本文關(guān)鍵詞：具有正負(fù)雙向工作電流SiC二極管熱阻測試儀開發(fā)與研究

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【摘要】：SiC肖特基二極管是一種大電流、高反壓的寬帶隙半導(dǎo)體器件。其整流電流可以高達(dá)幾千安培,其正向?qū)妷悍浅Ｐ〖s為0.4V,然而其反向恢復(fù)時(shí)間非常短只有幾納秒。該產(chǎn)品的應(yīng)用范圍非常廣泛,包括各種高頻低壓開關(guān)電源、大電流整流二極管、保護(hù)二極管、續(xù)流二極管,也可以用在彩電的二次電源整流、高頻電源整流中等。SiC肖特基二極管近年來發(fā)展越來越迅速,其工作功率也越來越大。SiC肖特基二極管散熱封裝結(jié)構(gòu)是決定器件溫升與熱阻重要因素之一,溫升與熱阻又直接決定了其應(yīng)用可靠性。隨著SiC肖特基二極管功率不斷增大,散熱將是一個(gè)需要解決的關(guān)鍵問題,所以測定溫升熱阻、優(yōu)化封裝結(jié)構(gòu)十分必要,對于其今后的發(fā)展有重要意義。本文利用肖特基結(jié)以及PN結(jié)結(jié)電壓隨溫度的變化關(guān)系,開發(fā)了對大功率SiC肖特基二極管的熱阻測量系統(tǒng),并結(jié)合結(jié)構(gòu)函數(shù)方法,通過工程方法建立熱阻測量平臺,從而能夠清晰地分析出器件熱量傳遞路徑上的各層結(jié)構(gòu)熱阻。本文所選用的SiC肖特基二極管為正裝大功率器件,含義是器件的負(fù)極和器件下表面的銅座散熱器是相互連接的,而倒裝器件的含義是器件的正極和器件下表面的銅座散熱器是相互連接的。因此對于器件的下表面銅座散熱器而言,不同封裝將對應(yīng)不同方向的電流,此處定義正裝對應(yīng)于正向電流,倒裝對應(yīng)于負(fù)向電流。先前設(shè)計(jì)的可以產(chǎn)生負(fù)向電流用來測試倒裝器件激光器的熱阻儀,卻不方便用來測量正裝器件SiC肖特基二極管。因?yàn)榧词篃嶙鑳x外接SiC肖特基二極管時(shí)反個(gè)方向接以間接產(chǎn)生所謂的“正向電流”,但由于散熱器與恒溫平臺有直接接觸。研究表明:這種接法會使大地與SiC肖特基二極管負(fù)極之間產(chǎn)生一個(gè)電壓差,這將嚴(yán)重影響后面對熱阻測量的精度。論文基于先前通過負(fù)向電流對倒裝器件激光器的測量方法,設(shè)計(jì)了正向電流測量方法以及相應(yīng)的硬件電路,軟件程序等配套設(shè)施,并對兩種方法進(jìn)行了整合從而設(shè)計(jì)出一款具有正負(fù)雙向工作電流的半導(dǎo)體二端器件熱阻儀,能夠通過工作模式的切換,實(shí)現(xiàn)對正裝器件和倒裝器件的測試。本文對大功率SiC肖特基二極管采用正向電流測量,而對倒裝的激光器則采用負(fù)向電流測量。這樣可以避免大地與SiC肖特基二極管負(fù)極之間電壓差的影響。本文工作主要包括以下五個(gè)方面:一、在先前大功率激光器熱阻儀的基礎(chǔ)上自主研發(fā)了具有正負(fù)雙向工作電流的可測試SiC肖特基二極管和激光器兩種封裝器件的熱阻儀,其主要包括功能模塊電路設(shè)計(jì)、邏輯模塊電路設(shè)計(jì)與配套機(jī)箱設(shè)計(jì)。其功能模塊電路設(shè)計(jì)分別由工作模式選擇電路的設(shè)計(jì)、工作電路的設(shè)計(jì)、測試電路的設(shè)計(jì)、狀態(tài)切換開關(guān)電路的設(shè)計(jì)以及采集放大電路的設(shè)計(jì)組成;而邏輯模塊電路設(shè)計(jì)則是根據(jù)異步串口通信協(xié)議在FPGA的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的,并由控制部分、波特率生成部分、串口發(fā)送部分、串口接收部分組成,并通過將串行的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為并行可執(zhí)行的命令以實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)之間的通信,最終達(dá)到通過功能模塊電路中狀態(tài)切換開關(guān)電路對工作電路的控制,并將實(shí)時(shí)采集到的各種電壓電流數(shù)據(jù)信息反饋到計(jì)算機(jī),來完成實(shí)時(shí)監(jiān)測的目的。二、編寫配套的軟件和程序,通過FPGA把計(jì)算機(jī)發(fā)送的串行數(shù)字信號轉(zhuǎn)化為數(shù)模轉(zhuǎn)換器可識別的信號,數(shù)模轉(zhuǎn)化器接收信號后輸出恒定的電壓信號,通過工作電路和測試電路實(shí)現(xiàn)恒定電流的輸出,用狀態(tài)切換開關(guān)電路對工作電路進(jìn)行開啟和關(guān)閉從而控制被測器件的加熱時(shí)間,當(dāng)被測器件溫度上升到穩(wěn)態(tài)時(shí)關(guān)斷工作電路以切斷其用來加熱被測器件的大功率工作電流,此時(shí)被測器件上只有一個(gè)溫升影響可以忽略的小功率測試電流通過。三、采集放大電路將采集到的電壓信號放大10倍后,通過采集卡傳送到計(jì)算機(jī),再通過結(jié)構(gòu)函數(shù)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以獲得被測器件熱阻構(gòu)成數(shù)據(jù)。四、完成所有軟硬件的調(diào)試后,對熱阻儀進(jìn)行工程封裝設(shè)計(jì),完成配套機(jī)箱的散熱及位置擺放等方面的實(shí)踐工作。五、通過電學(xué)法研究了SiC二極管雙正極并聯(lián)與單獨(dú)使用時(shí)的內(nèi)部各結(jié)構(gòu)熱阻。最后利用比較法總結(jié)可以驗(yàn)證出SiC二極管熱量傳遞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本文的研究成果有利于提高我國商業(yè)化半導(dǎo)體器件熱阻測試設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)與功能,在半導(dǎo)體熱阻測試領(lǐng)域具有重要的實(shí)踐價(jià)值和應(yīng)用意義。
【關(guān)鍵詞】：SiC肖特基二極管 熱阻 熱阻儀 正裝器件 正向電流 倒裝器件 負(fù)向電流
【學(xué)位授予單位】：北京工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN311.7
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-17
• 1.1 課題研究背景11-15
• 1.1.1 半導(dǎo)體肖特基二極管與SiC器件的特點(diǎn)11
• 1.1.2 SiC肖特基二極管的發(fā)展11-12
• 1.1.3 SiC肖特基二極管的溫升及熱阻12-13
• 1.1.4 熱阻測試技術(shù)研究及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-15
• 1.2 課題研究意義15
• 1.3 論文技術(shù)設(shè)計(jì)指標(biāo)15-16
• 1.4 本章小結(jié)16-17
• 第2章 SiC肖特基二極管溫升與熱阻測試原理17-23
• 2.1 SiC肖特基二極管的結(jié)構(gòu)17
• 2.2 熱阻及其測試原理17-18
• 2.3 電學(xué)法測試的方法18-22
• 2.3.1 校準(zhǔn)過程19-20
• 2.3.2 測量過程20-22
• 2.4 本章小結(jié)22-23
• 第3章兼容正裝/倒裝二極管溫升與熱阻測試儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)23-53
• 3.1 熱阻儀模擬功能電路部分設(shè)計(jì)23-36
• 3.1.1 恒流源電路的設(shè)計(jì)23-24
• 3.1.2 集成運(yùn)放恒流源的原理24-25
• 3.1.3 工作電路25-27
• 3.1.4 測試電路27-29
• 3.1.5 工作模式選擇電路設(shè)計(jì)29-30
• 3.1.6 狀態(tài)切換開關(guān)電路設(shè)計(jì)30-32
• 3.1.7 采集放大電路32-34
• 3.1.8 關(guān)鍵器件的選擇34-36
• 3.2 熱阻儀邏輯部分的設(shè)計(jì)36-45
• 3.2.1 FPGA介紹36-37
• 3.2.2 通信方式37-38
• 3.2.3 模塊設(shè)計(jì)38-43
• 3.2.4 FPGA部分的工作流程43-45
• 3.3 熱阻儀測試正裝和倒裝二極管的功能整合45-46
• 3.3.1 基于大功率激光器熱阻儀設(shè)計(jì)思路的熱阻儀的改進(jìn)與整合45-46
• 3.3.2 整合開關(guān)電路的設(shè)計(jì)46
• 3.4 PCB的制作46-48
• 3.4.1 影響PCB版圖制作的因素46
• 3.4.2 PCB版圖設(shè)計(jì)中所使用的解決辦法和最終版圖46-48
• 3.5 熱阻儀的散熱設(shè)計(jì)48-51
• 3.5.1 自然散熱設(shè)計(jì)48-49
• 3.5.2 強(qiáng)迫散熱設(shè)計(jì)49-51
• 3.6 本章小結(jié)51-53
• 第4章 SiC肖特基二極管溫升與熱阻特性研究與分析53-57
• 4.1 熱阻測量結(jié)果及其內(nèi)部熱阻結(jié)構(gòu)的分析53-54
• 4.2 同一SiC肖特基二極管在單腳與雙腳并聯(lián)情況下測量下熱阻的對比54-55
• 4.3 同一SiC肖特基二極管在不同情況實(shí)驗(yàn)下的內(nèi)部熱流結(jié)構(gòu)的分析圖55-56
• 4.4 本章小結(jié)56-57
• 結(jié)論57-59
• 參考文獻(xiàn)59-63
• 攻讀學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文63-65
• 致謝65

【相似文獻(xiàn)】

中國期刊全文數(shù)據(jù)庫 前10條

1 周慧;;日本出售SiC肖特基勢壘二極管[J];半導(dǎo)體信息;2004年01期

2 王玉霞,何海平,湯洪高;寬帶隙半導(dǎo)體材料SiC研究進(jìn)展及其應(yīng)用[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2002年03期

3 楊霏;閆銳;陳昊;張有潤;彭明明;商慶杰;李亞麗;張雄文;潘宏菽;楊克武;蔡樹軍;;SiC肖特基勢壘二極管的反向特性[J];微納電子技術(shù);2010年01期

4 徐軍,謝家純,董小波,王克彥,李W，

本文編號：762179