IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時延與結(jié)溫的關(guān)系

方化潮 鄭利兵 王春雷 方光榮 韓 立

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IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時延與結(jié)溫的關(guān)系

方化潮1,2鄭利兵2王春雷1,2方光榮2韓 立2

（1. 中國科學(xué)院大學(xué)信息學(xué)院 北京 100190 2. 中國科學(xué)院電工研究所 北京 100180）

通過對IGBT模塊柵極電壓米勒平臺的時延與結(jié)溫j的關(guān)系進行研究，首先從理論角度分析了米勒平臺時延溫度特性；其次設(shè)計了穩(wěn)定可靠的米勒時延測量系統(tǒng)實現(xiàn)柵極米勒平臺時間延遲的精確測量；最后，在一定條件（恒定電壓、恒定電流）下對米勒平臺的時延與結(jié)溫的關(guān)系進行了實驗驗證。理論與實驗均證實，米勒平臺的時間延遲隨結(jié)溫的變化而變化，且二者呈現(xiàn)非常好的線性比例關(guān)系，結(jié)溫j每升高1℃，柵極電壓米勒平臺時間延長0.74ns左右。

IGBT 柵極電壓 米勒平臺 溫度特性

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模塊是一種由多個IGBT芯片和功率二極管芯片、陶瓷覆銅基板（direct bonding copper substarte）、散熱底板、焊接層、鍵合引線及功率端子組成的電力電子集成模塊，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在新能源發(fā)電、軌道交通、航空航天、高壓直流輸電等眾多領(lǐng)域中。IGBT模塊運行的可靠性直接關(guān)系到電網(wǎng)及機車運行等的穩(wěn)定安全性能。然而由于IGBT模塊在實際應(yīng)用場合中需要承受反復(fù)的高電壓大電流，而IGBT模塊內(nèi)部各種材料熱膨脹系數(shù)不匹配導(dǎo)致的疲勞失效問題越來越突出。反復(fù)的功率循環(huán)或溫度循環(huán)會在鍵合線與芯片表面，焊接層與芯片底面產(chǎn)生反復(fù)的熱應(yīng)力，將會導(dǎo)致鍵合線裂紋擴展甚至剝離，焊接層也會出現(xiàn)裂紋增長及空洞擴展[1-4]，從而導(dǎo)致IGBT模塊導(dǎo)通電阻和結(jié)殼熱阻增加，甚至?xí)a(chǎn)生過熱使得IGBT模塊失效[5-9]。因此對于IGBT模塊可靠性監(jiān)測是非常必要的。

IGBT及其互連結(jié)構(gòu)均封裝在模塊內(nèi)部，很難直接獲得封裝模塊內(nèi)部的封裝失效信息。根據(jù)課題組前期的研究發(fā)現(xiàn)[10-13]，焊接層和鍵合線失效會影響IGBT模塊的溫度分布。因此結(jié)溫與IGBT模塊封裝失效存在一定的關(guān)系，進而利用一定條件下IGBT模塊結(jié)溫j的變化來間接反映模塊內(nèi)部的失效便成為一種可行的方法[14]，如圖1所示。

圖1 IGBT模塊封裝缺陷對電氣特性的影響機理

目前測量結(jié)溫的方法主要有物理接觸法、光學(xué)法、熱網(wǎng)絡(luò)法和溫敏參數(shù)法[15-18]。物理接觸法簡單直接，但響應(yīng)時間長，易受封裝材料如硅膠的影響，且需要改變模塊內(nèi)部的空間布局。光學(xué)法為非接觸測量法，空間分辨率高，可反映芯片表面二維溫度分布，但必須有光學(xué)接觸，不適用全封模塊，且光學(xué)設(shè)備價格昂貴。熱網(wǎng)絡(luò)法也無需直接測量，簡單方便，但焊接層的老化會對模塊的熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)有影響，造成測量的不準(zhǔn)確。溫敏參數(shù)法則是利用IGBT許多電氣特性中的溫度敏感性，通過建立IGBT端特性與結(jié)溫的關(guān)系來實現(xiàn)IGBT結(jié)溫的測量。該方法為非接觸式測量，適合于全封裝模塊，反應(yīng)靈敏，多數(shù)可實現(xiàn)在線測量。

因此通過研究IGBT端部特性與結(jié)溫的相關(guān)性，便可以利用該端部的溫度特性測量結(jié)溫，進而實現(xiàn)IGBT模塊失效的在線監(jiān)測。在IGBT端部特性中，柵極電壓米勒平臺也可作為其中之一，如圖2所示。在實際應(yīng)用中，由于集電極多為感性負(fù)載，因柵漏極電容gc的存在，使IGBT柵極電壓在開關(guān)期間有一小段明顯平臺，即柵極電壓恒定，這種現(xiàn)象稱為米勒效應(yīng)。

圖2 IGBT關(guān)斷時的柵極電壓米勒平臺

因為IGBT芯片的硅半導(dǎo)體參數(shù)（如本征載流子濃度、空穴電子遷移率和載流子壽命等）隨結(jié)溫的變化而變化，進而會引起IGBT模塊的端部電氣特性參數(shù)（如柵極電壓）的變化[16]。因此柵極電壓米勒平臺的時間延遲與結(jié)溫存在一定的相關(guān)性，但二者對應(yīng)的定量關(guān)系還不清楚，因此研究IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時延與結(jié)溫的定量關(guān)系對于IGBT模塊的失效監(jiān)測有著重要的意義。

基于此，本文首先從理論上分析了米勒時延與結(jié)溫的關(guān)系，然后設(shè)計并實現(xiàn)了柵極電壓米勒平臺時間延遲的精確測量系統(tǒng)，最后利用所設(shè)計的測量系統(tǒng)對IGBT模塊柵極電壓的溫度特性進行了實驗研究。

1 米勒平臺時延特性理論分析模型

米勒時延理論分析模型[16,18]為

其中

g,int=（3）

式中，g為門極電阻；gc為門極集電極電容；dc為直流電壓；ce(sat)為飽和壓降；m為轉(zhuǎn)移阻抗；T為閾值電壓；g,ext為柵極外電阻；g,int為柵極內(nèi)電阻；為柵極內(nèi)電阻與載流子遷移率的比例系數(shù)；ns為載流子遷移率；dep為耗盡層電容；oxd為交疊氧化層電容，B為基區(qū)摻雜濃度；BR為阻斷電壓；si為硅介電常數(shù)；為電荷量；為器件的有效面積；ox為單位柵極交疊氧化層電容；gs為源極電壓；ds為漏極與源極間電壓；g為禁帶寬度；pnp為共基極電流增益；T為閾值電壓；為閾值電壓線性系數(shù)；o為初始溫度；j為結(jié)溫；qnb為準(zhǔn)中性基區(qū)壓降；pn為N+緩沖層與N-基區(qū)結(jié)的電壓降；ch為MOS溝道壓降。

由上述公式不難發(fā)現(xiàn)，米勒時延公式中的門極集電極電容即米勒電容gc、門極內(nèi)電阻g,int、飽和壓降ce(sat)、轉(zhuǎn)移阻抗m及閾值電壓T均與結(jié)溫j存在一定的關(guān)系，故而米勒時延m與結(jié)溫存在一定的關(guān)系。同時模型參數(shù)文中均采用文獻中已有經(jīng)驗公式及參數(shù)，在Matlab中求解上述公式得到米勒時延m與結(jié)溫j的關(guān)系如圖3所示。

圖3 米勒時延tm與結(jié)溫Tj的關(guān)系仿真曲線

由圖3可知，米勒時延與結(jié)溫呈近似線性關(guān)系，將仿真曲線進行最小二乘擬合，得到簡化的米勒時延與結(jié)溫的關(guān)系表達式為

m=0.707j+843.9 （12）

其擬合優(yōu)度2=0.999，因此從仿真結(jié)果分析來看，柵極電壓米勒平臺的時延與結(jié)溫呈線性關(guān)系，且線性度非常好。

柵極米勒平臺時延的這一溫度特性為進一步測量IGBT模塊的結(jié)溫提供了可行性。為了驗證理論分析結(jié)果的正確性，本文設(shè)計了如下米勒時延精確測量系統(tǒng)。

2 米勒平臺時延測量系統(tǒng)

2.1 測量原理

1）信號轉(zhuǎn)換

米勒時延測量原理如圖4所示。根據(jù)柵極電壓的三階段特性，可以利用微分電路將柵極電壓米勒平臺的前后沿轉(zhuǎn)換為兩個微分脈沖，再通過對微分脈沖進行整形，利用數(shù)字測量技術(shù)測量兩個脈沖之間的時間間隔，也就得到了米勒平臺的時間延遲大小。

圖4 米勒時延測量原理

2）數(shù)字測量

傳統(tǒng)測量脈沖時間間隔的方法為脈沖填充法，其測量誤差為

D=（13）

式中，r為參考頻率，其測量精度取決于參考頻率大小，但太高的參考頻率易導(dǎo)致電路的不穩(wěn)定。

本文采用了一種擴展的脈沖填充測量法即數(shù)字移相技術(shù)[19,20]或延遲線技術(shù)來測量雙脈沖之間的時間間隔，其原理如圖5所示。該方法利用一個由延遲單元構(gòu)成的延遲鏈，將參考頻率順序延遲-1次，產(chǎn)生規(guī)律性相位順延的個參考頻率信號，個參考頻率信號正好構(gòu)成一個周期，然后在同一計數(shù)閘門下對其分別計數(shù)，其測量誤差為

D=（14）

圖5 基于數(shù)字移相技術(shù)測量時間間隔的原理

式中，為計數(shù)個數(shù)；r為參考頻率，從而在不提高系統(tǒng)參考頻率的前提下提高測量精度。若上升沿和下降沿同時計數(shù)，其誤差進一步降低為原來的1/2，誤差為

D=（15）

因此若要達到1ns的時間分辨率，采用該方法，移動相位4次，同時對上、下沿計數(shù)，其參考頻率只需r=125MHz，若移相次數(shù)更多，參考頻率進一步提高，時間測量精度將會進一步提高。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計

測量系統(tǒng)分為主控單元、驅(qū)動單元、信號調(diào)理單元、測量單元、顯示單元及上位機單元五部分，如圖6所示，其中：

圖6 參數(shù)在線測量系統(tǒng)原理

（1）主控單元：負(fù)責(zé)IGBT模塊的驅(qū)動信號產(chǎn)生、采集控制和數(shù)據(jù)讀取、LCD顯示及與上位機軟件通信。

（2）信號調(diào)理單元：將IGBT模塊的柵極驅(qū)動電壓信號提取出所需的米勒平臺信號，并將該信號調(diào)理成與嵌入式數(shù)字測量系統(tǒng)相匹配的電平脈沖信號，并將結(jié)溫信號通過熱電偶轉(zhuǎn)換成電壓信號，由AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。

（3）測量單元：負(fù)責(zé)對調(diào)理后的米勒雙脈沖信號進行數(shù)字計數(shù)測量。采用可編程器件FPGA實現(xiàn)，利用FPGA內(nèi)部PLL模塊產(chǎn)生移相的時鐘信號，并將各路移相時鐘信號送入各個計數(shù)器分別對閘門信號計數(shù)。

（4）顯示單元：將測量結(jié)果實時顯示到LCD液晶屏上。

（5）上位機軟件單元：與主控單元通信，發(fā)送控制命令，接收測量數(shù)據(jù)并將實時曲線顯示在界面上。

2.3 電路設(shè)計中的關(guān)鍵問題

米勒平臺脈沖提取電路原理如圖7所示，電阻3與電容1組成微分環(huán)節(jié)，將得到所需的微分雙脈沖，必須選取適當(dāng)?shù)奈⒎謪?shù)，通過示波器測量可知，米勒時間延遲在1ms左右，故取時間常數(shù)為該時間常數(shù)的十分之一，即100ns，則m=31=100ns。

圖7 米勒平臺脈沖提取電路原理

采用Linear公司LT1711比較器組成比較環(huán)節(jié)，同時在比較器輸出與正端之間接入一電阻6，組成回滯比較器的形式以增強對噪聲抗干擾性，回滯電壓幅值為

由式（16）可知，當(dāng)6=50kW時，回滯電壓約為100mV。

噪聲的抑制，噪聲幅度過大會導(dǎo)致誤觸發(fā)，產(chǎn)生噪聲電平，直接影響測量結(jié)果。為消除噪聲的影響，通過設(shè)計濾波電路，PCB合理布局減少電磁干擾，采用線性電源供電等方法，提高測量的準(zhǔn)確性與可靠性。

對所述微分電路從1kHz～10GHz進行幅頻特性分析，結(jié)果如圖8所示，可知，加入濾波電路后，微分脈沖中的高頻噪聲得到抑制，實驗測試結(jié)果也驗證了這一結(jié)論。

（a）微分電路幅頻特性

（b）IGBT關(guān)斷瞬態(tài)柵極電壓與源漏極電壓波形

（c）沒有濾波電路時的微分脈沖

（d）采用濾波措施后的微分脈沖

圖8 微分脈沖濾波電路結(jié)果

Fig.8 The results of filter circuit of differential pulse

對FPGA內(nèi)部關(guān)鍵的信號線（如時鐘信號線）進行均勻布線設(shè)計，盡量減小相位差。同時盡量縮短高頻信號線的長度，減小電流回路面積，從而降低電磁噪聲干擾。

數(shù)字計量方法的準(zhǔn)確度，計量算法本身誤差、器件信號傳遞的延遲誤差等對測量結(jié)果的準(zhǔn)確度有著重要的影響。對路移相計數(shù)值設(shè)置誤差閾值，若路移相計數(shù)值的誤差超出了所設(shè)置的誤差閾值，則認(rèn)為計數(shù)值無效，同時進行多組測量并取平均值以保證計數(shù)測量的準(zhǔn)確性。

3 實驗測量結(jié)果

3.1 測量系統(tǒng)測量精度驗證

米勒平臺時延是在開關(guān)過程時產(chǎn)生的，與IGBT模塊的驅(qū)動開關(guān)頻率沒有明顯的關(guān)系，只需保證IGBT模塊工作在開關(guān)狀態(tài)即可，驅(qū)動頻率可以選擇IGBT模塊開關(guān)頻率段內(nèi)的任一頻率點，本文中選擇驅(qū)動頻率=1Hz。

為驗證米勒平臺時延測量系統(tǒng)的精度，在c= 5A，ce(on)=1V，=1Hz，=0.5，j=26℃的條件下，利用所設(shè)計的測量，如圖9所示的系統(tǒng)實驗裝置，對IGBT模塊的柵極電壓米勒平臺時延進行測量并與示波器測量結(jié)果進行對比。

圖9 測量系統(tǒng)實驗裝置

米勒平臺時延的測量和實驗結(jié)果如圖10所示。由圖10可見，經(jīng)過電路濾波優(yōu)化設(shè)計后，微分電路輸出的米勒平臺微分脈沖噪聲較低，米勒平臺整形后也未見電平跳變噪聲脈沖，較好地去除了電路中的噪聲干擾，保證了后序數(shù)字測量結(jié)果的信號穩(wěn)定性。由圖10a示波器中游標(biāo)測量結(jié)果可知，米勒雙脈沖之間時間間隔為860ns。

（a）米勒平臺時延示波器測量結(jié)果

（b）米勒平臺提取電路波形轉(zhuǎn)換實驗結(jié)果

圖10 米勒平臺時延的測量和實驗結(jié)果

Fig.10 The time delay of Miller plateau measured and experiment waveforms

米勒平臺提取電路波形轉(zhuǎn)換結(jié)果如圖10b所示，柵極電壓ge微分脈沖與閾值電壓通過比較器進行比較，當(dāng)ge微分脈沖高于閾值電壓時，ge輸出低電平信號；當(dāng)ge微分脈沖低于閾值電壓時，比較器輸出跳變?yōu)楦唠娖叫盘?。因此?dāng)閾值電壓低于微分雙脈沖間的峰值而高于雙脈沖的谷值時，便可得到如圖10所示的較為平整的雙脈沖方波信號。

由表1可知，測量系統(tǒng)的測量結(jié)果為861.3ns，標(biāo)準(zhǔn)差為1.13ns，與示波器測量結(jié)果吻合，誤差為0.15%，達到了預(yù)期的準(zhǔn)確度要求，所設(shè)計的系統(tǒng)具有較好的噪聲抗干擾性，系統(tǒng)測量結(jié)果穩(wěn)定可靠，為接下來進行溫度對米勒時間延遲影響的定量分析提供了條件。

表1 米勒平臺測量系統(tǒng)測量結(jié)果

Tab.1 The results of Miller plateau time delay measured by experimental setup

3.2 米勒平臺時間延遲與結(jié)溫關(guān)系實驗結(jié)果

在同樣條件（c=5A，ce(on)=1V，=1Hz，=0.5）下，通過加熱臺將IGBT模塊逐漸升溫，同時將熱電偶固定在IGBT芯片表面以實時測量IGBT芯片結(jié)溫j，在不同結(jié)溫j下對米勒平臺時延進行了測量，所得結(jié)果見表2。

表2 不同結(jié)溫j下米勒時延測量結(jié)果

Tab.2 The results of Miller plateau time delay at different junction temperature

圖11為米勒時延與結(jié)溫的擬合關(guān)系曲線。由圖11可知，經(jīng)最小二乘法擬合得到擬合直線關(guān)系式為

m=0.73987j+841.1 （17）

圖11 米勒時延與結(jié)溫的擬合關(guān)系曲線

擬合曲線優(yōu)度2=0.999 72?？梢娒桌諘r延隨著結(jié)溫的變化而變化，且與結(jié)溫呈現(xiàn)非常好的線性關(guān)系，與前述理論分析結(jié)果相吻合。本例中結(jié)溫j每升高1℃，柵極米勒電壓平臺的時間延遲就會延長0.74ns。

4 結(jié)論

本文首先設(shè)計并實現(xiàn)了IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時間延遲的測量系統(tǒng)，通過多種抗噪聲干擾設(shè)計極大提高了系統(tǒng)的抗噪聲干擾性能，提高了系統(tǒng)的測量穩(wěn)定性與可靠性。通過引入基于移相的數(shù)字時間測量方法，在不提高系統(tǒng)工作頻率的情況下極大提高了系統(tǒng)的測量準(zhǔn)確度。所設(shè)計的米勒時延測量系統(tǒng)能夠達到將近1ns的準(zhǔn)確度。

其次在一定的條件（電壓、電流恒定）下，對米勒時延與結(jié)溫的關(guān)系進行了理論仿真和實驗研究。仿真和實驗結(jié)果均表明，米勒時延隨結(jié)溫的變化而變化，且二者存在著非常好的線性關(guān)系。本文中，結(jié)溫每升高1℃，米勒平臺時間延長0.74ns左右，研究結(jié)果為進一步進行基于米勒平臺的IGBT模塊的失效監(jiān)測提供了重要的理論與數(shù)據(jù)依據(jù)。

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The Relationship Between Junction Temperature and Time Delay of Gate Voltage Miller Plateau of IGBT Module

1,221,222

（1. School of Information University of Chinese Academy of Science Beijing 100190 China 2. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science Beijing 100180 China）

The relationship between time delay of gate voltage Miller plateau on insulated gate bipolar transistor (IGBT) module and junction temperature has been researched in this paper. Firstly, the temperature characteristic of Miller plateau time delay has been analyzed. Secondly, a measurement system of gate voltage Miller plateau has been set up, which could measure the delay time of Miller plateau accurately and reliably. Finally, experiments verify the temperature characteristic of Miller plateau time delay. Both the simulation and the experimental results show that the time delay of Miller plateau varies with the junction temperature, which has a good linear relationship. In this paper, the time delay of Miller plateau increases 0.74 ns as the junction temperature increases 1℃.

Insulated gate bipolar transistor, gate voltage, Miller plateau, temperature characteristic

TM930.17

方化潮 男，1986年生，博士研究生，主要研究方向為電力電子器件封裝及在線監(jiān)測技術(shù)。

E-mail: fanghuachao@mail.iee.ac.cn

鄭利兵 男，1972年生，副研究員，碩士生導(dǎo)師，主要研究方向為電力電子器件封裝技術(shù)。

E-mail: ieezlb@mail.iee.ac.cn（通信作者）

2014-08-10 改稿日期 2014-09-03

國家重大科技專項02專項：智能電網(wǎng)高壓芯片封裝與模塊技術(shù)研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化資助項目（2011ZX02603）。