一种IGBT热阻测试方法的研究

张亚玲，李志刚，姚 芳，黄 欢

（河北工业大学 电气工程学院，天津，300130）

一种IGBT热阻测试方法的研究

张亚玲，李志刚，姚 芳，黄 欢

（河北工业大学 电气工程学院，天津，300130）

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）工作时会产生大量的热，这不仅会影响到其工作的可靠性，还会对其周围的电路产生影响，降低整个系统的性能．因此对其进行准确的温升和热阻测量具有重要意义．论文阐述了利用直接测量结温法测量IGBT热阻的原理，介绍了热阻测试系统的硬件构成及测试流程,并测试了模块在不同功率下的热阻值，对测量结果进行分析，发现该热阻测试系统具有测量简单、对不同运行条件适应性强、测量结果重复性好等优点，可作为测量IGBT温升及热阻的一种方法．

绝缘栅双极晶体管；热阻；硅凝胶灌封技术

0 引言

高频化、大功率化和集成化是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）不断发展的方向[1]．功率和集成度的增加使得IGBT所承受的功率密度不断升高，同时随着工作频率的不断增大器件的发热也愈加严重．由于电力电子器件工作性能与可靠性等都与其工作结温直接相关，例如IGBT的硅芯片的正常工作结温不能超150℃，最新一代器件不超过175℃，结温过高时芯片性能会降低[2]，而电力电子器件的热阻抗直接影响器件的结温[3]，因此，IGBT传热特性的研究对于延长IGBT的使用寿命提高其应用可靠性具有很重要的现实意义.

热阻值是衡量器件热性能好坏的重要参数，目前应用的热阻测试方法主要有热敏参数法[4-5]、红外扫描成像法[6-7]和热电偶法[8-9]．热敏参数法是利用小电流下模块结电压与温度之间的线性关系，通过测试温敏参数间接获取热阻参数的方法．此法灵敏度高、测量迅速，且不易对器件造成破坏，但是测量过程中引入的误差较多，不能获得较准确的结温及热阻[10]．红外扫描成像法是通过测量器件工作时芯片表面的红外辐射得到芯片表面的二维温度分布，进而得到结温及其热阻．但这种方法只能在模块开封情况下进行，会对器件造成破坏，价格非常昂贵，对使用者的要求也高．热电偶法是通过热敏元件直接与芯片接触，测量硅芯片表面某一点的温度，同样需要打开封装且模块内部空间布局有限只能将热传感器尽量靠近芯片四周布设，从而会带来较大的测量误差．

而利用光纤传感器实测结温的热阻测量法可以减少测量过程中引入的中间误差并且占用空间小可以更准确的测量IGBT的热阻．光照到芯片表面的反射系数与芯片结温相关，反射光子的浓度决定于结温．对于像IGBT这样的自发热器件，可用单个光纤探头来检测反射光子浓度，从而实现结温测量．光纤探头体积小同时测温精度高，故可以打开IGBT封装将光纤探头置于IGBT芯片上实现结温的测量．本文在IGBT封装打开以后，利用硅凝胶灌封技术将光纤探头植入模块内部，随后再次将模块封装完好，最大程度减少开封对模块热传导的影响．同时利用搭建的IGBT热阻性能测试装置对模块的功率损耗和壳温进行测试，进而得到IGBT的热阻．

1 热阻的计算与测量

1.1 热阻的测量原理

根据电一热比拟理论[11]，即温度类比电压、热流量类比电流、热阻类比电阻、结合电路中的欧姆定律和热路中的傅里叶导热定律可获得IGBT模块结壳间稳态热阻在工程上的计算公式如下

式中：TJ为模块的结温；TC为模块的壳温（铜底板温度）；PIOSS为模块的平均功率损耗．

测定IGBT的热阻必须测量式(1)中的3个参数TJ，TC和PIOSS，而准确地测量TJ则是测量热阻的关键．如图1所示的测试系统利用IGBT硅凝胶灌封技术使光纤传感器与待测IGBT模块内部芯片相连，从而达到直接对模块结温进行采集的目的．与电学法测热阻相比，具有引入中间变量少，测量结果准确、重复性好等优点．

图1 测试系统硬件结构图Fig.1 Diagram of the system hardwarearcritecture

2 测试系统的实现

2.1 测试装置硬件设计

IGBT热阻测试系统的硬件结构主要由驱动电路，负载电路，温度测试系统，散热系统，温度传输与储存系统等组成，其中光纤传感器利用硅凝胶灌封技术与待测IGBT模块内部芯片相连，从而达到直接对模块结温进行采集的目的同时将温度传感器与温控器相连，再分别与散热风扇和驱动电路供电电源相连，达到对待测IGBT模块进行过温保护的目的．设计的硬件结构图如图1所示．

系统中关键模块是温度测试及采集系统，用于准确测量被测模块的壳温及结温．

1）壳温采集系统的设计与搭建

IGBT模块一般应用于风电变流器等大功率场合且一般都在野外，为了尽可能地模拟实际工况下的试验，测温系统的温度信号采集模块采用无线数据采集设备SZ06，其具有通讯距离远、抗干扰能力强的优点．温度信号传输模块接收温度信号采集模块发出的开关量信号，并通过USB接口与PC相连，将接收到的开关量信号输送至PC机上，然后利用串口调试工具对测温系统的通信情况进行调试，并将接收的温度信号进行显示．如图2所示为壳温测试系统的串口调试软件的界面图．

2）结温采集系统的设计与搭建

实验室条件下，为了对模块的结温进行数据采集，采用光纤测温系统对IGBT模块的结温进行测试．光纤测温技术属于物理接触法的范畴，为了将光纤置于芯片上而不对模块产生任何损伤，故实验室利用硅凝胶灌封技术对IGBT模块进行了特殊处理，将OSP-A光纤温度传感器植入模块内部，以达到对芯片温度进行采集的目的．图3为IGBT结温测试实物．

图2 壳温测试系统的串口调试软件界面图Fig.2 Serialdebugging software interfaceof case temperature testing system

图3 IGBT结温测试实物Fig.3 Theobjectof junction temperature test

3 测量结果与分析

3.1 试验测量结果

热阻是器件的固有属性，与器件材料、尺寸有关，因此在忽略模块退化的条件下，测试环境不变时热阻应该不变．为了验证该热阻测试系统的准确性，在周围测试环境不变的前提下，测量IGBT在不同功率下的热阻，测试结果如表1，其中m为试验序号；p为平均功率损耗（W）；TC壳温（℃）；TJ为结温（℃）；RJC为结壳热阻（℃/W）．

式中：n=8为测量次数；RJC为结壳热阻的平均值；RJCi为第i次测量的结壳热阻值；S2为8个热阻值的样本方差；为样本的标准差．

表1 不同功率下热阻测量值 ℃Tab.1 The thermal resistance atdifferentpower

图4为不同功率损耗下的热阻测量值，由试验结果分析可知在8种不同功率下，热阻值波动较小，可近似认为相等，这也从一方面验证了测试系统的准确性．

图4 热阻测量值Fig.4 The thermal resistance in test

3.2 测量结果与出厂热阻值的比较

由IGBT封装结构各层材料的参数特性可以利用热传导法对IGBT的出厂热阻进行计算．热传导法是基于对模块的物理结构、材料属性以及热传导方式的研究对热阻参数进行提取的方法．由传热学的理论，而将热流通道看成传输线，热阻可以表示为

通过查阅资料分别获得模块内部各层导热材料的厚度L、导热系数K，同时计算各层的有效导热面积A，通过式 (5)可以计算出各层材料的热阻，IGBT芯片、IGBT焊料层、DBC上铜层、DBC陶瓷层、DBC下铜层、DBC焊料层及铜底板的热阻依次以R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7标记，表2即为模块各层材料的热阻．

由表2可知：总热阻RJC=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7=0.16℃/W．

表2 模块各层材料的热阻Tab.2 The thermal resistance ofmodule differentelement

通过比较基于实测结温获取的热阻值与基于热传导法获取的出厂热阻值，发现基于实测结温的热阻值较出厂热阻大．这是由于IGBT已经经过了一段时间的调试及使用，模块有所退化．

4 结论

基于实测结温获取热阻参数法的优点是能获取任意时刻的结温，并通过计算获取工况下的热阻，从而为其退化状态做出评估．与其他热阻测试的方法相比，此方法不仅测量方法简便、测量结果准确且具有实时性．但由于实测结温法对IGBT的封装有一定的破坏且光纤传感器价格较贵，因此目前仅适用于对IGBT热特性的研究还不能用作工业生产的在线监测．

[1]李恩玲，周如培．IGBT的发展现状及应用 [J]．半导体杂志，1998，23（3）：48-51．

[2]陈明，胡安．IGBT结温模拟和探测方法比对研究 [J]．电机与控制学报，2011，15（12）：44-49．

[3]Masana FN．ANew Approach to Dynam ic ThermalModelingof SemiconductorPackag-es[J]．MicroelectronicsReliability，2001，41：901-912．

[4]黄月强，吕长志，谢雪松．一种IGBT热阻的测量方法 [J]．电力电子技术，2010，44（9）：104-105+108．

[5]陈君，张小玲，谢雪松，等．一种IGBT热阻测试系统的研制 [J]．半导体技术，2015，40（1）：68-72．

[6]LouisG．Walshak，ThermalResistanceMeasurementsby using the infrared scanningmethod，Microwave[J]．1977，20（2）：62．

[7]黄雒光，崔恩录，秦仲波，等用红外扫描法测量功率晶体管热阻 [J]．半导体技术，1998，23（2）：43-44．

[8]HAM IDIA，COQUERYG，LALLENMA-NDR，etal．Temperaturemeasurementsand thermalmodeling of high power IGBTmultichipmodules for reliability investigations in Traction Application[J]．MicroelectronicsReliability，1998，38（6-8）：1353-1359．

[9]BAZZO JP，TIAGO L，MARCIO V，et al．Thermal characteristics analysis of an 1GBT using a fiber bragg grating[J]．Optics and Lasers in Engineering，2012，50（2）：99-103．

[10]董晨曦，王立新．功率VDMOS稳态热阻测试的关键影响因素 [J]．电子器件，2013，36（2）：143-148．

[11]Luo ZH．A thermalmodel for IGBTmodulesand itsimplementation ina realtimesimulator[D]．Pittsburgh．USA：UniVersity of Pittsburgh，2002．

[责任编辑 代俊秋]

Developmentof a IGBT thermal resistance testdevice

ZHANG Yaling，LIZhigang，YAO Fang，HUANG Huan

(Schoolof Electrical Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

IGBT inworkingw illgenerate a lotof heatwhich notonly affect its reliability,butalso hasan impacton its surrounding circuitry,reducing the system performance.Therefore it is important tomeasure accurately its temperature riseand thermalresistance.Thispaperdescribesthemeasuring principleof IGBT thermal resistancewith directlymeasure junction temperature,and proves its feasibility.The paperalso introduces thehardware configuration and testing process of thermal testdevice,and tested thermal resistanceatvariouspower.Themeasurement resultswereanalyzed and found that the thermal resistance testdevice hasa lotofadvantagessuch assimple,strong adaptability to variousoperating conditionsand good reproducibility.Itcan be used asamethod ofmeasuring the IGBT junction temperature and thermal resistance.

IGBT;thermal resistance;siliconegelencapsulation technology

TM 930

A

1007-2373(2016)01-0001-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.001

2015-05-29

国家自然科学基金（51377044）；河北省科技支撑计划（13214303D；14214503D）

张亚玲（1988-），女（汉族），硕士生．

数字出版日期：2016-01-22数字出版网址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160122.1118.004.htm l