[發明專利]一種評估功率VMOS管壽命以及可靠性的分析方法

無效

• 申請號: 201210044604.7
• 申請日: 2012-02-23
• 公開（公告）號: CN102590726A
• 公開（公告）日: 2012-07-18
• 發明（設計）人: 王香芬;付桂翠;高成;黃姣英
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及一種評估功率VMOS管壽命以及可靠性的分析方法。具體涉及一種用于分析和評估功率VMOS管退化失效、可靠性以及壽命的方法。屬于功率半導體器件安全測試技術領域。

背景技術

功率半導體器件在航空機載電子設備、振動系統的功率放大器中，在機車牽引、風力發電、交流電機調速、光伏發電等功率變換領域中都發揮著不可替代的作用。由于功率器件通常在高壓、大電流、高溫、高頻等高應力的環境中工作，使得其壽命及可靠性問題顯得尤為突出。功率器件的壽命及可靠性問題，成為使用中的一個亟待解決的技術瓶頸。它的失效會造成嚴重的后果。

現有技術經常采用以下可靠性設計方法：

1.冗余設計：通過多管并聯的方式可以顯著增大允許通過的最大電流，避免由于某一個器件的失效導致系統無法運行。功率器件從單管發展到雙管，應用中四管并聯或八管并聯，都是冗余設計的表現，大大增加其驅動的功率。

2.熱設計熱分析技術：通過對電路進行熱設計，選用恰當的散熱措施可以有效避免安全工作區內器件因為過熱發生失效，從而發揮出器件的功率水平。熱分析技術的廣泛應用，使電路的熱設計更加精確合理。

3.降額設計：通過使器件所受應力低于額定值，也是提高器件工作可靠性的一種途徑。

4.過載保護：過壓或過流均會損壞器件，在應用中會用輔助電路加以保護。

盡管功率器件應用中采用上述措施，仍然時有失效發生。開關式功放的輸出級工作在開關狀態，驅動的負載是感性成分占主要作用的負載，輸出級功率晶體管上電流、電壓的突變非常大，承受著很高的尖峰電壓和脈沖電流，電路設計的安全余量小，基本可靠度也較低。實際應用中，燒保險、阻尼電阻爆裂、VMOSFET擊穿爆裂，無輸出、輸出異常、臺體結構、動圈損傷等故障時有發生。因此，為了更好地避免失效引起的故障和經濟損失，最好能夠判斷其大致失效時間并提前維修更換。

發明內容

為了解決功率VMOS管在各種設備中的壽命及可靠性問題，本發明提供一種評估功率VMOS管壽命以及可靠性的分析方法，它克服了現有技術的不足。

VMOS功率場效應晶體管特性的不穩定性和退化，主要是閾值電壓漂移引起的。VMOS功率器件在負荷條件下工作時，管芯常處于高溫(125℃～175℃)和電壓偏置的狀態中，氧化層中的Na+可以在氧化層中移動，引起界面電荷積累和表面電荷擴展效應，并導致閾值電壓發生漂移；表面電導效應與表面電化學腐蝕也會造成閾值電壓漂移失效。

本發明一種評估功率VMOS管壽命以及可靠性的分析方法，該方法具體包括以下步驟：

步驟一、將功率VMOS管建模并且建立H橋仿真電路。具體實現過程是：步驟一.1：選取某一種型號的功率VMOS管并根據其數據手冊datasheet中各項參數建模；步驟一.2：建立H橋仿真電路核心部分(H橋)；步驟一.3：添加外圍器件得到具有使能控制和方向邏輯的H橋電路。

步驟二、H橋電路的無故障仿真。具體實現過程是：步驟二.1：搭建三角波發生電路；步驟二.2：用三角波比較法產生PWM波形，調制的波形進行電平移位；步驟二.3：經過電平移位的PWM波接往高速光耦HCPL2601，實現隔離放大，再通過MOSFET驅動器mic4420對電平再進行放大，得到輸出低電平為0，高電平為+12V的PWM波形，作為控制功率VMOS管的信號輸入；步驟二.4：功率VMOS管組成半橋變換器，其后接負載。

步驟三、H橋電路閾值電壓退化仿真。具體實現過程是：步驟三.1：分析失效功率VMOS管的失效原因：柵極閾值電壓漂移使得電流和功率存在不規則峰值，產生兩橋臂VMOS管瞬態共同導通；步驟三.2：對H橋電路的瞬態共同導通故障進行仿真和分析，監測柵源電壓，分析計算功率VMOS管參數的退化和可靠性壽命。

步驟四、綜合分析得出實際應用中的結論。

其中，步驟一.1所述的“選取某一種型號的功率VMOS管并根據其數據手冊datasheet中各項參數建模”的具體實現過程是：獲取功率VMOS管數據手冊datasheet中的參數信息，并將參數信息按照電路仿真工具的要求輸入到仿真工具模型參數欄中，建立對應的VMOS管模型；