基于IGBT模塊飽和壓降溫度特性的結(jié)溫探測研究*

姚 芳,王少杰,李志剛

(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,天津 300130)

基于IGBT模塊飽和壓降溫度特性的結(jié)溫探測研究*

姚 芳,王少杰*,李志剛

(河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院,天津 300130)

實驗室條件下,IGBT模塊的結(jié)溫探測是瞬態(tài)熱阻抗測試的關(guān)鍵。首先分別在熱穩(wěn)態(tài)和熱瞬態(tài)下證明了飽和壓降溫度特性只與芯片有關(guān),然后建立了IGBT模塊結(jié)溫探測模型,利用飽和壓降值和集電極電流值來計算結(jié)溫值,并將用模型計算出的結(jié)溫與光纖實測的結(jié)溫相比較,吻合性良好,證明了模型計算法能夠準確探測結(jié)溫。該方法可以用于恒流加熱過程中瞬態(tài)熱阻抗的測量,比起熱敏參數(shù)法中冷卻過程測量瞬態(tài)熱阻抗相比,更具有實際意義。

IGBT;結(jié)溫探測;溫度特性;飽和壓降

絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)是一種將雙極型晶體管和功率場效應(yīng)管結(jié)合起來的電力電子器件,同時具有二者易于控制,通態(tài)壓降小,熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點,在電力、工業(yè)、交通運輸、新能源系統(tǒng)等等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-3]。

電力電子器件的結(jié)溫嚴重影響著其工作可靠性,結(jié)溫過高與結(jié)溫波動過大都會對電力電子器件的性能造成影響,因此,獲取電力電子器件的結(jié)溫對其優(yōu)化設(shè)計、可靠性分析、壽命預(yù)測等具有重要作用。目前,IGBT模塊結(jié)溫獲取方法主要分為兩類,一類為模擬仿真方法,另一類為實際探測法。仿真方法主要有兩種,一種是基于電熱耦合模型進行仿真[4-5],另一種是基于FEM數(shù)值計算法進行仿真[6-8]。探測法主要有熱傳感器法、紅外熱探測法和熱敏參數(shù)法[9-10]。以上獲取結(jié)溫的方法各有優(yōu)缺點,側(cè)重點各有不同,但沒有一種方法可以對工作狀態(tài)下IGBT模塊的結(jié)溫進行準確測量。

本文對IGBT模塊的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行分析,得出了IGBT模塊飽和壓降的溫度特性主要受內(nèi)部物理參數(shù)影響,只與芯片有關(guān),與其他外部條件無關(guān)的結(jié)論。為了驗證此結(jié)論,本文分別在熱穩(wěn)態(tài)下利用大電流單脈沖的方法,在熱瞬態(tài)下利用結(jié)溫的光纖探測法證明了飽和壓降溫度特性只與芯片有關(guān),進而提出了一種通過測量飽和壓降以及集電極電流探測IGBT結(jié)溫的方法,并基于該方法探測了IGBT模塊的瞬態(tài)熱阻抗。

1 IGBT模塊飽和壓降溫度特性分析

IGBT的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,其本質(zhì)上是一個由MOSFET驅(qū)動的BJT管,因此結(jié)構(gòu)與MOSFET十分相似,差別僅在于它是P+襯底,而MOSFET是N+襯底。由圖1可以看出每個IGBT的元胞都可以看成是PNP型晶體管和N溝道型MOSFET的復(fù)合結(jié)構(gòu),如果要IGBT導(dǎo)通,在IGBT的柵極和發(fā)射極之間加一個高于閾值電壓VT的正向偏壓VG,就會在MOS柵下形成n溝道,n溝道具有很高的電導(dǎo)率,電子流向集電極,在集電極端的pn結(jié)產(chǎn)生正向電壓,空穴從集電極p層注入到低摻雜的中間層。注入的空穴導(dǎo)致荷電載流子濃度的增加,所增加的載流子濃度降低了中間層的電阻,并引起了中間層的電導(dǎo)率調(diào)制效應(yīng),此時IGBT的正向電流對柵極偏壓不再敏感[11-12]。

圖1 IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下電子和空穴電流

IGBT的飽和壓降為在門極電壓驅(qū)動下IGBT工作于飽和區(qū)時,IGBT集電極(C)與發(fā)射極(E)之間的電壓。由IGBT的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可知,IGBT的正向飽和壓降由兩部分組成,即二極管壓降和MOS溝道壓降。P-i-N二極管的壓降呈現(xiàn)負溫度系數(shù)的電阻特性,而MOS溝道電阻隨溫度的升高而增大,因此溝道壓降隨溫度的升高而升高。這使得IGBT的正向壓降在不同的正向電流下呈現(xiàn)不同的溫度特性。當電流較小時,溝道壓降影響較小,IGBT的正向伏安特性與P-i-N二極管相似,具有負溫度系數(shù),而當電流較大時,溝道壓降起主要作用,IGBT的正向壓降具有正溫度系數(shù),特別是在某一個電流值時,兩種溫度特性相互抵消,正向壓降表現(xiàn)為與溫度無關(guān)的特性。因此,IGBT的正向飽和壓降與溫度的關(guān)系只與芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)和集電極電流有關(guān),與封裝結(jié)構(gòu)等無關(guān)。

2 IGBT模塊飽和壓降溫度特性的測試

2.1 熱穩(wěn)態(tài)下飽和壓降的溫度特性測試

在一定的溫度范圍內(nèi),IGBT芯片的正向飽和壓降與結(jié)溫之間存在著可近似視為線性的關(guān)系,這種線性關(guān)系在向IGBT芯片通入毫安極小電流的條件下已經(jīng)被證實,而在安培級的大電流條件下由于芯片自身的產(chǎn)熱情況,結(jié)溫不易被測量,因此未被證實。向IGBT模塊通入單脈沖的大電流,由于大電流導(dǎo)通時間很短,認為IGBT芯片基本不產(chǎn)熱,結(jié)溫不變化,以此方法來驗證安培級大電流條件下正向飽和壓降與溫度之間的關(guān)系。

選用額定1500 V/75 A的IGBT模塊,將模塊放入控溫箱中,VGE施加正15 V電壓,保持IGBT處于常通態(tài),將控溫箱溫度設(shè)定到一定值并加熱較長時間,從而保證內(nèi)部芯片溫度與設(shè)定溫度一致,改變控溫箱溫度即可改變IGBT芯片結(jié)溫。分別給IGBT通入毫安級的小電流以及安培級的大電流單脈沖,在保證器件自身不產(chǎn)熱的情況下測量飽和壓降VCE,即可找出VCE與結(jié)溫之間的關(guān)系,實驗電路如圖2所示。

圖2 熱穩(wěn)態(tài)下飽和壓降溫度特性測試電路

圖4 單脈沖大電流下IGBT正向飽和壓降與溫度的關(guān)系

將控溫箱的溫度從-20 ℃到100 ℃每10 ℃設(shè)置為一檔,單脈沖小電流以及安培級大電流的測量結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 小電流下IGBT正向飽和壓降與溫度的關(guān)系

由圖3、圖4可以看出,在IGBT模塊處于熱穩(wěn)態(tài)時,芯片的正向飽和壓降在各個電流等級下均與結(jié)溫有良好的線性關(guān)系。設(shè)熱穩(wěn)態(tài)下飽和壓降的溫度特性方程為:VCES=VCES0+αTj,則大電流時VCES0、α與集電極電流IC的關(guān)系如圖5所示。

圖5(a)中擬合得到的關(guān)系式為:

(1)

圖5(b)中擬合得到的關(guān)系式為:

(2)

式(1)與式(2)擬合的回歸系數(shù)R2均在0.9以上,可見擬合方程的相似度非常好。

圖5 熱穩(wěn)態(tài)下飽和壓降溫度特性方程參數(shù)與集電極電流關(guān)系圖

2.2 熱瞬態(tài)下飽和壓降的溫度特性測試

熱瞬態(tài)下飽和壓降的溫度特性測試關(guān)鍵是對與結(jié)溫的準確測量,本文采用熱傳感器法測量芯片結(jié)溫。區(qū)別于傳統(tǒng)的使用熱電阻或熱電偶的熱傳感器法,本文采用光纖作為熱傳感器。由于大功率的IGBT工作時芯片上承受的電壓、電流都很大,同時還有緊密排布的鍵和引線,可供貼接的面積很小,傳統(tǒng)的熱傳感器體積較大,為了避免短路,只能將傳感器盡量靠近芯片四周布設(shè),從而會帶來較大的測量誤差。光纖溫度傳感器體積很小而且精確度高,可以將傳感器直接放置在IGBT芯片溫度最高的位置,并且,為了不對模塊產(chǎn)生任何損傷,可以利用硅凝膠灌封技術(shù)對IGBT模塊進行特殊處理,避免封裝打開對測溫精度的影響。

熱瞬態(tài)下飽和電壓溫度特性測試原理電路如圖6所示。圖中I為恒流源,提供加熱電流,電壓表與IGBT集射極并聯(lián),用于測量集射極電壓,IGBT柵射極接正15 V電壓,處于常通態(tài)。

圖6 熱瞬態(tài)下飽和壓降溫度特性測試電路

改變加熱電流IC,檢測正向飽和壓降VCE與結(jié)溫的變化。不同電流下飽和壓降VCE與結(jié)溫的關(guān)系如圖7所示。由于電流過小時溫度上升緩慢,且正向飽和壓降較小,不易測量準確,因此熱瞬態(tài)的測量設(shè)置初始加熱電流IC為20 A,每增加10 A測量一次,最大加熱電流為70 A。

圖7 熱瞬態(tài)下IGBT正向飽和壓降與溫度的關(guān)系

圖8 熱瞬態(tài)下飽和壓降溫度特性方程參數(shù)與集電極電流關(guān)系圖

由圖7可以看出,在熱瞬態(tài)下飽和壓降VCE與結(jié)溫仍有良好的線性關(guān)系。設(shè)熱瞬態(tài)下飽和壓降的溫度特性方程為:VCET=VCET0+βTj,將式(1)、式(2)與熱瞬態(tài)下的VCET0、β的相比較如圖8所示。

由圖8可以看出,式(1)、式(2)與熱瞬態(tài)下的VCET0、β吻合度良好,回歸系數(shù)R2也均在0.9以上。這說明IGBT的飽和壓降VCE的溫度特性只與芯片有關(guān),而與IGBT所處狀態(tài)無關(guān)。

3 IGBT模塊飽和壓降溫度特性應(yīng)用

由IGBT模塊飽和壓降的溫度特性可知,得到某一模塊的集電極電流IC與正向飽和壓降VCE便可確定在此電流和飽和壓降下的結(jié)溫,因此,飽和壓降的溫度特性可以應(yīng)用于IGBT結(jié)溫獲取技術(shù)。

不同集電極電流下IGBT模塊飽和壓降與結(jié)溫的關(guān)系如圖4所示。由圖4可以看出在任何電流下,飽和壓降均與結(jié)溫有著良好的線性關(guān)系,根據(jù)IGBT模塊的伏安特性可知,在任何溫度下伏安特性均具有明顯的非線性特征,且與結(jié)溫有關(guān),如圖9所示。

圖9 不同結(jié)溫下IGBT模塊的伏安特性曲線

由圖4和圖9可以看出,IGBT模塊的飽和壓降、結(jié)溫和集電極電流三者的關(guān)系可以用VCE=f(Tj,IC)來表示,且設(shè)定用一次函數(shù)表示VCE與Tj的線性關(guān)系,用二次函數(shù)表示VCE與IC的非線性關(guān)系,則三者的關(guān)系式為:

(3)

利用圖4及圖9的數(shù)據(jù)進行擬合,得到的系數(shù)矩陣如下:

(4)

擬合后的函數(shù)值與測量值產(chǎn)生的絕對誤差小于50 mV,相對誤差小于0.05,誤差較小,均在測量誤差范圍內(nèi)。集電極電流較小時擬合誤差較大,是因為電流較小時的飽和壓降值較小,難以測量準確,誤差稍大,此后誤差分布均勻,均為測量誤差,說明擬合函數(shù)有較高的準確性。

由式(3)及式(4)可得結(jié)溫Tj的探測模型為:

(5)

利用圖6所示的熱瞬態(tài)下飽和壓降溫度特性測試電路,通入30A加熱大電流,采集到的VCE波形如圖10所示。由于在30A大電流下IGBT模塊升溫明顯,且飽和壓降VCE與結(jié)溫Tj成正線性相關(guān),因此VCE成上升趨勢,且逐漸趨于一個穩(wěn)定值。

圖10 30 A大電流加熱過程IGBT飽和壓降變化

根據(jù)式(5)利用測得的飽和壓降值和電流值逐點計算得到結(jié)溫值;在測試的過程中利用光纖采集結(jié)溫,與計算到的結(jié)溫值對比如圖11所示。

圖11 測量結(jié)溫與計算結(jié)溫對比圖

圖12 瞬態(tài)熱阻抗曲線測量值與查表值對比圖

由圖11可以看出,用結(jié)溫探測模型探測得到的結(jié)溫值與用光纖測溫法測得的結(jié)溫值基本一致,說明利用電熱關(guān)系模型能夠準確獲取器件結(jié)溫。

利用結(jié)溫探測模型可以測得結(jié)溫,在熱瞬態(tài)測試電路中用熱電偶測量IGBT模塊工作過程中的殼溫TC,則能夠測量IGBT模塊升溫過程中的瞬態(tài)熱阻抗曲線,瞬態(tài)熱阻抗Zth(j-c)為:

(6)

式中:P為IGBT模塊在加熱過程輸入的平均功率。用圖11所示的結(jié)溫值根據(jù)式(6)計算瞬態(tài)熱阻抗,結(jié)果如圖12所示。

國標中建議使用熱敏參數(shù)法測量瞬態(tài)熱阻抗,但是熱敏參數(shù)法必須在小電流下測量,因此只能探測降溫過程中的瞬態(tài)熱阻抗,而利用結(jié)溫探測模型可以測量升溫過程中的瞬態(tài)熱阻抗,比降溫過程更具有實際意義。

4 結(jié)論

本文先對IGBT模塊的結(jié)構(gòu)進行分析,得到IGBT模塊正向飽和壓降只與集電極電流和結(jié)溫有關(guān)的結(jié)論,分別在熱穩(wěn)態(tài)和熱瞬態(tài)兩種情況下證明了該結(jié)論的正確性。然后建立了IGBT模塊的電熱關(guān)系模型,進而得到結(jié)溫探測模型,將用該模型計算得到的結(jié)溫與光纖法測得的結(jié)溫相比較,證明了該方法獲取結(jié)溫的準確性,并利用該方法探測了升溫過程中IGBT模塊的瞬態(tài)熱阻抗曲線。工況下建立相應(yīng)型號的IGBT模塊的結(jié)溫探測模型,利用集電極電流和飽和壓降的數(shù)值可以快速準確地探測IGBT模塊的結(jié)溫,進而計算瞬態(tài)熱阻抗曲線,為解決工況下結(jié)溫不易測量的問題提供了借鑒。

[1] Yang S,Bryant A T,Mawby P A,et al. An Industry-Based Survey of Reliability in Power Electronic Converters[J]. IEEE Transaction on Industry Applications,2011,4(3):1441-1451.

[2] 米偉,閆英敏. 功率IGBT模塊可靠性研究[J]. 電子器件,2015,38(1):27-31.

[3] Enrico Zio,Francesco Di Maio. A Data-Driven Fuzzy Approach for Predicting the Remaining Useful Life in Dynamic Failure Scenarios of an Uclear System[J]. Reliability Engineering and System Safety,2010,95(1):49-57.

[4] 陳明,胡安,唐勇. 絕緣柵雙極型晶體管脈沖工作時結(jié)溫特性及溫度分布研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報,2012,46(4):70-76.

[5] 王倩,鐘傳杰. IGBT二維溫度分布及熱穩(wěn)定因子的研究[J]. 電子器件,2008,31(6):1772-1775.

[6] 陳明,胡安,唐勇. IGBT結(jié)溫及溫度場分布探測研究[J]. 電力電子技術(shù),2011,45(7):130-132.

[7] Ghodke N,Kumbhakarna D,Nakanekar S,et al. Fatigue Life Prediction for Solder Interconnects in IGBT Modules by Using the Successive Initiation Method[C]//Thermal and Thermomechanical Phenomena in Electronic Systems(ITherm),IEEE,2014:598-604.

[8] 汪波,胡安,唐勇. 基于電熱模型的IGBT結(jié)溫預(yù)測與失效分析[J]. 電機與控制學(xué)報,2012,16(8):87-93.

[9] 陳明,胡安. IGBT結(jié)溫模擬和探測方法對比研究[J]. 電機與控制學(xué)報,2011,15(12):44-49,55.

[10] Ghimire,Pramod,Pedersen,et al. A Real Time Measurement of Junction Temperature Variation in High Power IGBT Modules for Wind Power Converter Application[C]//Integrated Power Systems(CIPS),IEEE,2014(8):1-6.

[11] 唐勇,汪波,陳明. IGBT開關(guān)瞬態(tài)的溫度特性與電熱仿真模型[J]. 電工技術(shù)學(xué)報,2012,27(12):146-153.

[12] 孫俊忠,劉賓禮. 基于IGBT芯片疲勞機理的關(guān)斷時間可靠性模型[J]. 電力電子技術(shù),2014,48(11):73-76.

Junction Temperature Detection Research of IGBT Module Based on Temperature Characteristic of Saturation Voltage Drop*

YAOFang,WANGShaojie*,LIZhigang

(School of Electrical Engineering,Hebei University of Technology,Tianjin 300130,China)

The junction temperature detection of IGBT is the key to the transient thermal impedance test under laboratory condition. First,to prove the saturation voltage drop temperature characteristic is only related to the chip under the thermal steady state and the thermal transient state respectively. Then to establish the junction temperature detection model of IGBT only uses the saturation voltage drop values and the collector current values to detect junction temperature values. Compared the calculated junction temperature with measured junction temperature using optical fiber,two kinds of temperature coincide very well,it is proved that the calculated method can accurately detect the junction temperature. The calculated method can be used in measuring transient thermal impedance in the heating process of constant current. Compared with the thermal parameter method measuring in the cooling process the method has more significance in practice.

IGBT;junction temperature detection;temperature characteristic;saturation voltage drop

項目來源:國家科技支撐計劃項目(2015BAA09B01);國家自然科學(xué)基金項目(51377044);河北省科技計劃項目(13214303D,14214503D)

2016-03-21 修改日期:2016-04-29

C:2560R

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.02.006

TN32

A

1005-9490(2017)02-0291-05