功率管控器测量技术研讨

应用该方法采用功率加热法，使用时需注意控温散热装置和安装布局，该方法假定测试时器件温度随时间的降低几乎不变，一般要求测试时间小于100μs或50μs，即可忽略测试时间对测试结果的影响，因此该方法局限性较大(大部分固态功率控制器关断时间超过100μs)，同时测试装置较为复杂，测试可操作性较差，不适用于批量检测。固态功率控制器基本原理固态功率控制器电路原理框图，由输入电路、隔离器件、MOSFET驱动电路和MOSFET组成，从图中可以看出，由于器件自身存在隔离电路，一般由变压器或光电器件组成，其固有关断时间加上测试电路转换时间，往往大于100μs，甚至长达毫秒级，因此传统测试手段无法满足测试要求。

等功率原理功率MOSFET结构及原理图，因其制造工艺使得MOSFET源极(S)和漏极(D)之间形成了寄生体二极管(pn结)。当MOSFET接通，且漏源极加正向电压时，电流从漏极(D)流向源极(S)，当MOSFET关断，漏源极加反向电压时电流由源极(S)流向漏极(D)，即体二极管［6］。MOSFET正向工作电流与反向工作电流通路相同、面积相同，因此，器件正向所能承受的功耗与反向所能承受的功耗几乎相等。由于固态功率控制器为小信号控制大信号，其主要功耗来自于功率MOSFET、即器件发热主要为MOSFET自身功耗，而其内部的其他器件功耗之和一般不足MOSFET功耗的1/10。③在最高环境温度下(或规定环境温度下)，将器件反向通电，施加It测试电流和I＇r反向调整电流，测试pn结压降，实现Pf=Pr;④反向工作稳定后，短时撤掉I＇r反向调整电流，读取It测试电流下的pn结压降，再根据步骤①所得出的pn结电压与温度关系找出结温，该结温即为器件在最恶劣环境下稳态工作时的实际结温。测试时需保证环境温度稳定，可采用高温箱或恒温槽，其中步骤①用于计算pn结电压随温度变化率，针对同一型号的产品仅需要进行1次测试即可;步骤②可以根据高温测试数据或参数表中给出的降额点进行计算;步骤④中的结温可利用变化系数进行计算，也可以利用温度装置逐点测试，最终找到与测试pn结压降相等的温度点，该温度点即为对应的结温。

验证取某型号固态功率控制器进行等功率结温测试法验证，由于该产品最高工作温度为105℃，设计的最高结温为150℃，因此pn结测试区域选取105～150℃，以每5℃为一档测试pn结电压与温度关系，取测试电流It为10mA，测试结果表明pn结电压随温度变化规律在105～150℃之间约为2.42mV/℃，pn结随温度变化规律性较强，但是不同批次间因工艺差异，pn结起始电压有可能略有不同，因此在工程应用中需先进行初始值校正，再依据变化率进行计算。取另一批产品进行105℃下正偏测试，输出电流分别选取5，7，10，15和20A进行正偏工作1h后，测试正向功率，测试结果。表中:Iout为输出电流;V为导通压降;P为正向功率。反向等功率测试，测试电流10mA，pn结温度变化率取2.4mV/℃，结温采用计算法和实测法两种方式进行，测试结果。表中:Vpn为初测pn结电压;V'pn为终测pn结电压;Tj为计算结温;T'j为实测结温。实测时采用逼近法进行验证，即在理论计算值的基础上向下降低5℃，利用高温箱或恒温槽以0.5℃为梯度逐步升温，每个温度点停留时间0.5h后，对MOSFET反向施加10mA测试电流，并用6位半数字万用表测试MOSFET寄生pn结电压，当测试的pn结电压等于等功率结温终测pn结电压时，该环境温度即为实测结温。测试结果表明，采用pn结变化率进行计算其结果与实测结果之间误差不超过1%，在工程应用中具有良好的指导意义。

本文主要研究输出功率器件采用MOSFET的固态功率控制器(固体继电器)无损伤结温测试方法，利用正向功率等于反向功率的原理，将具有隔离功能的功率器件结温测试问题转化为简单的pn结结温测试问题，有效避免了器件自身时间差、测试时间差对测试造成的影响，简化了测试方法、降低了传统结温测试手段对设备的依赖，利用这种方法还可以测试固态功率控制器在任意环境温度下，不同工作点的实际结温，即可为产品设计提供测试依据，又可为产品应用提供验证手段，具有良好的工程应用价值。目前本方法已成功应用在稳态结温测试中，对于瞬态结温测试，受测试设备、采样速度和电位转换的限制，尚未进入工程实用阶段，因此本方法对瞬态结温的适用性仍有待进一步研究。

作者：闫军政 杨士元 吴维刚 张金龙 单位：清华大学自动化系 北京市科通电子继电器总厂