一种GaN器件结温和热阻监测电路及方法

一种gan器件结温和热阻监测电路及方法
技术领域
1.本发明涉及gan器件监测技术领域，具体涉及一种gan器件结温和热阻监测电路及方法。


背景技术：

2.电力电子装置具有较高的能量转换效率和较好的受控能力，已被广泛应用于新能源发电、交通牵引、航空航天等领域，半导体器件是电力电子装置的核心组成部分，也是电力电子装置中最脆弱的部件，电力半导体器件对于电力电子装置的可靠性具有重要影响，因此提高电力电子装置的可靠性能满足更严格的安全和成本需求。gan材料作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、击穿电场强度高、电子饱和漂移速度高、热导率高等优点，使用其制成的gan器件耐压能力高、导通电阻小、开关速度快、开关频率高，具有si器件无法比拟的优势。总之，gan基电力电子器件技术是一项具有战略性的高新技术，对军用和民用领域都有极其重要的价值，国内外的很多半导体公司和研究机构对其进行了深入研究，开发了一系列应用于智能电源、车载逆变器等场合的gan器件。gan芯片与器件衬底、底座之间的连接是通过焊料连接实现的，但复杂恶劣的工况和交变的热-机械应力使得gan器件成为电力电子装置中易老化损坏的器件之一。焊料层的老化会对器件的热阻产生明显影响，通过监测热阻变化可以实现gan器件焊料层缺陷的状态监测。
3.现有的监测半导体器件热阻的方法主要有非电气量监测和电气量监测。其中，非电气量监测最常用的是红外热成像法，但这种方法使用成本高、仪器复杂，且会对器件造成不可恢复的损伤。而目前针对gan器件结温的电气量监测很少。而传统的针对硅基器件结温的电气量监测还未证实可用于gan器件结温监测。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供一种gan器件结温和热阻监测电路及方法，使得在不对其进行拆卸的情况下，既能获取器件结温，同时能方便准确的监测gan器件热阻；具备便捷简单的优点。
5.本发明采取的技术方案为：
6.一种gan器件结温和热阻监测电路，包括：
7.微处理器，用于控制gan器件开通与关断，还用于采集gan器件的漏极电流i
ds
并计算器件结温；
8.恒流源监测电路，用于根据微处理器的信号控制gan器件开关，并在开通时向gan器件提供恒定的门极电流；
9.安装在gan器件的管壳上的热电偶，用于测量gan器件的壳温；
10.电压源，用于在gan器件的漏-源极间给gan器件施加电压，使gan器件工作在有源区。
11.所述恒流源监测电路包括：运算放大器a1、a2、a3，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、
r8、r9、r10、r11、r12，电容c1；
12.电阻r1一端连接参考电压u
ref
端，电阻r1另一端连接运算放大器a1的反相输入端，
13.电阻r2一端连接运算放大器a1的反相输入端，电阻r2另一端连接运算放大器a1的输出端；
14.电阻r3一端连接运算放大器a3的反馈信号端，电阻r3另一端接运算放大器a1的同相输入端；
15.电阻r4一端连接运算放大器a1的同相输入端，电阻r4另一端连接接地端；
16.电阻r5一端连接运算放大器a1的输出端，电阻r5另一端接运算放大器a2的反相输入端；
17.电容c1一端连接运算放大器a2的反相输入端，电容c1另一端连接运算放大器a2的输出端；
18.电阻r12一端连接运算放大器a2的反相输入端，电阻r12另一端连接运算放大器a2的输出端；
19.电阻r11一端连接运算放大器a2的同相输入端，电阻r11另一端连接接地端；
20.电阻r6一端连接运算放大器a2的输出端，电阻r6另一端连接gan器件门极；
21.电阻r7一端连接电阻r6一端，电阻r7另一端连接运算放大器a3的反相输入端；
22.电阻r8一端连接电阻r6另一端，电阻r8另一端连接运算放大器a3的同相输入端；
23.电阻r9一端连接运算放大器a3的反相输入端，电阻r9另一端连接运算放大器a3的反馈信号端；
24.电阻r10一端连接运算放大器a3的同相输入端，电阻r10另一端连接接地端。
25.一种gan器件结温监测方法，首先，让gan器件工作在有源区，然后施加恒定门极电流以及漏-源极电压，最后采集gan器件的漏极电流，并结合k曲线间接实现结温监测。
26.一种gan器件热阻监测方法，在结温监测的基础上，当待测gan器件达到热稳态时，通过安装在gan器件管壳上的热电偶测量壳温，随后在稳态条件下通过热阻公式，求得热阻。
27.一种gan器件结温和热阻监测方法，先使gan器件在恒温加热台上加热到指定温度，达到热稳态后，施加恒定的漏-源极电压使其工作在有源区，获取多组给定结温与对应漏极电流i
ds
，利用这些数据组拟合出描述结温tj与漏极电流i
ds
之间关系的k曲线。
28.恒流源监测电路提供恒定的门极电流，gan器件工作在有源区时，在漏极和源极之间施加恒定的电压v
ds
，微处理器采集gan器件的漏极电流i
ds
，结合先前拟合的k曲线，即可计算出结温tj；
29.安装在gan器件管壳上的热电偶测量gan器件壳温tc。
30.施加的漏-源极电压v
ds
已知，得到施加在gan器件上的功率；
31.最后，利用热阻r
thjc
计算公式即可求得相应条件下的热阻值。
32.。
33.式中：tc为器件管壳温度，ph为器件漏源极间的施加功率。
34.本发明一种gan器件结温和热阻监测电路及方法，技术效果如下：
35.1)在监测gan器件结温的同时实现对器件热阻的监测，具有实时在线监测的潜能，
同时该监测电路的集成度高，监测的方法易于实施。
36.2)该方法利用器件工作在有源区时，在恒定的门极电流下，漏极电流i
ds
既可监测器件结温，又可用于器件稳态热阻监测。该方法在不对器件进行拆卸的情况下可测量器件热特性，实现gan器件及其系统热特性的评估。
附图说明
37.图1为本发明gan器件热阻的监测方法的工作流程图。
38.图2为本发明gan器件热阻的监测电路的恒流源监测电路图。
39.图3为本发明gan器件热阻的监测电路的总体原理图。
40.图4(1)为结温tj与漏极电流i
ds
之间关系的k曲线示意图一；
41.图4(2)为结温tj与漏极电流i
ds
之间关系的k曲线示意图二。
具体实施方式
42.如图1所示，一种gan器件结温和热阻监测电路，包括：
43.微处理器，用于控制gan器件开通与关断，还用于采集gan器件的漏极电流i
ds
并计算器件结温；
44.恒流源监测电路，用于根据微处理器的信号控制gan器件开关，并在开通时向gan器件提供恒定的门极电流；
45.安装在gan器件的管壳上的热电偶，用于测量gan器件的壳温；
46.电压源，用于在gan器件的漏-源极间给gan器件施加电压，使gan器件工作在有源区。
47.微处理器可可采用的是ti公司的dsp。
48.电压源可采用gwinstek公司的gps-3303c型直流稳压电源。
49.恒流源监测电路中的恒流源是指提供给器件栅极的恒定电流，可通过图2所示负反馈电路产生。
50.如图2所示，所述恒流源监测电路包括：运算放大器a1、a2、a3，电阻r1、r2、r3、r4、r5、r6、r7、r8、r9、r10、r11、r12，电容c1。电阻r1一端连接参考电压u
ref
端，电阻r1另一端连接运算放大器a1的反相输入端；电阻r2一端连接运算放大器a1的反相输入端，电阻r2另一端连接运算放大器a1的输出端；电阻r3一端连接运算放大器a3的反馈信号端，电阻r3另一端接运算放大器a1的同相输入端；电阻r4一端连接运算放大器a1的同相输入端，电阻r4另一端连接接地端；电阻r5一端连接运算放大器a1的输出端，电阻r5另一端接运算放大器a2的反相输入端；电容c1一端连接运算放大器a2的反相输入端，电容c1另一端连接运算放大器a2的输出端；电阻r12一端连接运算放大器a2的反相输入端，电阻r12另一端连接运算放大器a2的输出端；电阻r11一端连接运算放大器a2的同相输入端，电阻r11另一端连接接地端；电阻r6一端连接运算放大器a2的输出端，电阻r6另一端连接gan器件门极；电阻r7一端连接电阻r6一端，电阻r7另一端连接运算放大器a3的反相输入端；电阻r8一端连接电阻r6另一端，电阻r8另一端连接运算放大器a3的同相输入端；电阻r9一端连接运算放大器a3的反相输入端，电阻r9另一端连接运算放大器a3的反馈信号端；电阻r10一端连接运算放大器a3的同相输入端，电阻r10另一端连接接地端。
51.一种gan器件结温监测方法，首先，让gan器件工作在有源区，然后施加恒定门极电流以及漏-源极电压，最后采集gan器件的漏极电流，并结合k曲线间接实现结温监测。
52.一种gan器件热阻监测方法，在结温监测的基础上，当待测gan器件达到热稳态时，通过安装在gan器件管壳上的热电偶测量壳温，随后在稳态条件下通过热阻公式，求得热阻。
53.本发明中通过寻找结温与漏极电流之间的关系确定结温，将gan器件放置在恒温台上加热，待gan器件加热到给定温度并处于热平衡时，对其施加栅极驱动信号与漏-源极电压，测量此温度下的漏极电流；重复多次上述测量过程，得到多组结温与对应漏极电流的数据组；利用这些数据组可拟合出描述结温与漏极电流关系的k曲线。如图4(2)所示，控制器件栅源电压v
gs
为6v，漏源电压为v
ds
为4v，通过加热台控制使器件达到热稳态，测量多个结温，图4(2)中为25℃、50℃、75℃、100℃、125℃和150℃下的漏源极电流i
ds
，稳态时分别约为180a、160a、140a、120a、100a和80a，根据这几组测试数据做出k曲线。示意图4(2)涉及的电流很大，实际测量时，可以根据需求通过调节器件的栅源电压v
gs
为或漏源电压v
ds
获取合适的k曲线。
54.在之后的监测过程中，只要测量gan器件的漏极电流，即可根据k曲线，求得对应的结温。根据k曲线示意图图4(1)可以发现，结温与漏极电流之间有较好的线性关系，可以根据该曲线求出结温与漏极电流之间的函数关系。一旦有了函数关系，将测得的任意漏极电流值代入关系式即可计算出此时器件的结温。
55.一种gan器件热阻的监测方法，采用上述gan器件结温的监测电路，包括以下步骤：
56.步骤1)微处理器发出控制信号导通gan器件，恒流源监测电路给gan器件提供恒定的门极电流。
57.步骤2)电压源给gan器件漏-源极施加恒定电压，当gan器件达到热稳态后，测量gan器件漏极电流i
ds
和漏-源极电压v
ds
，用k曲线计算出结温tj；gan器件管壳上的热电偶测量出器件壳温tc。
58.步骤3)根据结温、壳温、施加功率，利用热阻计算公式求出热阻。
59.当漏-源极间的电压发生变化时，漏极电流也会发生变化，gan器件的结温与壳温都会产生一定的变化，进而引起热阻的变化。