温度循环下IGBT瞬态热阻抗退化模型的研究

姚芳，王少杰，李志刚，陈盛华

（河北工业大学电气工程学院，天津 300130）

温度循环下IGBT瞬态热阻抗退化模型的研究

姚芳，王少杰，李志刚，陈盛华

（河北工业大学电气工程学院，天津 300130）

瞬态热阻抗是表征IGBΤ模块热特性的重要参数，瞬态热阻抗的退化可以反映模块材料的退化，因此研究IGBΤ瞬态热阻抗的退化模型对IGBΤ状态评估、寿命预测等研究有重大意义。利用温度循环老化实验装置对IGBΤ进行温度循环冲击老化，再利用瞬态热阻抗测试平台测试老化进程中IGBΤ的瞬态热阻抗曲线，得到模块的退化情况。最后分析实验结果建立IGBΤ瞬态热阻抗退化数学模型，得到瞬态热阻抗的退化规律。

退化模型；瞬态热阻抗；温度循环；绝缘栅双极型晶体管

随着功率半导体器件向高频化、集成化、大功率化发展，由于自身产热情况产生的热损伤会严重影响到功率半导体器件的使用寿命。由于功率半导体器件经常应用于电力系统比较关键的部位，一旦失效会危及到整个电力系统的安全性［1-2］。在实际应用中，有一半以上的功率器件失效是由热相关问题引起的［3-4］，稳态热阻以及瞬态热阻抗为表征IGBΤ热特性的重要参数。IGBΤ模块在整个寿命周期内是不断退化的，处于不同阶段健康状态下的模块的热特性不同［5］，IGBΤ模块退化的时间历程中，退化程度会不断加重，其退化程度是关于时间累积的函数，因此，研究瞬态热阻抗的退化规律，对预测模块寿命以及对模块的健康状态进行评估均有十分重要的科学意义［6-7］。

1 基本原理

1.1 瞬态热阻抗定义

IGBΤ模块在工作过程中将会交替出现热稳态与热瞬态2种状态，IGBΤ处于热稳态时，各点温度保持不变，输入电功率P(t)等于热耗散功率Ploss(t)，模块整体表现出的阻热性质可以用稳态热阻来描述，其定义为

其中，结温Tj、壳温Tc及平均电功率P均为常数，功率P等于平均热耗散功率Ploss。

IGBΤ处于热瞬态的过程中，热阻会随时间变化，模块整体表现出阻热和储热的性质，可以用结壳瞬态热阻抗Zth(j-c)(t)来表示，其定义为

式中：Tj(t),Tc(t)，Ploss(t)分别为任意时刻t的结温、壳温和功率损耗［8］。

功率损耗Ploss(t)部分用于热量向空气和散热片的耗散，部分作用于芯片和封装使之储存热量。

IGBΤ的稳态热阻只能反映模块整体的阻热性质，而瞬态热阻抗可以同时反映出模块的储热和阻热性质，如果模块出现热疲劳损伤，瞬态热阻抗将能够同时反映模块阻热和储热能力的变化情况，因此，瞬态热阻抗参数能够更精确地表征IGBΤ模块的热特性。

1.2 电热比拟理论

电热比拟理论将IGBΤ的热特性用RC电路来描述，用电流比拟功率损耗，电阻比拟热阻，电容比拟热容，用电压值来比拟温度值［9］。RC热网络模型有Foster结构和Cauer结构2种，如图1所示［10］。

图1 RC热网络模型Fig.1 RC thermal network model

图1a所示的Foster热网络模型不反映器件内部实际的物理结构，只反映器件整体的热特性，参数易于从瞬态热阻抗曲线中提取出来，故一般的器件手册常使用该结构。图1b所示的Cauer热网络模型能够反映器件实际物理结构中各层的热阻、热容，因此计算可以得到各物理层的温度值，并可以用仿真验证，但是其参数较难获得，并且难以用实验进行验证。Foster热网络模型和Cauer热网络模型在反映器件整体的热特性时是等效的。

本文采用Foster热网络模型表征IGBΤ的热特性，Foster热网络模型的表达式为

式中：ri为第i层热网络模型中的热阻；τi为第i层热网络模型中的时间常数［11-12］。

2 瞬态热阻抗测试平台及实验方案

2.1 瞬态热阻抗测试平台

根据式（2）中IGBΤ结壳瞬态热阻抗的定义式可以看出瞬态热阻抗测试的难点是对于结壳温度的实时准确探测。本文选用DS182B20热电偶传感器实时测量IGBΤ壳温，采用埋入光纤的方法实时测量IGBΤ的结温。

埋入光纤法属于物理接触测量法的范畴。IGBΤ由于芯片面积小，内部密布键和引线以及电力电流容量大等特点，很难将温度传感器放置在结温点上进行结温的测量。本文选用OSP-A型光纤温度传感器对IGBΤ模块的结温进行测试，该产品的主要参数为：检测温度范围-50～+250℃，精度±0.1℃，探头直径0.23 mm，裸光纤长度9 mm，可以满足将传感器放入IGBΤ结温点进行结温测量的要求。并且，为了不对模块产生任何损伤，可以利用硅凝胶灌封技术对IGBΤ模块进行特殊处理，避免封装打开对测温精度的影响。

利用DS182B20热电偶传感器和OSP-A型光纤温度传感器可以同步采集IGBΤ的结温和壳温，利用数据采集卡可以同步采集到IGBΤ的集射极电压Uce和集电极电流Ic,可以获得同步的功率损耗，瞬态热阻抗可以由式（2）逐点计算得到。

2.2 试验方案

本文采用加速老化寿命实验。加速老化寿命实验一般分为功率循环实验和温度循环实验，选用第2种来对IGBΤ进行疲劳老化。

温度循环加速老化实验是对模块通入较大的工作电流，产生的功率损耗使芯片发热，达到温度上限后将电流切断，使试品冷却，达到温度下限后再通入电流，使试品发热，如此引起温度循环波动，利用热冲击对模块进行疲劳老化［13］。温度循环实验的电路原理如图2所示。

图2 温度循环实验电路图Fig.2 Temperature cycle experiment circuit diagram

具体实验过程如下：

1）利用瞬态热阻抗测试平台对未使用过的IGBΤ进行瞬态热阻抗测试，通入恒定电流分别测量其结温Tj、壳温Tc以及集射极电压Uce和集电极电流Ic，并计算其瞬态热阻抗曲线；

2）对IGBΤ模块进行温度循环老化实验，设置通入的集电极电流Ic=50A，壳温上限为90℃，下限为40℃，每循环1 000次重复步骤1），测量IGBΤ在不同老化进程中的瞬态热阻抗，规定IGBΤ稳态热阻上升20%时器件失效，实验进行至模块老化失效后停止；

3）对实验测得的瞬态热阻抗进行去噪拟合，得到多条退化进程中的瞬态热阻抗曲线。

3 实验结果及分析

根据上述试验方案首先测量某型未老化IGBΤ的瞬态热阻抗曲线，如图3所示。

图3 未老化IGBT瞬态热阻抗曲线Fig.3 IGBT transient thermal impedance curve before aging

对图3所示的曲线进行去噪平滑处理后，分别用一阶、二阶、三阶Foster热网络模型对其进行拟合，拟合后的均方根误差分别为RMSE1= 1.312×10-2℃/W，RMSE2=4.75×10-3℃/W，RMSE3= 3.89×10-3℃/W。拟合阶数越多则拟合精度越高，二阶与三阶拟合后的均方根误差相差很小，并且二阶热网络模型能够满足拟合精度的要求，因此本文选用二阶Foster模型来拟合瞬态热阻抗曲线。未老化的IGBΤ瞬态热阻抗曲线的二阶Foster模型拟合得到的瞬态热阻抗曲线如图4所示，拟合函数表达式为

进行试验步骤2），3）后得到老化进程中IGBΤ的瞬态热阻抗曲线如图5所示。

图5 老化进程中IGBT瞬态热阻抗曲线Fig.5 IGBT transient thermal impedance curve in the process of aging

图5中从下到上老化次数依次为0次、1 000次、2 000次、3 000次、4 000次、5 000次、6 000次，到6 000次时稳态热阻增加21%，判定模块失效，老化实验结束。

由图5所示的老化进程中IGBΤ瞬态热阻抗曲线可以看出，老化后IGBΤ热阻增大，热容减小。将图5中的瞬态热阻抗曲线分别用Foster二阶热网络模型进行拟合，热阻和热时间常数的变化分别如图6、图7所示。

图6 热阻退化趋势Fig.6 Thermal resistance degradation trend

图7 热时间常数退化趋势Fig.7 Thermal time constant degradation trend

通过分析图6、图7中的数据可以发现热阻随老化次数的增加成指数形式上升，热时间常数基本不变。将热阻进行归一化处理，即将老化进程中瞬态热阻抗曲线拟合得到的第1层、第2层热阻分别除以其未退化时的初始值，如图8所示。

图8 热阻归一化处理后退化趋势图Fig.8 Thermal resistance degradation trend chart after normalized processing

由图8可以看出，两层热阻归一化处理后退化趋势基本相同，对其进行指数形式的拟合，得到下式：

式中：Tr为各层热阻归一处理后的退化值；x为老化次数。

拟合后的均方根误差为RMSE=1.58×10-4，说明拟合程度良好，IGBΤ热阻在功率循环下的退化模型符合指数规律。

由于热时间常数不变，Foster热网络模型的两层热阻按式（5）所示的指数形式退化，则可推断出将式（4）所示拟合得到的瞬态热阻抗曲线的Foster模型进行归一化处理后，退化趋势与各层热阻退化趋势相同，即仍符合式（5）所示的指数退化规律。

瞬态热阻抗曲线二阶Foster模型的退化模型为

取进行了3 500次温度循环实验后的IGBΤ模块，即x=3 500，利用瞬态热阻抗测试平台测量其瞬态热阻抗曲线，并进行去噪拟合处理，再用式（6）所示的二阶Foster退化模型计算其瞬态热阻抗曲线，测量结果与计算结果如图9所示。

图9 测量结果与退化模型计算结果对比图Fig.9 Comparison of measurement resultsand the degradation model calculation results

由图9可以看出，测量结果与退化模型的计算结果吻合度很高，说明式（6）建立的Foster退化模型较为精确。将式（6）的结果扩展到n阶的Foster热网络模型，则能够反映退化情况的n阶Foster热网络模型的表达式为

4 结论

随着热循环冲击的不断累积，模块的焊料层会出现疲劳损伤，外部特征表现为热阻增大，热容减小。对测得的IGBΤ瞬态热阻抗曲线的退化特征进行分析，建立了瞬态热阻抗的退化模型。利用瞬态热阻抗曲线的退化模型可以根据温度冲击的次数得到退化后的瞬态热阻抗曲线，而不用再去进行测量。由于测量瞬态热阻抗曲线过程繁琐，所用时间长，此方法可以提供很大的便利。但是，本文中所建立的瞬态热阻抗曲线退化模型仅为温度循环老化实验下的退化模型，IGBΤ模块工况下的退化模型仍需要进行探索研究。

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Research on Transient Thermal Impedance Degradation Model Under Temperature Cycling of IGBT Power Module

YAO Fang，WANG Shaojie，LI Zhigang，CHEN Shenghua
（School of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Transient thermal impedance is an important parameter of IGBT module thermal characterization，the degradation of transient thermal impedance can reflect the module material degradation.So the research on degradation model of IGBT transient thermal impedance has great significance to state evaluation and life prediction.Temperature cycle aging experiment device was used to do the temperature cycle impact to IGBT modules aging，and then transient thermal impedance test platform was used to test the IGBT transient thermal impedance curve under aging process，so as to get the degradation situation.Finally analyzed results and set up the transient thermal impedance degradation mathematical model and got the degradation rule of transient thermal impedance.

degradation model；transient thermal impedance；temperature cycle；insulated gate bipolar transistor

TN32

A

10.19457/j.1001-2095.20170217

2016-01-14

修改稿日期：2016-05-27

国家自然科学基金资助项目（51377044）；2012年度高校博士点专项科研基金（20121317110008）

姚芳（1972-），女，教授，博士，Email：yaofang@hebut.edu.cn