其中：所述基于抗干扰的电压建立时间参数对半导体材料特性参数进行校正，生成校正后的载流子寿命参数，具体步骤如下，

20、对半导体器件进行电学特性测试获得半导体材料特性参数；

21、对抗干扰的电压建立时间参数进行计算，获得反映载流子寿命随温度变化的基础参数；

22、基于抗干扰的电压建立时间参数进行分析获得电压建立时间参数的动态响应特征

23、结合半导体材料特性参数和电压建立时间参数的动态响应特征对基础参数进行校正，生成校正后的载流子寿命参数。

24、作为本发明所述半导体器件的工作结温的实时监测方法的一种优选方案，其中：所述基于校正后的载流子寿命参数，通过结温映射函数获取二极管结温数据，并通过热传递物理关系与动态热阻比例系数生成开关管结温数据，具体步骤如下，

25、基于校正后的载流子寿命参数构建载流子寿命-温度特征曲线；

26、根据载流子寿命-温度特征曲线，通过查表法匹配当前载流子寿命对应的温度点，生成二极管结温历史数据；

27、采用结温映射函数对二极管结温历史数据进行校正，获得热平衡状态下的二极管结温数据和热传递路径的等效热阻系数；

28、结合等效热阻系数和二极管结温历史数据，计算瞬态热阻偏差生成热传递补偿因子；

29、根据热传递补偿因子，通过计算开关管相对于二极管的温差，获得开关管结温的基准值；

30、基于二极管结温历史数据，对开关管结温基准值进行线性校正，生成开关管结温数据。

31、作为本发明所述半导体器件的工作结温的实时监测方法的一种优选方案，其中：所述基于开关管结温数据和二极管结温数据进行时间窗口分析，计算结温波动幅度并进行剩余寿命评估和动态预警，具体步骤如下，

32、基于开关管结温数据与二极管结温数据，通过固定时长的时间窗口划分，生成窗口内结温时序变化曲线，并识别每个窗口内的结温波峰与波谷点；

33、对结温波峰与波谷点进行频谱分析，获得结温波动幅度及波动频率，并进行热应力-应变映射生成单次热循环后二极管的等效损伤度；

34、根据等效损伤度，计算各时间窗口的二极管的累积疲劳值；

35、将各时间窗口的二极管的累积疲劳值叠加计算，生成二极管的总疲劳损伤度；

36、对二极管的总疲劳损伤度进行反向推导，获得二极管的剩余寿命；

37、基于二极管的剩余寿命，采用分级规则策略将二极管的剩余寿命映射为预警等级并进行动态预警。

38、第二方面，本发明提供了一种半导体器件的工作结温的实时监测装置，包括，信号同步采集模块、频域特征提取模块、校正模块、结温映射模块、寿命评估模块；信号同步采集模块，用于实时捕获抑制电感电压信号和开关管驱动脉冲信号，生成带时间戳的原始电压波形数据；频域特征提取模块，用于对带时间戳原始电压波形数据进行小波包分解，获得能量比值参数，并结合时频分布能量梯度分析生成抗干扰的电压建立时间参数；校正模块，基于抗干扰的电压建立时间参数对半导体材料特性参数进行校正，生成校正后的载流子寿命参数；结温映射模块，用于基于校正后的载流子寿命参数，通过结温映射函数获取二极管结温数据，并通过热传递物理关系与动态热阻比例系数生成开关管结温数据；寿命评估模块，基于开关管结温数据和二极管结温数据进行时间窗口分析，计算结温波动幅度并进行剩余寿命评估和动态预警。

39、第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的半导体器件的工作结温的实时监测方法的任一步骤。

40、第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中：所述计算机程序被处理器执行时实现如本发明第一方面所述的半导体器件的工作结温的实时监测方法的任一步骤。

41、本发明有益效果为：基于抗干扰电压参数，采用时频分析结合半导体材料特性生成校正载流子寿命参数，实现强干扰下载流子寿命高精度提取，利用载流子复合机制将电压特征转为温度参数，提升结温测量精度；基于开关管与二极管结温数据，通过时间窗口分析计算结温波动幅度，结合疲劳规则库评估剩余寿命，利用热力耦合方程映射热应力-应变关系，经损伤积分实现寿命预测与动态预警。