A Keysight Technologies eszközeivel. A teljesítményelektronikai félvezetők piaca az elmúlt években gyors bővülésnek indult, legfőképp a járműipar, háztartási készülékek, közüzemi rendszerek fejlődése következtében. Ezen alkalmazásokra nézve közös, hogy a nagyfeszültségű, nagy áramú és nagy teljesítményű elektronikai alkatrészek megbízhatóságának és hibatűrésének maximálisnak kell lennie. Cikkünkben teljes körű megoldásként mérési módszereket mutatunk be teljesítmény-MOSFET-ekhez és IGBT-khez a Keysight U5855A termokamera és a B1506A alkatrész­ analizátoron végzett analízisek alapján...

A Keysight Technologies U5855A TrueIR termokamera egy ergonomikus kialakítású, könnyen kezelhető, infravörös termográfiai képalkotó mérőeszköz. A beállíthatóan akár 320×240 pixel képfelbontást kínáló U5855A akár 10 cm-ről is képes fókuszálni, és kimagasló teljesítményt nyújt kisméretű alkatrészek termikus karakterizálásában és elektromos rendszerek preventív karbantartásában is.

A Keysight B1506A alkatrész-analizátor kiváló eszköze a teljesítményelektronikai alkatrészek (pl. IGBT-k) paraméterezésének. A B1506A analitikai eszköztára lehetővé teszi szabványon kívüli alkatrészek pontos modellezését valós működési körülmények között is a 3 kV és 1500 A maximális feszültség és áram, -50 ... 250 °C termikus tesztelési korlátok, nanoamper alatti árammérési képességek és továbbfejlesztett SMU technológia mellett.

Diszkrét teljesítmény-MOSFET-ek hőmérsékleti karakterizálása

A B1506A egyedi, plug-in típusú mérőbefogó-adaptere alkalmas többek között háromkivezetős, diszkrét teljesítmény-MOSFET-ek elektromos jellemzőinek meghatározására (lásd 1. ábra), míg az U5855A az alkatrész felületi hőmérsékletének mérésére használható.

1. ábra. Teljesítmény-MOSFET hőmérsékleti karakterizálása az U5855A (balra) és B1506A (jobbra) eszközökkel

A mérőrendszer méri a hűtőborda nélküli alkatrészre jutó teljesítmény következtében az eszköz önhevülése okozta hőmérséklet-változásokat. A mérés a B1506A-n beállított feszültség és áram rákapcsolásával indul, majd időzített hullámformákkal folytatódik, amelyek hatására az alkatrész felhevül és egy idő után stabilizálódik. Ezután a hőmérsékletet az U5855A segítségével mérik le.

A P_d rákapcsolt teljesítmény és a T_c felületi hőmérséklet közötti összefüggést megismételt procedúrákon keresztül mérik le. A 2. ábrán különböző P_d rákapcsolt teljesítményértékek mellett mutatja az alkatrészen mért infravörös termikus képet és hőmérsékleti adatokat.

2. ábra. Infravörös termikus képek és hőmérsékleti adatok különböző rákapcsolt teljesítményszintek mellett

A 3. ábra a T_c felületi hőmérséklet P_d rákapcsolt teljesítménytől való függését mutatja, 22 °C környezeti hőmérsékletnél.

3. ábra. A rákapcsolt maximális teljesítmény és a felületi hőmérséklet összefüggése

A vizsgált alkatrész műszaki adatlapja az átmeneti hőmérséklet maximumát (T_Jmax) 150 °C névértékben specifikálja. Az átmenet és az alkatrész felülete közötti termikus ellenállást (R_th(j-c)) szintén megadja a gyártó az adatlapon, ennek értéke 0,12 °C/W. Az alkatrész felülete és a környezeti hőmérséklet közötti termikus ellenállás (R_th(c-a)) származtatható a rákapcsolt teljesítmény (P_d) és a felületi hőmérséklet (T_c) közötti összefüggést feltáró mérési eredményekből, az adatlap azonban nem tartalmaz adatot az átmenet és a környezeti hőmérséklet közötti termikus ellenállásra (R_th(j-a)) nézve.

A 3. ábrán 0,5 ... 2,5 W teljesítménytartományban mért hőmérsékleteket lineáris grafikonon, lineáris regressziós görbével az alábbi összefüggés szerint ábrázoltuk:

T_c = 20,004 × P_d + 28,778.

Az összefüggés által megadott gradiens megadja az alkatrész felülete és a környezeti hőmérséklet közötti termikus ellenállás, R_th(c-a) értékét:

R_th(c-a) = 20,004 °C/W.

A termikus paraméterek vonatkozásában a rendelkezésre álló információkat az alábbiak szerint rendszerezhetjük:

• termikus ellenállás az átmenet és környezet között: R_th(j-a) – az adatlapon nem kerül feltüntetésre,
• termikus ellenállás az átmenet és a felület között: R_th(j-c) = 0,12 °C/W,
• termikus ellenállás a felület és a környezet között: R_th(c-a) = 20,004 °C/W.

A jelen mérési elrendezésre nézve az R_th(j-a) = R_th(j-c) + R_th(c-a) összefüggés igaz, így R_th(j-a) = 0,12 + 20,004 = 20,124 °C/W átmenet és környezet közötti termikus ellenállás származtatható. Az alábbi (1) egyenlet kifejezi a viszonyt a T_j átmeneti hőmérséklet, az átmenet és környezet közti termikus ellenállás R_th(j-a), a rákapcsolt teljesítmény P_d, valamint a környezeti hőmérséklet T_a között:

T_j = R_th(j-a) × P_d + T_a (1).

Ebben a mérésben a termikus ellenállást az átmenet és a környezeti hőmérséklet között hűtőborda nélkül határoztuk meg, amelynek alapján az átmeneti hőmérséklet a rákapcsolt teljesítményből és a környezeti hőmérsékletből származtatható. Az alkatrész átmeneti hőmérsékletének abszolút maximuma 150 °C, amely a 4. ábra szerint meghatározza a rákapcsolt teljesítmény maximuma és a környezeti hőmérséklet közötti viszonyt. Az átmeneti hőmérséklet és a rákapcsolt maximális teljesítmény közötti viszony definiálásának alapját a rákapcsolt maximális teljesítmény és önhevülés által okozott hőmérséklet-változás közötti összefüggés szolgáltatta.

4. ábra. A rákapcsolt maximális teljesítmény és a környezeti hőmérséklet összefüggése

A mért alkatrész hőmérsékletének változása a teljesítményfélvezetőknél rendkívül fontos paraméter. Az 5. ábra a normál és magas hőmérséklet esetén veti össze az elektromos jellemzők alakulását, amelyek jelentős eltérést mutatnak.

5. ábra. Az ID/UDS karakterisztikák alakulása normál és nagy hőmérsékleten

A hűtőborda nélküli alkatrésznél az átmeneti hőmérséklet még kis teljesítmény esetén is nagymértékben ingadozik. A karakterizálási megoldások fontossága az előbbiek alapján egyértelmű, sikeres alkalmazásukhoz azonban néha nagyobb teljesítményre is szükség lehet. A B1506A használata mellett nagyobb teljesítmény rákapcsolásának és az egyéb paraméterek (pl. kitöltési tényezők, fel- és lefutások stb.) részletes szabályozásának sincs akadálya, a hűtőborda bevonása azonban elméleti oldalról bonyolíthatja a mérést. A rákapcsolt teljesítmény és átmeneti hőmérséklet közötti összefüggést a korábbiakban kifejtett (1) egyenlet írja le, a tranziens termikus rezisztív karakterisztikát pedig a 6. ábrán látható minta adja meg.

6. ábra. Tranziens termikus rezisztív karakterisztika

IGBT modulok hőmérsékleti karakterizálása

A B1506A mérőbefogója lehetővé teszi nagyméretű elektronikai alkatrészek, így IGBT-k gyors, egyszerű és biztonságos elektromos karakterizálását (lásd 7. ábra).

7. ábra. IGBT modul elektromos karakterizálása a Keysight B1506A és U5855A mérőműszerekkel

Az IGBT-ken a hőmérséklet eloszlása legtöbbször egyenetlen, ezért nagy előny az U5855A részéről a teljes kétdimenziós, kontaktusmentes mérés. Az U5855A már 10 cm távolságról is képes termográfiai mérésekre akár 320×240 képpontos felbontással és 2,1 mrad térbeli felbontással. A -20 és 350 °C hőmérséklet-tartománnyal kompatibilis U5855A legjobb termikus érzékenysége 0,07 °C, így mindezek alapján érintkezésmentes mérésekkel kiváló pontossággal képes az alkatrészek termikus eloszlását leképezni.

A 8. ábra a példamérésben használt IGBT modul csatlakozóinak és sugárzó felületének termikus és szabad szemmel látható képeit mutatja. A felvétel az U5855A-val készült, mialatt a B1506A az IGBT elektromos karakterizálását végezte. A rögzített termikus adatok részletes numerikus és grafikus analízisét a Keysight TrueIR Analysis and Reporting Tool szoftver kiválóan elvégzi, lehetőséget adva a hőmérsékleti eloszlás színeinek módosítására és mérési jegyzőkönyvek automatikus létrehozására.

8. ábra. Az IGBT modul csatlakozóiról (fent) és sugárzó felületéről (lent) az U5855A-val készült felvételek

A 9. ábrán az IGBT modul csatlakozóinak, ill. sugárzó felületének profilját, a 10. ábrán a hőmérséklet-eloszlási hisztogramot láthatjuk. A mérési eredményeken jól látszik, hogy az IGBT modul csatlakozóin a hőmérsékleti eloszlás egyenetlen, a sugárzó felületen azonban nagyjából egyenletes.

10. ábra. Az IGBT modul csatlakozóinak (fent) és sugárzó felületének (lent) hőmérséklet-eloszlási hisztogramja

Összefoglalás

A teljesítményelektronikában használt félvezetőknek szélsőséges körülmények között, az alacsonytól a magas hőmérsékletig is hosszú távon megbízhatóan kell üzemelniük. Hála széles tesztelésifeszültség- és áram-, valamint hőmérséklet-tartományának, nagy felbontású szabályozhatóságának és letisztult felhasználói interfészének, a Keysight B1506A félvezetőalkatrész-analizátor teljes tudású, alapvető eszköze az alkatrésztesztelésnek. A B1506A-val kombinációban használt Keysight U5855A TrueIR termokamera a kontaktusmentes, infravörös hőmérsékletmérésben nyújt kimagasló teljesítményt. A két mérőműszer ideális párost alkot azokra az esetekre is, amikor az adatlapokban nem­specifikált esetekben kell az alkatrészek viselkedését vizsgálni vagy kifinomult termikus méretezésre van szükség.

A ma elterjedtnek számító hőmérséklet-mérési módszer alapja a termoelem, amely ugyan hatékony eszköz, alkalmazhatósága azonban korlátozott, hiszen szükséges figyelembe venni a telepítés helyét és módját, valamint a kontaktus által okozott hőmérsékletváltozást is. Az infravörös sugárzást mérő hőmérő már kedvezőbb alternatíva lehet, azonban csak egyetlen mérési pont adatainak felvételére alkalmas, és a lézer által kijelölt és a valódi mérési pont között térbeli eltérés lehet, amely megbízhatatlanná teheti a méréseket. Az U5855A kontaktusmentes úton, kétdimenziósan végzi a hőmérsékletmérést, valósidejű képfeldolgozással, valamint a TrueIR Analysis and Reporting Tool szoftverrel megtámogatva.

A B1506A alkatrész-analizátor és az U5855A termokamera együttesen kiváló hatékonyságú megoldást nyújtanak a teljesítményelektronikai alkatrészek hőmérsékleti karakterizálására.

A forgalmazó Medexpert Kft. honlapja