Введение к работе
Актуальность темы Современный уровень развития силовой электроники характеризуется широким распространением силовых полупроводниковых модулей (СПМ), включающих в себя дискретные полупроводниковые элементы и схемы управления Основные тенденции их развития - увеличение рассеиваемой мощности и миниатюризация Вследствие этого даже незначительные дефекты в конструкции СПМ могут вызвать недопустимое увеличение теплового сопротивления и выход модуля из строя Таким образом, необходимым становится стопроцентный контроль тепловых сопротивлений силовых модулей при их производстве
Контроль тепловых сопротивлений СПМ классическими методами [ГОСТ 24461-80, ГОСТ 19656 15-84] занимает много времени и может стать ограничивающим фактором в технологическом процессе их производства Решение данной проблемы путем увеличения количества контрольно-измерительного оборудования неэффективно по причине его энергозатратности и сложности Это приводит к необходимости использования экспресс-методов при контроле тепловых сопротивлений СПМ
Вопросам экспресс-контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов (ПП) посвящено достаточно большое число работ [Рабинер-сон А А , Ашкинази Г А, 1976, Лаппе Р , Фишер Ф , 1986, Сергеев В А, 2000 и др ] Большинство разработанных методов требуют предварительного сбора статистической информации о характеристиках темперагурочувствительного параметра (ТЧП) силовых элементов ПП и достижения теплового равновесия между корпусом прибора и полупроводниковым кристаллом Сбор статистической информации о характеристиках ТЧП прибора требует большого числа измерений, которые, в настоящее время, производятся с использованием термостатов, занимают много времени и с трудом поддаются автоматизации Данная проблема усугубляется еще и тем, что большинством предприятий выпускается широкая номенклатура СПМ с различными типами силовых элементов
Необходимость установления теплового равновесия кристалл-корпус применительно к СПМ приведет к длительному времени контроля, так как большинство модулей, в настоящее время, обладают высокой теплоемкостью за счет использования в качестве основания массивной базовой платы Этого недостатка лишен метод «эталонной тепловой модели» [Гарбейн В М и соавт, 2000], заключающийся в разделении теплоэлектрической модели (ТЭМ) полупроводникового прибора на две составляющие - модели внутренних слоев, на которые приходится основное тепловое сопротивление, и модели основания, имеющего небольшое и достаточно стабильное тепловое сопротивление Зная параметры модели основания, можно измерить полное тепловое сопротивление прибора за относительно небольшое время, необходимое для установления теплового равновесия внутренних слоев прибора Данный метод включает определение параметров ТЭМ ПП - задача, которая требует разработки эффективного численного метода решения Кроме того, для повышения точности контроля по
данному методу желательно также собрать статистическую информацию о параметрах тепловой модели 1111
Таким образом, возникает необходимость в ускорении и автоматизации сбора статистической информации о характеристиках температурочувствитель-ных параметров силовых элементов СПМ и параметрах теплоэлектричеокой модели СПМ
Одной из тенденций развития силовых полупроводниковых модулей является их миниатюризация, что увеличивает взаимное тепловое влияние отдельных силовых элементов в модуле друг на друга Это может вызвать погрешности при измерении тепловых сопротивлений многоэлементных СПМ на постоянном токе
В настоящее время все большее распространение получают компьютеризированные измерительные комплексы, позволяющие в значительной степени автоматизировать процессы измерения и контроля на производстве, накапливать информацию о результатах измерений и производить ее статистический анализ Такие комплексы не только упрощают работу оператора, но и позволяют оценивать качество и стабильность технологического процесса
В связи с этим является актуальным создание автоматизированного комплекса для экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей на базе ПЭВМ
Объект исследования - тепловые сопротивления силовых полупроводниковых модулей
Предмет исследования — методы и средства измерения и контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей
Цель исследования - повышение скорости и достоверности контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей
Основные задачи исследования
анализ существующих методов и средств контроля тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов,
исследование особенностей измерения тепловых сопротивлений многоэлементных силовых полупроводниковых модулей,
разработка способа экспресс-измерения характеристик температур о-чувствительных параметров силовых элементов СПМ,
разработка метода определения параметров теплоэлектрической модели СПМ,
разработка средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ,
экспериментальное исследование работы средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ и проверка адекватности разработанных теоретических положений
Методы исследования
Для решения поставленных задач в работе использовались методы математического и теплоэлектрического моделирования, математического анализа, математической статистики, цифровой обработки сигналов и численные методы Математическое моделирование и обработка данных проводились в про-
граммныч пакетах MathCad 2000, Excel, а также с использованием оригинальных программ, разработанных в среде C++Builder 6
Экспериментальные исследования проведены на разработанном программно-аппаратном комплексе контроля тепловых сопротивлений СПМ
Научная новизна работы заключается в следующем-
Разработан новый способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров полупроводниковых приборов, основанный на саморазогреве прибора, позволяющий сократить время измерения
На основе теплоэлектрического моделирования предложена методика компенсации погрешности измерения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов на синусоидальном токе, вызванной колебаниями температуры полупроводникового кристалла
Разработан метод определения параметров теплоэлектрической модели полупроводниковых приборов, основанный на численной аппроксимации переходного теплового сопротивления прибора по методу наименьших квадратов, отличающийся усовершенствованным методом оптимизации
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью применения методов теплоэлектрического моделирования, теории вероятности, математической статистики, качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, внедрением результатов работы в производство, патентной экспертизой
Практическая ценность работы заключается в том, что использование разработанного метода и теоретических положений в автоматизированном программно-аппаратном комплексе экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ позволило сократить время контроля и повысить качество выпускаемой продукции
Реализация и внедрение результатов исследований.
Основные теоретические и практические результаты работы были реализованы в программно-аппаратном комплексе экспресс-контроля тепловых сопротивлений СПМ - стенде измерения и контроля тепловых сопротивлений (ИКТС) твердотельных реле, внедренного в производство на предприятии ЗАО «Протон-импульс», г Орел Результаты внедрения подтверждены соответствующими актами
Апробация и публикации результатов работы.
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на 3-х международных конференциях
международной научно-технической конференции «ПРИБОРОСТРОЕНИЕ 2005», Украина, Винница-Ялта, 14-17 сентября 2005 г
XXVII Российской школе по проблемам науки и технологий, Россия, г Миасс, 26 - 28 июня 2007 г
V Международной научно-практической интернет-конференции "ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ - XXI ВЕК", Россия, г Орел, 1 апреля -30 июня 2007 г
По материалам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для публикации ре-
зультатов научных исследований Подана заявка на изобретение «Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров силовых полупроводниковых приборов в корпусном исполнении» (заявка №2006145698, приоритет от 21 12 06) Получено решение о выдаче патента На защиту выносятся следующие основные положения
Способ измерения температурных коэффициентов температурочувствительных параметров полупроводниковых приборов
Методика компенсации погрешности измерения тепловых сопротивлений полупроводниковых приборов на синусоидальном токе
Метод определения параметров теплоэлектрической модели полупроводниковых приборов
Структура средства экспресс-контроля тепловых сопротивлений силовых полупроводниковых модулей, с автоматизацией процесса измерения
Структура и объём диссертации
Диссертация изложена на 116 страницах машинописного текста, из них 114 страниц основного текста и 2 страницы приложений, содержит 52 рисунка и 12 таблиц, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка используемых источников, включающего 53 наименования работ отечественных и зарубежных авторов, и приложения
