一种基于数学滤波算法的结温校准方法技术

一种基于数学滤波算法的结温校准方法属于电子器件测试领域，传统的半导体器件结温测量方法有电学法、红外法等。由于理论误差及测量过程中噪声的存在，以上方法均不能准确测量半导体器件结温。本发明专利技术将半导体器件视为一个具有单输入，双输出，在时间上离散的动态系统。其中输入为上一时刻的热功率矩阵双输出分别为本时刻的结温及热功率矩阵通过不断递归运算对半导体器件结温进行实时，有效的校准。本发明专利技术是一种利用线性系统状态方程，通过系统输入观测系统输出，对系统状态进行最优估计的算法。该算法能在测量方差已知的情况下从一系列存在噪声的数据中，估计动态系统的状态，获得更为接近真实值的数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于电子器件测试领域，主要应用于以电学法测量的数据和RC模型计算获得的数据为基础，利用数学滤波算法对测量结温数据进行校准。
技术介绍
随着电子技术的高速发展，半导体器件获得了长足的发展。近年来随着高铁、风电等技术的高速发展，功率器件在这些新兴领域得到了广泛的应用。随着功率器件尺寸的进一步小型化，器件单位面积的功率密度相较原来有较大的提高，与之伴随而来的是器件在工作过程中的结温升进一步提高。过高的结温在造成器件特性下降的同时，更有可能造成器件的可靠性下降，进一步导致器件的损毁。因此准确测量半导体器件的结温，对于工程方面的应用具有重要的意义。半导体器件结温作为半导体器件可靠性工程方面的重要参数，目前主要通过物理法和电学法等方法进行测量。物理法又包括光学法和接触法。光学法主要通过使用光学热成像仪对工作中的器件结进行热成像，基于被测物在不同温度下发出的电磁波辐射强度不同的原理，监测器件结温。但光学法要求对器件进行开帽或者去封装处理，在对器件造成不可逆的破坏同时，测量温度主要为结表面温度，相对于核心温度偏低；电学法虽不对器件造成破坏，但是测量所得结温与结上电流密度成正比，实则为不同区域结温的加权平均值，同时由于测量电路中高斯白噪声的干扰的影响，测量的数据相对于核心结温较高。两种方法的理论误差的存在导致其均不能准确测量结温数值。
技术实现思路
本专利技术旨在提出一种利用数学滤波算法，对测量结温数据进行校准的方法。在本专利技术中将半导体器件视为一个具有单输入，双输出，在时间上离散的动态系统。其中输入为上一时刻的热功率矩阵双输出分别为本时刻的结温及热功率矩阵在具体计算过程中，分为预测与校准两个阶段。在预测阶段以上一时刻的热功率矩阵为输入，通过状态空间方程获得本时刻热功率预估值及结温预估值校准阶段通过以电学法测量结温数据值Tk为观测值，经过校准获得本时刻的结温及热功率矩阵本专利技术采用的技术方案如下：通过电学法测量并获得待测器件的温度-电压-电流校温曲面。本处器件所指包括二极管，三极管，VDMOS，IGBT但不限于此。通过半导体热阻测量仪器测量建立器件RC热阻模型。在此基础上，对待测器件建立状态空间及状态空间方程，该方程具有以下形式：xk＝Fxk-1+GukTk＝Cxk+Duk其中F为状态矩阵，G为输入矩阵，C为输出矩阵，D为直接传输矩阵，uk为系统输入矩阵，F、G、C、D和uk的形式根据待测器件RC模型的不同而不同，Tk为k时刻结温，xk和xk-1分别为k及k-1时刻的热功率矩阵，可通过RC模型计算获得。在此处应说明，xk和uk的初始值x0和u0可根据器件工作状态给予零值或结合器件手册参数及器件两端电应力给予初值，其初值准确性并不会影响后续递归的准确性。同时本状态方程作为基本方程组，下文预测阶段方程组和校准阶段方程组皆由此方程组衍化而来。现就预测阶段的计算过程做详细描述：在获得状态空间方程的基础上，引入过程噪声，其协方差用Q表示。此处应说明，当过程噪声的分布无法准确测量或确定时，使用高斯分布。同时通过多次测量工作条件下半导体器件电应力，获得器件两端的电压及电流，而后依据温度-电流-电压校温曲面确定温度，获得温度值，通过统计多次测量结果确定噪声增益矩阵，记为H。即可得到预测阶段方程为： x k - = Fx k - 1 + + Gu k ]]> T k - = Cx k - + Du k ]]> P k - = FP k - 1 + F T + H Q H ]]>其中F为状态矩阵，G为输入矩阵，C为输出矩阵，D为直接传输矩阵，为预估误差协方差，代表本测量方法可能引起的误差，应说明，当赋予初值是，该方差可设置为零。为上一时刻的热功率矩阵，uk为系统输入矩阵。F、G、C、D和uk的形式根据待测器件RC模型的不同而不同。经过预测阶段计算可获得k时刻的热功率矩阵预测值结温预估值及k时刻的预测预估误差矩阵现就校准阶段的计算过程做详细描述：将待测器件接入电路，通入工作电压，实时测量器件两端的电压-电流值，通过校温曲面，获得器件k时刻的结温数值记为Tk，并将此值作为观测值。并代入校准方程，校准方程如下： e k = T k - T K - ]]> K k = P k - C [ CP k - C T + R ] - 1 ]]> x k + = x k - + aK k e k ]]> P k + = [ I - K k C ] P k - ]]>其中ek代表测量温度差值，其意义为预测的温度与测量到的温度Tk的差值。Kk为滤波增益矩阵，由k时刻的预测预估误差矩阵输出矩阵C和引入的测量噪声的协方差R计算获得，此处应说明，当引入的测量噪声的分布无法测量或者难以确定时，采用高斯分布。在获得滤波增益矩阵Kk的基础上，结合测量温度差值ek，k时刻的热功率矩阵预测值及参数a，经过计算可获得k时刻的热功率矩阵此处应说明，参数a的选取根据以下原则：1，当待测器件处于非开关条件下时，a取0。2，当待测器件处于开关条件下工作时，a取1。在校准阶段的最后，可通过k时刻的预估误差矩阵预测值和输出矩阵C及滤波增益矩阵Kk获得k时刻的预估误差矩阵供下一时刻的计算使用。现就结温获取阶段的计算做详细描述：根据针对待测器件建立的状态空间及状态空间方程，该方程具有以下形式： T K + = Cx k + + 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于数学滤波算法的结温校准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，利用器件夹具将半导体器件与半导体校温曲线测量装置连接，置入温箱，通过电学法测量并建立半导体器件的温度‑电流‑电压校温曲面；步骤二，将半导体器件与半导体热阻测量仪，测量半导体器件的热阻组成，建立RC热阻模型；步骤三，根据步骤二中获得的RC热阻模型，建立状态空间方程；状态空间方程具有以下形式：xk＝Fxk‑1+GukTk＝Cxk+Duk其中k代表k时刻，k‑1代表相对于k时刻的上一时刻，F为状态矩阵，G为输入矩阵，C为输出矩阵，D为直接传输矩阵，uk为系统输入矩阵，F、G、C、D和uk的形式根据待测器件RC模型的不同而不同，Tk为k时刻结温，xk和xk‑1分别为k及k‑1时刻的热功率矩阵；步骤四，在k＝0时刻，根据待测器件所受电应力计算，获得热功率矩阵初始值根据测量精度要求确定误差协方差初始值当误差分布不确定时，误差分布采用高斯分布；同时假设电学法测量过程中，引入的过程噪声的协方差为Q，通过多次测量工作条件下半导体器件(1)电应力，依据步骤一中建立的温度‑电流‑电压校温曲面确定温度，获得温度值，通过统计多次测量结果确定噪声增益矩阵H；则得到预测阶段的状态方程为：xk-=Fxk-1++Guk]]>Tk-=Cxk-+Duk]]>Pk-=FPk-1+FT+HQH]]>其中F、G、C、D和uk含义如前文所述，为k时刻的热功率矩阵预测值，为上一时刻的热功率矩阵，代入初始值获得k时刻的热功率矩阵预测值结温预测值及误差协方差步骤五，将半导体器件接入工作电路，施加电应力，使半导体器件进入工作状态，此时使用半导体校温曲线测量装置测量半导体器件两端电压‑电流值，与步骤一中的校温曲面进行对比，即获得半导体器件结温Tk作为观测值；步骤六，根据步骤二中的状态空间方程，建立校准阶段方程如下：ek=Tk-TK-]]>Kk=Pk-C[CPk-CT+R]-1]]>xk+=xk-+aKkek]]>Pk+=[I-KkC]Pk-]]>其中ek代表测量温度差值，其意义为预测的温度与测量到的温度Tk的差值；Kk为滤波增益矩阵，由k时刻的预测预估误差矩阵输出矩阵C和引入的测量噪声的协方差R计算获得，当引入的测量噪声的分布无法测量或者难以确定时，采用高斯分布；在获得滤波增益矩阵Kk的基础上，结合测量温度差值ek，k时刻的热功率矩阵预测值及参数a，经过计算获得k时刻的热功率矩阵参数a的选取根据以下原则：当待测器件处于非开关条件下时，a取0，当待测器件处于开关条件下工作时，a取1，在校准阶段的最后，通过k时刻的预估误差矩阵预测值和输出矩阵C及滤波增益矩阵Kk获得k时刻的预估误差矩阵供下一时刻的计算使用；步骤七，根据针对待测器件建立的状态空间及状态空间方程，该方程具有以下形式：TK+=Cxk++Duk]]>其中F为状态矩阵，G为输入矩阵，C为输出矩阵，D为直接传输矩阵，uk为系统输入矩阵；结合预测阶段获得的k时刻的热功率矩阵能够计算获得k时刻经过校准的结温步骤八，将步骤六中的作为新的代入步骤四中，重复步骤四、五、六，七，进行递归，不断获取下一时刻的结温及热功率矩阵，实现结温的动态校准。...

【技术特征摘要】
1.一种基于数学滤波算法的结温校准方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，利用器件夹具将半导体器件与半导体校温曲线测量装置连接，置入温箱，通过电学法测量并建立半导体器件的温度-电流-电压校温曲面；步骤二，将半导体器件与半导体热阻测量仪，测量半导体器件的热阻组成，建立RC热阻模型；步骤三，根据步骤二中获得的RC热阻模型，建立状态空间方程；状态空间方程具有以下形式：xk＝Fxk-1+GukTk＝Cxk+Duk其中k代表k时刻，k-1代表相对于k时刻的上一时刻，F为状态矩阵，G为输入矩阵，C为输出矩阵，D为直接传输矩阵，uk为系统输入矩阵，F、G、C、D和uk的形式根据待测器件RC模型的不同而不同，Tk为k时刻结温，xk和xk-1分别为k及k-1时刻的热功率矩阵；步骤四，在k＝0时刻，根据待测器件所受电应力计算，获得热功率矩阵初始值根据测量精度要求确定误差协方差初始值当误差分布不确定时，误差分布采用高斯分布；同时假设电学法测量过程中，引入的过程噪声的协方差为Q，通过多次测量工作条件下半导体器件(1)电应力，依据步骤一中建立的温度-电流-电压校温曲面确定温度，获得温度值，通过统计多次测量结果确定噪声增益矩阵H；则得到预测阶段的状态方程为： x k - = Fx k - 1 + + Gu k ]]> T k - = Cx k - + Du k ]]> P k - = FP k - 1 + F T + H Q H ]]>其中F、G、C、D和uk含义如前文所述，为k时刻的热功率矩阵预测值，为上一时刻的热功率矩阵，代入初始值获得k时刻的热功率矩阵预测值结温预测值及误差协方差步骤五，将半导体器件接入工作电路，施加电应力，使半导体器件进入工作状态，此时使用半导体校温曲线测量装置测量半导体器件两端电压-电流值，与步骤一中的校温曲面进行对比，即获得半导体器件结温Tk作为观测值；步骤六，根据步骤二中的状态空间方程，建立校准阶段方程如下： e k = T ...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭春生，苏雅，廖之恒，冯士维，朱慧，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11