计算半导体器件的频率与电流关系的方法和装置制造方法及图纸

本申请公开了一种计算半导体器件的频率与电流关系的方法和装置，半导体器件包括多个分层，计算半导体器件的频率与电流的方法包括：获取半导体器件的基础参数；基于热扩散角原理根据基础参数计算半导体器件的结壳稳态热阻，以及根据基础参数获得半导体器件的总功耗的表达式，表达式是结温、工作频率和集电极电流的函数；根据总功耗的表达式、结壳稳态热阻，利用一组预设的工作频率和集电极电流进行迭代计算，获得半导体器件的结温；在一组预设的工作频率和集电极电流当中，确定与获得的结温相对应的工作频率和集电极电流。

Method and device for calculating relationship between frequency and current of semiconductor device

The present application discloses a method and device for calculating the relationship between the frequency and current of a semiconductor device. The semiconductor device consists of multiple layers. The methods for calculating the frequency and current of a semiconductor device include obtaining the basic parameters of the semiconductor device; based on the principle of thermal diffusion angle, the stability of a semiconductor device is calculated on the basis of basic parameters. State thermal resistance, and the expression of the total power consumption of semiconductor devices based on the basic parameters. The expression is the function of the junction temperature, the working frequency and the collector current. According to the expression of the total power consumption and the steady thermal resistance of the shell, a set of preset working frequencies and collector current is used to iteratively calculate the junction of the semiconductor devices. Temperature; in a set of preset operating frequency and collector current, determine the operating frequency and collector current corresponding to the junction temperature obtained.

【技术实现步骤摘要】
计算半导体器件的频率与电流关系的方法和装置
本公开涉及半导体领域，更具体地，涉及一种计算半导体器件的频率与电流关系的方法和装置，其主要适用于TO封装系列。
技术介绍
功率半导体器件被广泛地应用在电子设备中，例如在功放电路中作为放大晶体管或者在电源电路中作为开关晶体管。功率半导体器件包括双极型晶体管(BipolarJunctionTransistor,BJT)、金属氧化物半导体晶体管(MOSFET)和绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等。IGBT兼具MOSFET的高输入阻抗，以及BJT的载流能力，可简化栅极驱动要求，同时增强导通状态性能。它具有低饱和电压、大电流密度、高阻断能力和高达100kHz的频率范围等优点，故能迅速取代较低功率应用中的BJT，以及较高功率应用中的栅极夹断流硅控整流体(GateTurn-offThyristor,GTO)。随着现代电子产品不断向轻、薄、短、小的趋势发展，作为半导体分立器件中的一个重要组成部分，晶体管外形封装(TransistorOut-line，TO)IGBT产品的功率也逐渐增大，这就对TO封装IGBT产品的热管理提出了新的挑战。TO封装IGBT产品主要应用在变频器领域，发热源为TO封装内部的IGBT芯片，IGBT芯片产生的热损耗与芯片的温度、工作频率以及集电极的电流有关，而一般应用规格会规定IGBT芯片的最高结温不允许超过175℃，最大的集电极电流不允许超过额定电流的3倍，因此，在这两个条件的限制下，不同工作频率会对应一个最大的集电极电流，可以绘制出一条工作频率与最大集电极电流的关系曲线，让用户了解该TO封装IGBT产品在不同的工作频率下，输出的最大集电极电流是多少，以供实际使用中参考，以避免用户使用的集电极电流过大，而导致芯片温度超出175℃，从而导致产品的寿命降低，甚至很快失效。在现有技术中，工作频率与集电极电流的关系曲线的测试具有较大的难度，且实测不仅需要花费人力物力，且测试耗时较长，不利于产品开发的进行，因此，就亟待一种可以自动计算工作频率与集电极电流关系曲线的仿真系统，该仿真系统提供可参数化输入的窗体，用户可以手动选择相应TO封装的类型，并输入相关参数。仿真系统的后台根据这些用户所选择以及输入的参数，来计算在不同壳温TC(casetemperature，TC)条件下，任意TO封装IGBT产品的工作频率与集电极电流关系曲线，以供用户使用参考。
技术实现思路
有鉴于此，本公开提供了一种计算半导体器件的频率与电流的方法和装置，可以根据所获取的半导体器件的基础参数，自动计算工作频率与最大集电极电流的关系曲线。根据本专利技术的一方面，提供一种计算半导体器件的频率与电流关系的方法，所述半导体器件包括多个分层，其特征在于，所述方法包括：获取所述半导体器件的基础参数；基于热扩散角原理根据所述基础参数计算所述半导体器件的结壳稳态热阻，以及根据所述基础参数获得所述半导体器件的总功耗的表达式，所述表达式是结温、工作频率和集电极电流的函数；根据所述总功耗的表达式与所述结壳稳态热阻，利用一组预设的工作频率和集电极电流进行迭代计算，获得所述半导体器件的结温；在所述一组预设的工作频率和集电极电流当中，确定与所述获得的结温相对应的工作频率和集电极电流。优选地，所述基础参数包括测试数据；所述根据所述基础参数获得所述半导体器件的总功耗的表达式包括：计算所述测试数据的拟合参数；根据所述拟合参数与所述基础参数获得所述半导体器件的导通功耗Pcon的表达式；根据所述拟合参数与所述基础参数获得所述半导体器件的开关功耗Psw的表达式；根据以下等式获得所述半导体器件的总功耗Ptot的表达式：Ptot＝Pcon+Psw其中Pcon表示所述半导体器件的导通功耗，Psw表示所述半导体器件的开关功耗，Ptot表示所述半导体器件的总功耗。优选地，所述测试数据包括：第一测试数据，所述第一测试数据包括所述半导体器件在不同测试结温和不同测试集电极电流下的饱和压降；以及第二测试数据，所述第二测试数据包括所述半导体器件在不同测试集电极电流下的总开关能量损耗。优选地，所述计算所述测试数据的拟合参数包括：对所述第一测试数据进行两次线性拟合，得到第一拟合参数，对所述第二测试数据进行二次多项式拟合，得到第二拟合参数。优选地，所述对所述第一测试数据进行两次线性拟合包括：按照Vcesat＝k*Tj'+b对所述第一测试数据进行线性拟合，得到多个测试集电极电流曲线及其斜率k和截距b，其中，Vcesat表示所述饱和压降，Tj’表示所述测试结温；按照以下等式对全部所述测试集电极电流曲线的斜率k和截距b进行线性拟合，得到斜率k的曲线和截距b的曲线及其对应的作为所述第一拟合参数的Vce_k1、Vce_k2、Vce_b1以及Vce_b2：k＝Vce_k1*Ic'+Vce_k2b＝Vce_b1*Ic'+Vce_b2其中，Ic’表示所述测试集电极电流。优选地，所述基础参数包括占空比与输入波形；所述输入波形为方波；所述根据所述拟合参数与所述基础参数获得所述半导体器件的导通功耗表达式包括：通过以下等式获得所述半导体器件的导通功耗Pcon的表达式：Pcon＝D*Ic*VecsatVcesat＝(Vce_k1*Ic+Vce_k2)*Tj+Vce_b1*Ic+Vce_b2其中，D表示所述占空比，Ic表示所述集电极电流，Tj表示所述结温，Vce_k1、Vce_k2、Vce_b1以及Vce_b2表示所述第一拟合参数。优选地，所述对所述第二测试数据进行二次多项式拟合包括：按照Est＝Est_a*Ic'2+Est_b*Ic'+Est_c对所述第二测试数据进行二次多项式拟合，得到测试集电极电流曲线及其作为所述第二拟合参数的Est_a、Est_b以及Est_c，其中，Est表示所述总开关能量损耗，Ic’表示所述测试集电极电流。优选地，所述所述基础参数包括；所述输入波形为方波；所述根据所述拟合参数获得所述半导体器件的开关功耗表达式包括：通过以下等式获得所述半导体器件的开关功耗Psw的表达式：Est＝Est_a*Ic2+Est_b*Ic+Est_c其中，fsw表示所述工作频率,Est表示所述总开关能量损耗，g表示预设值，Tj表示所述结温，Tj，max表示预设的最大结温，Ic表示所述集电极电流，Est_a、Est_b以及Est_c表示所述第二拟合参数。优选地，所述基础参数包括频率上限与额定电流；所述根据所述总功耗的表达式、所述结壳稳态热阻，利用一组预设的工作频率和集电极电流进行迭代计算，获得所述半导体器件的结温包括：根据所述频率上限获得一组预设的工作频率；根据所述额定电流获得一组预设的集电极电流；根据所述一组预设的工作频率、所述一组预设的集电极电流、所述总功耗的表达式以及所述结壳稳态热阻进行迭代计算获得所述半导体器件的结温。优选地，所述根据所述频率上限获得一组预设的工作频率包括：在所述频率上限与预设的频率下限范围内选取一组离散值。优选地，所述根据所述额定电流获得一组预设的集电极电流包括：以所述额定电流的预设倍数作为集电极电流的上限；在预设的集电极电流下限与所述集电极电流的上限范围内选取一组离散值。优选地，所述根据所述总功耗的表达式、所述结壳稳态热阻，利用一组预设的工作频率和集电极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种计算半导体器件的频率与电流关系的方法，所述半导体器件包括多个分层，其特征在于，所述方法包括：获取所述半导体器件的基础参数；基于热扩散角原理根据所述基础参数计算所述半导体器件的结壳稳态热阻，以及根据所述基础参数获得所述半导体器件的总功耗的表达式，所述表达式是结温、工作频率和集电极电流的函数；根据所述总功耗的表达式与所述结壳稳态热阻，利用一组预设的工作频率和集电极电流进行迭代计算，获得所述半导体器件的结温；在所述一组预设的工作频率和集电极电流当中，确定与所述获得的结温相对应的工作频率和集电极电流。

【技术特征摘要】
1.一种计算半导体器件的频率与电流关系的方法，所述半导体器件包括多个分层，其特征在于，所述方法包括：获取所述半导体器件的基础参数；基于热扩散角原理根据所述基础参数计算所述半导体器件的结壳稳态热阻，以及根据所述基础参数获得所述半导体器件的总功耗的表达式，所述表达式是结温、工作频率和集电极电流的函数；根据所述总功耗的表达式与所述结壳稳态热阻，利用一组预设的工作频率和集电极电流进行迭代计算，获得所述半导体器件的结温；在所述一组预设的工作频率和集电极电流当中，确定与所述获得的结温相对应的工作频率和集电极电流。2.根据权利要求1所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述基础参数包括测试数据；所述根据所述基础参数获得所述半导体器件的总功耗的表达式包括：计算所述测试数据的拟合参数；根据所述拟合参数与所述基础参数获得所述半导体器件的导通功耗Pcon的表达式；根据所述拟合参数与所述基础参数获得所述半导体器件的开关功耗Psw的表达式；根据以下等式获得所述半导体器件的总功耗Ptot的表达式：Ptot＝Pcon+Psw其中Pcon表示所述半导体器件的导通功耗，Psw表示所述半导体器件的开关功耗，Ptot表示所述半导体器件的总功耗。3.根据权利要求2所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述测试数据包括：第一测试数据，所述第一测试数据包括所述半导体器件在不同测试结温和不同测试集电极电流下的饱和压降；以及第二测试数据，所述第二测试数据包括所述半导体器件在不同测试集电极电流下的总开关能量损耗。4.根据权利要求3所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述计算所述测试数据的拟合参数包括：对所述第一测试数据进行两次线性拟合，得到第一拟合参数，对所述第二测试数据进行二次多项式拟合，得到第二拟合参数。5.根据权利要求4所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述对所述第一测试数据进行两次线性拟合包括：按照Vcesat＝k*Tj'+b对所述第一测试数据进行线性拟合，得到多个测试集电极电流曲线及其斜率k和截距b，其中，Vcesat表示所述饱和压降，Tj’表示所述测试结温；按照以下等式对全部所述测试集电极电流曲线的斜率k和截距b进行线性拟合，得到斜率k的曲线和截距b的曲线及其对应的作为所述第一拟合参数的Vce_k1、Vce_k2、Vce_b1以及Vce_b2：k＝Vce_k1*Ic'+Vce_k2b＝Vce_b1*Ic'+Vce_b2其中，Ic’表示所述测试集电极电流。6.根据权利要求5所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述基础参数包括占空比与输入波形；所述输入波形为方波；所述根据所述拟合参数与所述基础参数获得所述半导体器件的导通功耗表达式包括：通过以下等式获得所述半导体器件的导通功耗Pcon的表达式：Pcon＝D*Ic*VecsatVcesat＝(Vce_k1*Ic+Vce_k2)*Tj+Vce_b1*Ic+Vce_b2其中，D表示所述占空比，Ic表示所述集电极电流，Tj表示所述结温，Vce_k1、Vce_k2、Vce_b1以及Vce_b2表示所述第一拟合参数。7.根据权利要求4所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述对所述第二测试数据进行二次多项式拟合包括：按照Est＝Est_a*Ic'2+Est_b*Ic'+Est_c对所述第二测试数据进行二次多项式拟合，得到测试集电极电流曲线及其作为所述第二拟合参数的Est_a、Est_b以及Est_c，其中，Est表示所述总开关能量损耗，Ic’表示所述测试集电极电流。8.根据权利要求7所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述基础参数包括输入波形；所述输入波形为方波；所述根据所述基础参数与所述拟合参数获得所述半导体器件的开关功耗表达式包括：通过以下等式获得所述半导体器件的开关功耗Psw的表达式：Est＝Est_a*Ic2+Est_b*Ic+Est_c其中，fsw表示所述工作频率,Est表示所述总开关能量损耗，g表示预设值，Tj表示所述结温，Tj，max表示预设的最大结温，Ic表示所述集电极电流，Est_a、Est_b以及Est_c表示所述第二拟合参数。9.根据权利要求1所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述基础参数包括频率上限与额定电流；所述根据所述总功耗的表达式、所述结壳稳态热阻，利用一组预设的工作频率和集电极电流进行迭代计算，获得所述半导体器件的结温包括：根据所述频率上限获得一组预设的工作频率；根据所述额定电流获得一组预设的集电极电流；根据所述一组预设的工作频率、所述一组预设的集电极电流、所述总功耗的表达式以及所述结壳稳态热阻进行迭代计算获得所述半导体器件的结温。10.根据权利要求9所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述根据所述频率上限获得一组预设的工作频率包括：在所述频率上限与预设的频率下限范围内选取一组离散值。11.根据权利要求9所述的计算半导体器件的频率与电流关系的方法，其特征在于，所述根据所述额定电流获得一组预设的集电极电流包括：以所述额定电流的预设倍数作为集电极电流的上限；在预设的集电极电流下限与所述集电极电流的上限范...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁嘉隆，柯攀，胡一峰，韩健，
申请(专利权)人：杭州士兰集成电路有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33