功率半导体器件是各类电力电子装备的核心器件,实现了电气化系统的高效率运转。随着电力电子技术的快速发展,各类电力电子行业对功率半导体器件可靠性的要求不断提高。功率循环测试可以通过模拟器件实际应用的结温波动过程,通过一定程度的加速老化以提前暴露器件封装的薄弱点,被认为是考核功率半导体器件封装可靠性最重要的测试。在功率循环试验中,结温是非常重要的状态变量,结温的准确测量对于保证试验结果的准确性和公正性具有重要意义。然而随着现代功率器件朝着高电压等级和高功率密度的方向不断发展,芯片中的温度分布也越来越不均匀,呈现出明显的横向温度梯度和纵向温度梯度,对功率器件可靠性提出了严峻挑战,也为可靠性研究带来一系列的问题。相比单一数值的平均结温,获得芯片温度分布特性可以为功率器件可靠性分析提供更多的信息。因此,本文将从场论分析的角度来表征芯片的热学特性,在功率循环试验中开展芯片温度分布特性的实验测量方法研究,为发展新的可靠性分析理论以及建立物理寿命模型奠定量测基础。首先,研究了高压大功率器件的温度系数校准方法,为后续应用温敏电参数法进行结温测量奠定了基础。校准数据采集方面,理论分析了温度系数校准曲线出现非线性的不同影响因素,揭示了高压器件基区电阻导致校准曲线在高温区出现非线性的机制,提出了全温度范围内采集并进行多项式拟合的新型方法。校准装置方面,提出了热传导替代热对流、分布式热源替代集中式热源的解决思路,设计了一种基于电磁加热方式的恒温装置,相比传统恒温箱和电阻加热板,极大的提高了校准效率和精度,降低了校准成本和难度;特别地,结合双面散热型器件的封装结构特点,设计了双面加热方式的恒温装置,通过有限元仿真分析和实验验证证实了该方法的有效性和准确性。其次,研究了功率循环试验中的不同温敏电参数法的实现方法及其物理意义表征,提出了 IGBT芯片纵向温度梯度测量的组合电参数法。提出了小电流下PN结压降法和阈值电压法在不同功率器件进行结温测量的实现方法,包括二极管、IGBT和MOSFET,不同于二极管和IGBT的单一导通模式,MOSFET拥有三种导通模式,不同模式下的结温测量电路和控制方式也不同。基于理论分析和实验验证揭示了 VCE（T）法和Vth（T）法测得结温在纵向温度分布上的物理意义,前者主要反映集电极侧PN结处的温度信息,近似为集电极表面的温度信息,后者主要反映发射极侧沟道区的温度信息,近似为发射极表面的温度信息,并结合两种方法提出了 IGBT芯片纵向温度梯度的电学测量方法。然后,研究了不同温度分布下VCE（T）法测得虚拟结温和芯片平均温度的差异特征,揭示了虚拟结温对芯片横向温度分布上的平均机制。利用单芯片表面温度分布的强对称性,提出了一种可以去除键合线影响的芯片表面平均温度提取方法,相比传统积分方法,提高了红外热成像法提取芯片表面平均温度的效率和精度。建立了考虑温度分布特性的二极管并联模型,提出了可在电路仿真软件中实现对虚拟结温的仿真的“电路仿真法”;进一步地,提出了可更好与有限元仿真软件相结合的“数值计算法”,克服了“电路仿真法”难以兼容仿真精度和仿真难度的难题,实现了快速计算不同温度分布状态下的虚拟结温。通过实验测量和仿真计算对比了不同温度分布下虚拟结温和芯片平均温度的差异,结果表明了任何情况下VCE（T）法测得虚拟结温都高于芯片表面平均温度,并发现了两者偏差本质上是和温度梯度呈现正相关。计算了不同测量电流下的虚拟结温,打破了虚拟结温是一个定值的传统认知,确定了其随测量电流的减小而增大的特性,基于测量电流分布计算结果解释了其物理原因,同时揭示了虚拟结温的平均机制,并设计了等效实验对结论进行了充分论证。最后,研究了基于VCE（T）法的芯片横向温度分布特性测量方法,包括单芯片上和多芯片之间的温度分布,并以此视角分析了器件的热学特性。利用同一温度分布下不同测量电流测得的虚拟结温不同的特性,提出了用于单芯片上温度分布测量的多电流VCE（T）法,制定了合理的测量电流注入策略,保证了注入时刻温度分布的等效性,通过轮流注入不同测量电流下进行虚拟结温测量,然后构建非线性方程组进行数值求解即可完成。为了减少求解变量的维度,引入了温度分布函数来表征单芯片温度分布,极大的降低了测量难度和提高了求解精度。应用时序VCE（T）法完成了多芯片压接型IGBT器件的温度分布测量,结果表明了边缘芯片的结温比中心芯片高,预测了压接型IGBT器件的结到壳热阻与负载电流有关,提出了双面散热条件下同时测量两侧结到壳热阻值的测量方法,证实了预测结果,并建立了热力双向耦合有限元模型揭示了器件电极变形翘曲导致内部热流路径的变化是这一现象的影响机制。