[发明专利]一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法。具体涉及一种用于分析和评估功率VMOS管退化失效、可靠性以及寿命的方法。属于功率半导体器件安全测试技术领域。

背景技术

功率半导体器件在航空机载电子设备、振动系统的功率放大器中，在机车牵引、风力发电、交流电机调速、光伏发电等功率变换领域中都发挥着不可替代的作用。由于功率器件通常在高压、大电流、高温、高频等高应力的环境中工作，使得其寿命及可靠性问题显得尤为突出。功率器件的寿命及可靠性问题，成为使用中的一个亟待解决的技术瓶颈。它的失效会造成严重的后果。

现有技术经常采用以下可靠性设计方法：

1.冗余设计：通过多管并联的方式可以显著增大允许通过的最大电流，避免由于某一个器件的失效导致系统无法运行。功率器件从单管发展到双管，应用中四管并联或八管并联，都是冗余设计的表现，大大增加其驱动的功率。

2.热设计热分析技术：通过对电路进行热设计，选用恰当的散热措施可以有效避免安全工作区内器件因为过热发生失效，从而发挥出器件的功率水平。热分析技术的广泛应用，使电路的热设计更加精确合理。

3.降额设计：通过使器件所受应力低于额定值，也是提高器件工作可靠性的一种途径。

4.过载保护：过压或过流均会损坏器件，在应用中会用辅助电路加以保护。

尽管功率器件应用中采用上述措施，仍然时有失效发生。开关式功放的输出级工作在开关状态，驱动的负载是感性成分占主要作用的负载，输出级功率晶体管上电流、电压的突变非常大，承受着很高的尖峰电压和脉冲电流，电路设计的安全余量小，基本可靠度也较低。实际应用中，烧保险、阻尼电阻爆裂、VMOSFET击穿爆裂，无输出、输出异常、台体结构、动圈损伤等故障时有发生。因此，为了更好地避免失效引起的故障和经济损失，最好能够判断其大致失效时间并提前维修更换。

发明内容

为了解决功率VMOS管在各种设备中的寿命及可靠性问题，本发明提供一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，它克服了现有技术的不足。

VMOS功率场效应晶体管特性的不稳定性和退化，主要是阈值电压漂移引起的。VMOS功率器件在负荷条件下工作时，管芯常处于高温(125℃～175℃)和电压偏置的状态中，氧化层中的Na+可以在氧化层中移动，引起界面电荷积累和表面电荷扩展效应，并导致阈值电压发生漂移；表面电导效应与表面电化学腐蚀也会造成阈值电压漂移失效。

本发明一种评估功率VMOS管寿命以及可靠性的分析方法，该方法具体包括以下步骤：

步骤一、将功率VMOS管建模并且建立H桥仿真电路。具体实现过程是：步骤一.1：选取某一种型号的功率VMOS管并根据其数据手册datasheet中各项参数建模；步骤一.2：建立H桥仿真电路核心部分(H桥)；步骤一.3：添加外围器件得到具有使能控制和方向逻辑的H桥电路。

步骤二、H桥电路的无故障仿真。具体实现过程是：步骤二.1：搭建三角波发生电路；步骤二.2：用三角波比较法产生PWM波形，调制的波形进行电平移位；步骤二.3：经过电平移位的PWM波接往高速光耦HCPL2601，实现隔离放大，再通过MOSFET驱动器mic4420对电平再进行放大，得到输出低电平为0，高电平为+12V的PWM波形，作为控制功率VMOS管的信号输入；步骤二.4：功率VMOS管组成半桥变换器，其后接负载。

步骤三、H桥电路阈值电压退化仿真。具体实现过程是：步骤三.1：分析失效功率VMOS管的失效原因：栅极阈值电压漂移使得电流和功率存在不规则峰值，产生两桥臂VMOS管瞬态共同导通；步骤三.2：对H桥电路的瞬态共同导通故障进行仿真和分析，监测栅源电压，分析计算功率VMOS管参数的退化和可靠性寿命。

步骤四、综合分析得出实际应用中的结论。

其中，步骤一.1所述的“选取某一种型号的功率VMOS管并根据其数据手册datasheet中各项参数建模”的具体实现过程是：获取功率VMOS管数据手册datasheet中的参数信息，并将参数信息按照电路仿真工具的要求输入到仿真工具模型参数栏中，建立对应的VMOS管模型；