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          基于热敏参数的IGBT模块结温工程测试方法

          来源: 作者: 发布日期:2020-09-13 09:34:31

           IGBT器件因为其优良的工作特性而被广泛应用于新能源电机控制器领域,但由于开关损耗比较大以及工作环境的影响,一定会带来散热问题,从而引起结温升高。由于IGBT电特性与可靠性等都与其工作结温直接相关,结温过高可能会引起IGBT失效,因此准确获取结温对于IGBT的工作性能和可靠性都具有重要意义。本文基于常用的结温测试方法,总结出一种简单可行并相对准确的热敏参数工程测试方法。

           
          1 常用的结温测试方法
          因为IGBT芯片在模块内部,难以直接测量,也不易直接接触,国内外关于IGBT芯片的结温测试方法有很多研究,这也是近年来半导体器件的研究热点与难点之一。现有的IGBT模块内部芯片的结温检测技术可大致分为如下三种方法:热敏参数法、热成像法和热电偶法。
           
          1.1 热敏参数法
          因为半导体器件内部物理参数与温度有着一一对应的关系,因此半导体材料受温度影响的特性将会使得IGBT功率器件的工作电气特性呈现单调变化的趋势,热敏参数法就是利用了半导体器件电气参数随温度变化而变化的特性。在不同的工况下,IGBT芯片的结温会发生变化,使得对应的电气参数也发生变化。热敏参数法就是通过测量IGBT的电气参数,从而逆向评估IGBT芯片的结温。热敏参数法测试IGBT结温时,一般有两个状态:工作状态和测量状态。测试过程中,将IGBT从工作状态向测量状态切换时,需要快速的切断大电流;转而将测试小电流加到器件上,从而获取此时的结电压来确定相应的结温。但是测试设备在切换的过程中会因为转换延迟而导致zui初的一段时间的测试数据不准确。如果我们不做任何处理直接使用测试数据,必然会导致zui终的结温偏差较大。
           
          1.2 热成像法
          红外热成像仪能够全局检测IGBT晶圆的温度分布。在用红外热成像仪测试之前,需要将待测IGBT做特殊处理。将IGBT模块的封装盖板打开,刮掉晶圆表面的透明硅脂;然后需要将IGBT晶圆表面涂黑,因为这样可以增加辐射系数,从而提高温度测试的准确度。热成像法的优点是zui高结温和热阻非常准确,可用于校验其他测试方法的准确性。但是需要破坏器件,将IGBT模块拆开,特制IGBT黑模块,热成像法测试系统比较复杂,而且成本昂贵,在工程应用中并不多见。
           
          1.3 热电偶法
          热电偶法是通过直接与IGBT模块的芯片接触而获取结温的方法。热电偶法测量时对模块具有一定的破坏性,测量温度仅能反应热电偶附近的温度,不能获取整个IGBT芯片的温度,而且热电偶与芯片直接接触,也会导致测量结果与真实结温偏差较大。相比之下,热敏参数法无需破坏器件结构且无需附加设备,具有更好的可操作性和适用性,需要解决的问题就是工作状态到测量状态转换阶段的暂态噪声问题。
           
          2 英飞凌IGBT的热阻测试方法
          英飞凌测试IGBT热阻使用的测试设备是热瞬态测试仪T3Ster。T3Ster主要用于测试电子器件的热特性。国际固态技术协会JEDEC在标准JESD51-1中定义了静态测试法与动态测试法。核心思想是通过改变半导体器件的输入功率,使器件产生温度变化,T3Ster能够实时采集器件瞬态温度响应曲线,从而得到电子器件的热特性。
           热瞬态测试界面法
          热瞬态测试界面法具有很高的准确性和可重复性,通过这种高重复性的方法,可以方便地比较各种器件的结壳热阻,而且这种方法同样适用于热界面材料的热特性表征(见图1)。
           
          非常好次测量时直接将器件直接接触到散热器上;第二次测量时在器件和散热器之间添加导热胶。由于两次散热路径的改变仅仅发生在器件封装壳之外,因此结构函数上两次测量的分界处就代表了外界环境的变化对器件热阻的影响。从右边的测试结果看出,半导体器件是否加导热胶在zui初的一段时间里,对热阻几乎没有影响。在IGBT器件手册中,供应商都会基于某一个测试条件,给定IGBT的热阻zui大值。而我们要获取的是在不同工况下,或者我们的应用条件下IGBT的热阻。通过热瞬态测试界面法的分析可知,对于同一个IGBT,无论散热条件怎么变化,在zui初的某一段时间里,IGBT的热阻曲线都是重合的。在热敏参数法中由工作状态到测量状态切换过程中会引起噪声,导致测试结果不准确,如图2所示。但是通过热瞬态测试界面法的分析可知,在t0时刻的热阻不随外界环境变化而变化。因此可以直接从t0时刻以后开始做数据处理,数据处理完成后,直接加上
          t0时刻的热阻即可。
          工作状态到测量状态切换过程中的噪声
          3 基于热敏参数Vce的IGBT模块结温工程测试方法
          基于Vce的IGBT模块结温工程测试方法是参考IEC60747中IGBT的结温测试方法,测试时选用的是英飞凌汽车级IGBT模块HPDrive系列FS820R08A6P2B(见图2)。
           
          非常好步:确定小测量电流I C1 下V CE 与结温的温度系数α VCE将被测IGBT放置在加热器上,分别加热到T 1 和T 2 ,且达到热平衡。在温度T 1 ,对应测量小电流I C1 的电压为V CE1 。在温度T 2 ,对应的电压为V CE2 。温度系数α VCE 为:
           
           
          基于FS820R08A6P2B IGBT模块W相上管,对IGBT芯片和二极管芯片在小测量电流下VCE随结温的变化曲线。
           
          第二步:测量IGBT的热阻和结温将被测IGBT固定在壳体上。测量IGBT壳温为T c1 。当温度T c1时,测量电流I C1 产生的电压为V CE3 。接通开关S,大电流I C2 流通。当达到热平衡时,壳温T C =Tc2,且V CE =V CE4 。这时,切断IC2 ,且紧接着测量对应I C1 的集电极-发射极电压V CE5 。则在该瞬间有:
           
          在切断加热大电流时,在起始阶段不可避免的会受到电子干扰,因而使得开始时刻短时间内测得的信号无效。从双界面法的测试结果看,在很短的一段时间里,热阻不受外界条件影响,所以我们在初始时刻的很短一段时间里(5ms)采用了英飞凌数据手册中的热阻测试结果(见图5)。
          小测量电流IC1下VCE随管壳温度TC
          4 热成像法测试验证
          为了验证上述基于热敏参数Vce的IGBT模块结温工程测试方法的准确性,我们选择用热成像法在相同的外界条件下验证测试结果的准确性。
           
          热成像法需要定制IGBT黑模块,我们使用的是英飞凌的黑模块,不需要再对IGBT模块做处理。测试过程中,需要先通测试电流,并监测Vce的电压,然后直注入大电流,对IGBT芯片加热,用热成像仪实时检测IGBT芯片的温度,直到IGBT芯片的温度稳定(见图6)。
           
          从红外热成像仪的温度分布云图中可以捕捉IGBT芯片zui热点的温度,由Vce的电压和加热电流可以计算损耗,从而获取IGBT的热阻。
           
          5 结论
          通过基于热敏参数的IGBT模块结温的工程测试方法和热成像法的测试结果可知,两种测试方法的热阻差异非常小,结温的偏差量在5℃以内,可以满足工程应用的需求(见图7)。
           
          在后期的项目中,可以根据使用条件,用基于热敏参数的IGBT模块结温工程测试方法快速、准确、低廉的测试IGBT的热阻及结温,从而更有效更安全的使用IGBT器件。

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