本文關鍵詞：具有正負雙向工作電流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體器件。其整流電流可以高達幾千安培,其正向導通電壓非常小約為0.4V,然而其反向恢復時間非常短只有幾納秒。該產品的應用范圍非常廣泛,包括各種高頻低壓開關電源、大電流整流二極管、保護二極管、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構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,散熱將是一個需要解決的關鍵問題,所以測定溫升熱阻、優(yōu)化封裝結構十分必要,對于其今后的發(fā)展有重要意義。本文利用肖特基結以及PN結結電壓隨溫度的變化關系,開發(fā)了對大功率SiC肖特基二極管的熱阻測量系統(tǒng),并結合結構函數方法,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構熱阻。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,不同封裝將對應不同方向的電流,此處定義正裝對應于正向電流,倒裝對應于負向電流。先前設計的可以產生負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。因為即使熱阻儀外接SiC肖特基二極管時反個方向接以間接產生所謂的“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肖特基二極管負極之間產生一個電壓差,這將嚴重影響后面對熱阻測量的精度。論文基于先前通過負向電流對倒裝器件激光器的測量方法,設計了正向電流測量方法以及相應的硬件電路,軟件程序等配套設施,并對兩種方法進行了整合從而設計出一款具有正負雙向工作電流的半導體二端器件熱阻儀,能夠通過工作模式的切換,實現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向電流測量。這樣可以避免大地與SiC肖特基二極管負極之間電壓差的影響。本文工作主要包括以下五個方面:一、在先前大功率激光器熱阻儀的基礎上自主研發(fā)了具有正負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計、邏輯模塊電路設計與配套機箱設計。其功能模塊電路設計分別由工作模式選擇電路的設計、工作電路的設計、測試電路的設計、狀態(tài)切換開關電路的設計以及采集放大電路的設計組成;而邏輯模塊電路設計則是根據異步串口通信協(xié)議在FPGA的基礎上實現的,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,并通過將串行的數據轉換為并行可執(zhí)行的命令以實現與計算機之間的通信,最終達到通過功能模塊電路中狀態(tài)切換開關電路對工作電路的控制,并將實時采集到的各種電壓電流數據信息反饋到計算機,來完成實時監(jiān)測的目的。二、編寫配套的軟件和程序,通過FPGA把計算機發(fā)送的串行數字信號轉化為數模轉換器可識別的信號,數模轉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現恒定電流的輸出,用狀態(tài)切換開關電路對工作電路進行開啟和關閉從而控制被測器件的加熱時間,當被測器件溫度上升到穩(wěn)態(tài)時關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,此時被測器件上只有一個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算機,再通過結構函數算法對數據進行處理,以獲得被測器件熱阻構成數據。四、完成所有軟硬件的調試后,對熱阻儀進行工程封裝設計,完成配套機箱的散熱及位置擺放等方面的實踐工作。五、通過電學法研究了SiC二極管雙正極并聯與單獨使用時的內部各結構熱阻。最后利用比較法總結可以驗證出SiC二極管熱量傳遞的內部結構。本文的研究成果有利于提高我國商業(yè)化半導體器件熱阻測試設備的技術指標與功能,在半導體熱阻測試領域具有重要的實踐價值和應用意義。
【關鍵詞】：SiC肖特基二極管 熱阻 熱阻儀 正裝器件 正向電流 倒裝器件 負向電流
【學位授予單位】：北京工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：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 半導體肖特基二極管與SiC器件的特點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 熱阻測試技術研究及國內外研究現狀13-15
• 1.2 課題研究意義15
• 1.3 論文技術設計指標15-16
• 1.4 本章小結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肖特基二極管的結構17
• 2.2 熱阻及其測試原理17-18
• 2.3 電學法測試的方法18-22
• 2.3.1 校準過程19-20
• 2.3.2 測量過程20-22
• 2.4 本章小結22-23
• 第3章兼容正裝/倒裝二極管溫升與熱阻測試儀設計與實現23-53
• 3.1 熱阻儀模擬功能電路部分設計23-36
• 3.1.1 恒流源電路的設計23-24
• 3.1.2 集成運放恒流源的原理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計29-30
• 3.1.6 狀態(tài)切換開關電路設計30-32
• 3.1.7 采集放大電路32-34
• 3.1.8 關鍵器件的選擇34-36
• 3.2 熱阻儀邏輯部分的設計36-45
• 3.2.1 FPGA介紹36-37
• 3.2.2 通信方式37-38
• 3.2.3 模塊設計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計思路的熱阻儀的改進與整合45-46
• 3.3.2 整合開關電路的設計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版圖設計中所使用的解決辦法和最終版圖46-48
• 3.5 熱阻儀的散熱設計48-51
• 3.5.1 自然散熱設計48-49
• 3.5.2 強迫散熱設計49-51
• 3.6 本章小結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 熱阻測量結果及其內部熱阻結構的分析53-54
• 4.2 同一SiC肖特基二極管在單腳與雙腳并聯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驗下的內部熱流結構的分析圖55-56
• 4.4 本章小結56-57
• 結論57-59
• 參考文獻59-63
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文63-65
• 致謝65

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中國期刊全文數據庫 前10條

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

2 王玉霞,何海平,湯洪高;寬帶隙半導體材料SiC研究進展及其應用[J];硅酸鹽學報;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;2010年01期

4 徐軍,謝家純,董小波,王克彥,李W，

本文編號：762179