功率半導(dǎo)體器件熱阻抗自動化測試及其控制策略

劉 波，朱 曄，楊云霄，馬 柯

（上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

根據(jù)工業(yè)電力電子變換器可靠性問卷調(diào)查[1]，功率半導(dǎo)體器件是電力電子系統(tǒng)最易受損的部件之一，過熱導(dǎo)致的熱失效是功率半導(dǎo)體器件失效的主要原因之一[2-4]。因而分析電力電子系統(tǒng)中半導(dǎo)體器件的熱行為，并在此基礎(chǔ)上優(yōu)化散熱設(shè)計具有重要意義。其中，如何高效、準(zhǔn)確、可重復(fù)地提取功率半導(dǎo)體器件熱阻抗是需要解決的關(guān)鍵問題。

當(dāng)前國內(nèi)外對于功率半導(dǎo)體器件熱阻抗測試通常通過器件自身加熱或恒溫箱輔助加熱達到溫度穩(wěn)定[5-8]，再通過測試數(shù)據(jù)確定加熱電流切斷時刻[9-10]。器件自身加熱或恒溫箱輔助加熱通常需要很長的時間才能達到溫度穩(wěn)定，單次試驗耗時很長，試驗效率較低；加熱電流切斷時刻對熱阻抗曲線動態(tài)部分的結(jié)果影響較大，通過測試數(shù)據(jù)確定切斷時刻的方式，通常精度僅能做到秒級[9-10]，而且提取過程存在較多的人工干預(yù)，容易引入較大誤差。本文在現(xiàn)有器件熱阻抗測試相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提出基于數(shù)字信號處理器DSP（digital signal processor）及溫控散熱器的功率半導(dǎo)體器件熱阻抗自動化測試方法，避免了人工操作導(dǎo)致的誤差，通過溫控散熱器的預(yù)加熱縮短了溫度達到穩(wěn)定的時間，提高了試驗效率。

1 功率半導(dǎo)體器件熱阻抗測量原理

1.1 功率半導(dǎo)體器件熱阻抗定義

功率半導(dǎo)體器件在開關(guān)及導(dǎo)通時會產(chǎn)生損耗，并產(chǎn)生熱能，表現(xiàn)為器件發(fā)熱；器件主要有3 種散熱形式：熱傳導(dǎo)、熱輻射、熱對流。對于電力電子功率器件而言，熱傳導(dǎo)是最主要的散熱形式。熱阻抗即是表征熱傳導(dǎo)的導(dǎo)熱性質(zhì)的參數(shù)，包括熱阻和熱容。定義熱阻抗Zth為傳熱路徑上兩點溫度差除以損耗功率P[11]，即

功率半導(dǎo)體器件熱阻抗通?？傻刃閮煞N電熱比擬模型：Foster 模型及Cauer 模型[12]。圖1 所示為Foster 模型，是連鎖型“數(shù)學(xué)”等效模型，其熱阻抗可用指數(shù)形式表示為

圖1 電熱比擬模型-Foster 模型Fig.1 Electrothermal equivalent model（Foster model）

式中：Rth,v為第v 個熱傳導(dǎo)單元的熱阻；τth,v為第v個熱傳導(dǎo)單元的熱阻抗時間常數(shù)，與這一熱傳導(dǎo)單元的等效熱阻和熱容相關(guān)。

通過本文提出的自動化測試方法測量得到功率半導(dǎo)體器件的動態(tài)熱阻抗曲線，進而按照式（2）進行數(shù)據(jù)擬合，即可提取得到Foster 模型各部分。

1.2 熱阻抗測試的溫度測量要求

由式（1）可知，熱阻抗測試首先需要提取的參數(shù)是器件各部分的溫度，包括：結(jié)溫Tj、殼溫Tc、散熱器溫度Th、環(huán)境溫度Ta。為保證功率半導(dǎo)體器件的熱阻抗測試的準(zhǔn)確性及可重復(fù)性，對于溫度測量方法、測溫點位置及測試流程，應(yīng)符合相關(guān)測量標(biāo)準(zhǔn)的要求。

現(xiàn)行功率半導(dǎo)體器件熱阻抗測試相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)主要是MIL-STD-883G[11]和JESD51[13]系列，對于溫度測量有以下表述：功率半導(dǎo)體器件的結(jié)溫Tj為半導(dǎo)體芯片區(qū)域的最高溫度，若芯片均勻加熱，芯片區(qū)域的最高溫度在芯片表面的中心處[13]；功率半導(dǎo)體器件的殼溫Tc為器件封裝外部可達到的最高溫度，應(yīng)選取在芯片正下方的器件基板表面[11]；散熱器溫度Th目前不同的半導(dǎo)體生產(chǎn)廠家有不同的指定[12]，可選取功率半導(dǎo)體器件與散熱器連接的板跡線長邊中心處[13]或1/3 處[12]進行測量，或者在散熱器上鉆入一個直徑不大于2 mm 的孔進行測量[12]；環(huán)境溫度Ta是指對半導(dǎo)體元件實施冷卻的冷卻介質(zhì)的溫度[13]，通過安裝熱電偶進行測量。

1.3 熱阻抗測試的功率測量及熱阻抗提取

由式（1）可知，測量功率半導(dǎo)體器件熱阻抗曲線的另一個重要參數(shù)是加熱功率，加熱功率是指半導(dǎo)體器件自身發(fā)熱功率，可通過器件的加熱過程提取，亦可通過冷卻過程提取[11,13]。若通過加熱過程提取，在器件溫度不斷上升的過程中，器件的導(dǎo)通壓降、導(dǎo)通損耗等電氣特性會隨溫度變化，很難保證加熱功率Ploss保持恒定。因此，本文選取冷卻過程提取熱阻抗曲線。提取熱阻抗曲線時，為使器件的電氣參數(shù)均達到穩(wěn)態(tài)，需要加熱足夠長的時間，保證溫度達到穩(wěn)態(tài)，這樣即可保證器件發(fā)熱功率Ploss保持恒定。以絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）為例，此時發(fā)熱功率計算為

式中：Vce為IGBT 的集-射極電壓；Ih為通過IGBT流通的加熱電流。

在溫度穩(wěn)定后切斷加熱電流，形成發(fā)熱功率負(fù)階躍。以結(jié)-殼熱阻抗Zth（j-c）為例，將式（1）進行變換，可得

式中，Tj（0）和Tc（0）為切斷時刻前器件的結(jié)溫和殼溫，即穩(wěn)態(tài)時的結(jié)溫和殼溫。在測量并依據(jù)式（3）計算得到切斷加熱電流前穩(wěn)態(tài)發(fā)熱功率Ploss后，即可根據(jù)式（4）計算得到待測器件的熱阻抗動態(tài)曲線。

2 熱阻抗自動化測試系統(tǒng)與流程

2.1 熱阻抗自動化測試的溫度測量實現(xiàn)

依據(jù)熱阻抗測試國際標(biāo)準(zhǔn)MIL-STD-883G[11]和JESD51[13]系列，本文確定溫度測量點分布如圖2 所示。圖中a 為光纖溫度傳感器，b 為虛線部分為功率半導(dǎo)體模塊，c 為功率半導(dǎo)體模塊中的IGBT 芯片，d 為功率半導(dǎo)體模塊基板，e 為導(dǎo)熱硅脂，f 為散熱器。

圖2 熱阻抗測試測溫點分布Fig.2 Distribution of temperature measurement points in thermal impedance test

對于功率半導(dǎo)體器件的結(jié)溫Tj，現(xiàn)有研究主要使用3 種方法即光學(xué)方法、物理接觸方法和熱敏電氣參數(shù)方法[14]來評估。其中，物理接觸方法可實時獲取并傳輸溫度數(shù)據(jù)?？紤]到器件動態(tài)熱阻抗提取需要測量溫度的快速變化，同時實時獲取溫度數(shù)據(jù)，物理接觸方法中的光纖測溫法可保證測量精度的同時保證較快的響應(yīng)速度，因此選用光纖測溫法。依據(jù)JESD51-4[13]，結(jié)溫測溫位置應(yīng)選取為芯片表面正中央，如圖2 中Tj所示。功率半導(dǎo)體器件的殼溫Tc與結(jié)溫Tj類似，為保證測量精度的同時保證較快的響應(yīng)速度，也使用光纖測溫傳感器。依據(jù)MIL-STD-883G[11]，殼溫測溫位置應(yīng)選取為器件殼下表面、芯片正下方中心位置處，如圖2 中Tc1所示?？紤]到光纖不能大角度彎折，而豎直孔安裝光纖易滑脫，受三棒式光纖夾持方法[15]的啟發(fā)，可使用如圖2 中Tc1處所示的上大下小的孔配合三棒式光纖夾持進行安裝，這樣可保證光纖的有效接觸。此外，根據(jù)文獻[16-17]，也可以從模塊底板上埋入傳感器測量芯片正下方溫度，并以此作為殼溫測量點，如圖2 中Tc2所示。

散熱器溫度Th由于其變化較慢，因此可使用光纖溫度傳感器或熱電偶進行測量。依據(jù)JESD51-6[13]，散熱器溫度測溫點應(yīng)選取為器件封裝與散熱器接觸板跡線長邊的中心處，如圖2 中Th1所示。依據(jù)賽米控公司功率半導(dǎo)體應(yīng)用手冊[9]，散熱器溫度測溫點還可選取為模塊側(cè)邊與芯片同高在長邊1/3位置（圖2 中Th2）或在散熱器上鉆入一個直徑不大于2 mm 的孔（圖2 中Th3）進行測量。

環(huán)境溫度Ta一般比較穩(wěn)定，因此使用熱電偶測量即可，常見熱電偶的適用溫度與測量精度如表1 所示，出于對測量精度的考慮，本文選取T 型熱電偶。將T 型熱電偶貼于風(fēng)扇入風(fēng)口或冷卻水入口處獲得環(huán)境溫度。

表1 常見熱電偶的適用溫度與測量精度Tab.1 Applicable temperature and measurement accuracy of ordinary thermocouples

2.2 熱阻抗自動化測試電路

根據(jù)前述測量要求，可搭建功率半導(dǎo)體器件熱阻抗自動化測試電路，如圖3 所示。圖中，T1及D1為反并聯(lián)二極管的IGBT；驅(qū)動電路為IGBT 的控制驅(qū)動，由DSP 進行控制；恒流源為輸出電流恒定的電源；S1為固態(tài)繼電器，由DSP 發(fā)出控制信號進行控制；Ih測量為加熱電流的測量，可選用電流LEM；Vce測量為功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通壓降的測量電路，使用文獻[18]中所述測量電路。

圖3 功率半導(dǎo)體器件熱阻抗測試電路Fig.3 Circuit of thermal impedance test for power semiconductor device

當(dāng)S1、T1均開通時，功率半導(dǎo)體器件T1產(chǎn)生導(dǎo)通損耗并發(fā)熱，通過Ih測量和Vce測量的數(shù)據(jù)并通過式（3）計算可得到器件的發(fā)熱功率；待系統(tǒng)各部分溫度達到穩(wěn)定后，DSP 發(fā)出關(guān)斷控制信號，控制固態(tài)繼電器S1斷開，加熱電流快速切斷，發(fā)熱功率迅速降為0，從而形成發(fā)熱功率的負(fù)階躍。

2.3 熱阻抗自動化測試平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于以上分析，本文提出一種新型熱阻抗測試系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要基于DSP 控制器及溫控散熱器，如圖4 所示。

圖4 基于DSP 及溫控散熱器的熱阻抗測試系統(tǒng)Fig.4 Thermal impedance test system based on DSP and temperature-controlled heatsink

集成散熱器的功率電路主要包括待測功率半導(dǎo)體器件或模塊、測量電路、功率器件驅(qū)動電路。驅(qū)動電路控制功率半導(dǎo)體器件或模塊的開通關(guān)斷，即圖3 中驅(qū)動電路；待測功率半導(dǎo)體器件或模塊導(dǎo)通產(chǎn)生導(dǎo)通損耗并發(fā)熱，即圖3 中T1和D1；測量電路測量結(jié)溫、殼溫、散熱器溫度、環(huán)境溫度、集-射極電壓Vce、加熱電流Ih以及保護系統(tǒng)正常運行的相關(guān)參數(shù)，并將測量結(jié)果傳輸給DSP，圖3 中Ih測量和Vce測量屬于該測量電路的一部分。直流電源即為圖3 中恒流源，為功率電路提供加熱電流；固態(tài)繼電器及其驅(qū)動即圖3 中S1，控制加熱電流的接入及切斷，由DSP 進行控制。集成散熱器的功率電路、固態(tài)繼電器及其驅(qū)動以及直流電源構(gòu)成圖3 所示的熱阻抗自動化測試的功率電路。與功率電路相對應(yīng)的是由DSP 控制器及溫控系統(tǒng)組成的控制電路。DSP 接收測量電路的結(jié)溫、殼溫等數(shù)據(jù)，并判定溫度是否達到穩(wěn)態(tài)，待溫度穩(wěn)定后，DSP 發(fā)出控制信號控制固態(tài)繼電器切斷直流電源供電，即開始功率半導(dǎo)體器件熱阻抗曲線的測量。溫控系統(tǒng)與散熱器構(gòu)成溫控散熱器，通過溫控散熱器對待測器件進行輔助加熱，加速系統(tǒng)溫度達到穩(wěn)定。

相較于傳統(tǒng)的熱阻抗測量方法中溫度測量的秒級[9-10]精度，本文提出的新型熱阻抗測試系統(tǒng)期望將溫度測量精度精確至ms 級，使用DSP 配合外圍高速的模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換AD（analog digital）芯片，可很好地實現(xiàn)此測量精度。但是AD 芯片的引入，同時會引入采樣噪聲，影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。考慮到采樣噪聲是疊加在采樣信號上的隨機噪聲，在DSP中對同一溫度點進行多次采樣，進行平均處理后作為該溫度點的結(jié)果，可有效減小采樣噪聲的影響。此外，熱阻抗測試的單次測試過程持續(xù)幾十min，其間會產(chǎn)生大量的有效數(shù)據(jù)且需要進行存儲，而DSP 內(nèi)部的存儲資源極其有限，本文提出的新型熱阻抗測試系統(tǒng)通過DSP 的通訊接口，將大量的數(shù)據(jù)實時發(fā)送至上位機進行接收并存儲，從而為DSP節(jié)省出大量資源用于執(zhí)行自動化測試控制策略。同時，功率半導(dǎo)體瞬態(tài)熱阻抗曲線測量對于切斷時刻的確定非?？量蹋捎趧討B(tài)熱阻抗曲線時間尺度期望達到ms 級，提取的切斷時刻超前或滯后實際切斷時刻幾ms 都將對瞬態(tài)熱阻抗曲線帶來較大影響。而本文提出的新型熱阻抗測試系統(tǒng)通過DSP 在切斷電流時刻發(fā)送此時的切斷時間，實現(xiàn)自動確定切斷時刻，可將切斷時刻精確至1 ms 精度，進而將熱阻抗測量結(jié)果時間尺度精確至10～2 s 以下，相較于人工確定切斷時刻的秒級精度有了極大提高。

總之，DSP 的引入為該測量平臺帶來了便利，也帶來了挑戰(zhàn)：①測量系統(tǒng)引入DSP，實現(xiàn)了熱阻抗測試進程的自動化；②測量系統(tǒng)引入DSP，實現(xiàn)自動準(zhǔn)確確定切斷時刻；③由于DSP 需要采樣平臺的各部分溫度等數(shù)據(jù)，引入采樣噪聲，通過高速多次采樣并進行平均處理減小其影響；④由于DSP內(nèi)部存儲資源有限，無法存儲大量的有效數(shù)據(jù)，通過通訊接口，發(fā)送至上位機進行存儲。

2.4 熱阻抗自動化測試控制策略

為了實現(xiàn)測試流程的自動化，可通過DSP 控制器及溫控系統(tǒng)組成的控制電路，結(jié)合如圖5 所示的熱阻抗自動化測試控制策略，自動判斷溫度穩(wěn)定、自動確定切斷時刻。圖5 中，flag_stable 為DSP 內(nèi)溫度穩(wěn)定的標(biāo)志位，flag_off 為加熱電流切斷標(biāo)志位。

圖5 熱阻抗自動化測試控制策略Fig.5 Control strategy for thermal impedance automatic test

熱阻抗自動化測試流程分3 個階段：①S1為加熱階段，功率半導(dǎo)體器件導(dǎo)通并流過加熱電流Ih，器件溫度不斷上升，該階段持續(xù)時間較長，在此階段，通過溫度測量結(jié)構(gòu)得到的溫度在DSP 內(nèi)自動進行判定，5 min 內(nèi)溫度波動ΔT≤0.5 ℃則視為穩(wěn)定，將溫度穩(wěn)定的標(biāo)志位flag_stable 置1，并進入下一階段；②S2為溫度穩(wěn)定階段，結(jié)殼溫度達到穩(wěn)定，溫度穩(wěn)定標(biāo)志位為1，此階段獲取穩(wěn)態(tài)結(jié)溫Tj（0）及其他穩(wěn)態(tài)溫度、穩(wěn)態(tài)發(fā)熱功率Ploss，并等待DSP 發(fā)出切斷信號；③S3為冷卻階段，即熱阻抗動態(tài)曲線提取階段，t1時刻，DSP 發(fā)出切斷信號，切斷標(biāo)志位flag_off 置為1，DSP 通過GPI/O 向驅(qū)動電路發(fā)送指令，控制固態(tài)繼電器切斷加熱電流，Ih迅速降為0，結(jié)溫快速下降，并在t1時刻開始向上位機發(fā)送切斷的時刻t1、切斷前電壓、電流以及切斷后100 s 的結(jié)溫、殼溫等數(shù)據(jù)。100 s 后測試結(jié)束，根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，按照式（4）處理并進行作圖，即可得到熱阻抗曲線。

3 實驗結(jié)果分析及驗證

本文基于DSP 及溫控散熱器的功率半導(dǎo)體器件熱阻抗測試平臺的實物如圖6 所示。本文中，所測量的功率半導(dǎo)體模塊為斯達半導(dǎo)體的IGBT 模塊（GD75FFY65C5S，額定電壓650 V/額定電流75 A），DSP 選用TI 公司的TMS320F28335，光纖溫度傳感器選用Opsens 的OTG-F 光纖，其特性參數(shù)見表2。

圖6 基于DSP 及溫控散熱器的熱阻抗測試平臺-樣機Fig.6 Thermal impedance test platform based on DSP and temperature-controlled heatsink（prototype）

表2 Opsens OTG-F 光纖特性參數(shù)Tab.2 Characteristic parameters of Opsens OTG-F optic fiber

使用該平臺測量IGBT 模塊熱阻抗曲線，本文僅限討論單個IGBT 發(fā)熱情況下的熱阻抗，對于多芯片發(fā)熱的熱耦合問題，不在此討論。在25 ℃環(huán)境下進行測試，以20 A 電流加熱30 min，溫度達到穩(wěn)定，按照圖5 中所示控制流程進行測量，實驗波形如圖7 所示。

選取圖2 中Tc1作為殼溫測量點，測量得到IGBT 模塊結(jié)殼溫度曲線如圖7（a）所示?？梢钥闯?，功率半導(dǎo)體器件在t1時刻切斷，結(jié)溫迅速跌落。選取圖2 中Tc1和Th3分別作為殼溫和散熱器溫度測量點，將測量得到的結(jié)溫、殼溫、散熱器溫度按照式（4）進行轉(zhuǎn)換求解，得到單個IGBT 發(fā)熱情況下的IGBT模塊結(jié)-殼熱阻抗曲線如圖7（b）所示，單個IGBT發(fā)熱情況下的IGBT 模塊殼-散熱器熱阻抗曲線如圖7（c）所示。根據(jù)圖7（b）可知測量得到穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻為0577 ℃/W，數(shù)據(jù)手冊中IGBT 模塊穩(wěn)態(tài)結(jié)殼熱阻抗為0.587 ℃/W，相對誤差為1.7%。在同樣的測試條件下，多次重復(fù)測試提取得到的結(jié)殼熱阻抗曲線如圖7（d）所示，圖中20 A-1～3 表示在20 A加熱電流下進行3 次實驗測量得到的結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)，不同時間的多次實驗結(jié)果能夠保持高度一致。

圖7 實驗波形Fig.7 Experimental waveforms

圖7（e）為采樣噪聲對結(jié)-殼熱阻抗曲線的影響，20 aver 是采用DSP 多次采樣取平均方法測量得到的結(jié)果，no 20 aver 是不進行處理的采樣測量得到的結(jié)果；可以看到，由于采樣噪聲的影響熱阻抗曲線有較大的毛刺，并且在0.01 s 以下部分，會帶來很大的尖刺和抖動，這是因為采樣噪聲在剛切斷時刻附近，相較于式（4）的分子項還比較大，對應(yīng)影響也比較顯著。圖7（f）為切斷時刻的確定對結(jié)-殼熱阻抗曲線的影響，normal 曲線為正常準(zhǔn)確確定切斷時刻時的熱阻抗曲線，lead 5 ms 曲線為提取的切斷時刻超前實際電流切斷時刻5 ms 的熱阻抗曲線，即以實際切斷時刻之前5 ms 的溫度數(shù)據(jù)作為切斷零時刻，lag 5 ms 曲線與lead 5 ms 類似，是提取的切斷時刻滯后實際電流切斷時刻5 ms 的熱阻抗曲線；可發(fā)現(xiàn)lead 5 ms 曲線在10-2℃/W 以下部分出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，這是因為在此情況下，根據(jù)式（4）計算得到的前幾個數(shù)據(jù)為0，在對數(shù)坐標(biāo)下是無效數(shù)據(jù)；lag 5 ms 曲線相較于normal 曲線出現(xiàn)上移，這是因為在此情況下選取的初始溫度，根據(jù)式（4）計算結(jié)果會偏大。因此提取的切斷時刻超前或滯后實際切斷時刻幾ms 都將對瞬態(tài)熱阻抗曲線帶來較大影響，本文裝置將切斷時刻精確至1 ms 精度，相較于人工確定切斷時刻的秒級精度有了極大提高。

此外，傳統(tǒng)測量方法進行一次測量達到溫度穩(wěn)態(tài)需要極長的時間，而達到穩(wěn)態(tài)的耗時與散熱器大小、材料、風(fēng)速及功率半導(dǎo)體器件尺寸等多種因素相關(guān)。以本文測試平臺中的散熱器及功率模塊為例，若不加主動控制的溫控散熱器，達到溫度穩(wěn)態(tài)需要1 h 左右；而加入溫控散熱器的本平臺，利用溫控散熱器輔助加熱，加速系統(tǒng)溫度達到穩(wěn)定，可以將達到溫度穩(wěn)態(tài)的時間縮減至30 min 左右，且無須人工判定溫度穩(wěn)態(tài)，提高了實驗效率。

4 結(jié)論

本文結(jié)合功率半導(dǎo)體器件熱阻抗測量相關(guān)的測試標(biāo)準(zhǔn)，提出了一種新型熱阻抗測試系統(tǒng)及控制策略，該測試系統(tǒng)基于DSP 控制器及溫控散熱器。經(jīng)過試驗驗證，本文提出的測試方法可提高功率半導(dǎo)體器件熱阻抗測試的測試效率，實現(xiàn)了測試流程的高度自動化，減少了人工干預(yù)導(dǎo)致誤差，且該測試方法具有較好的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性。此外，本文測試平臺及測試方法對復(fù)雜工況下的功率半導(dǎo)體器件熱阻抗提取及建模、結(jié)溫實時監(jiān)測及器件壽命預(yù)估等研究具有重要意義。溫控散熱器的引入也為進一步研究散熱器溫度對功率半導(dǎo)體器件運行工況的影響帶來便利。