基于IGBT模块饱和压降温度特性的结温探测研究*

姚 芳,王少杰,李志刚

(河北工业大学电气工程学院,天津 300130)

基于IGBT模块饱和压降温度特性的结温探测研究*

姚 芳,王少杰*,李志刚

(河北工业大学电气工程学院,天津 300130)

实验室条件下,IGBT模块的结温探测是瞬态热阻抗测试的关键。首先分别在热稳态和热瞬态下证明了饱和压降温度特性只与芯片有关,然后建立了IGBT模块结温探测模型,利用饱和压降值和集电极电流值来计算结温值,并将用模型计算出的结温与光纤实测的结温相比较,吻合性良好,证明了模型计算法能够准确探测结温。该方法可以用于恒流加热过程中瞬态热阻抗的测量,比起热敏参数法中冷却过程测量瞬态热阻抗相比,更具有实际意义。

IGBT;结温探测;温度特性;饱和压降

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种将双极型晶体管和功率场效应管结合起来的电力电子器件,同时具有二者易于控制,通态压降小,热稳定性好等优点,在电力、工业、交通运输、新能源系统等等领域广泛应用[1-3]。

电力电子器件的结温严重影响着其工作可靠性,结温过高与结温波动过大都会对电力电子器件的性能造成影响,因此,获取电力电子器件的结温对其优化设计、可靠性分析、寿命预测等具有重要作用。目前,IGBT模块结温获取方法主要分为两类,一类为模拟仿真方法,另一类为实际探测法。仿真方法主要有两种,一种是基于电热耦合模型进行仿真[4-5],另一种是基于FEM数值计算法进行仿真[6-8]。探测法主要有热传感器法、红外热探测法和热敏参数法[9-10]。以上获取结温的方法各有优缺点,侧重点各有不同,但没有一种方法可以对工作状态下IGBT模块的结温进行准确测量。

本文对IGBT模块的内部结构进行分析,得出了IGBT模块饱和压降的温度特性主要受内部物理参数影响,只与芯片有关,与其他外部条件无关的结论。为了验证此结论,本文分别在热稳态下利用大电流单脉冲的方法,在热瞬态下利用结温的光纤探测法证明了饱和压降温度特性只与芯片有关,进而提出了一种通过测量饱和压降以及集电极电流探测IGBT结温的方法,并基于该方法探测了IGBT模块的瞬态热阻抗。

1 IGBT模块饱和压降温度特性分析

IGBT的基本结构如图1所示,其本质上是一个由MOSFET驱动的BJT管,因此结构与MOSFET十分相似,差别仅在于它是P+衬底,而MOSFET是N+衬底。由图1可以看出每个IGBT的元胞都可以看成是PNP型晶体管和N沟道型MOSFET的复合结构,如果要IGBT导通,在IGBT的栅极和发射极之间加一个高于阈值电压VT的正向偏压VG,就会在MOS栅下形成n沟道,n沟道具有很高的电导率,电子流向集电极,在集电极端的pn结产生正向电压,空穴从集电极p层注入到低掺杂的中间层。注入的空穴导致荷电载流子浓度的增加,所增加的载流子浓度降低了中间层的电阻,并引起了中间层的电导率调制效应,此时IGBT的正向电流对栅极偏压不再敏感[11-12]。

图1 IGBT导通状态下电子和空穴电流

IGBT的饱和压降为在门极电压驱动下IGBT工作于饱和区时,IGBT集电极(C)与发射极(E)之间的电压。由IGBT的内部结构可知,IGBT的正向饱和压降由两部分组成,即二极管压降和MOS沟道压降。P-i-N二极管的压降呈现负温度系数的电阻特性,而MOS沟道电阻随温度的升高而增大,因此沟道压降随温度的升高而升高。这使得IGBT的正向压降在不同的正向电流下呈现不同的温度特性。当电流较小时,沟道压降影响较小,IGBT的正向伏安特性与P-i-N二极管相似,具有负温度系数,而当电流较大时,沟道压降起主要作用,IGBT的正向压降具有正温度系数,特别是在某一个电流值时,两种温度特性相互抵消,正向压降表现为与温度无关的特性。因此,IGBT的正向饱和压降与温度的关系只与芯片内部结构和集电极电流有关,与封装结构等无关。

2 IGBT模块饱和压降温度特性的测试

2.1 热稳态下饱和压降的温度特性测试

在一定的温度范围内,IGBT芯片的正向饱和压降与结温之间存在着可近似视为线性的关系,这种线性关系在向IGBT芯片通入毫安极小电流的条件下已经被证实,而在安培级的大电流条件下由于芯片自身的产热情况,结温不易被测量,因此未被证实。向IGBT模块通入单脉冲的大电流,由于大电流导通时间很短,认为IGBT芯片基本不产热,结温不变化,以此方法来验证安培级大电流条件下正向饱和压降与温度之间的关系。

选用额定1500 V/75 A的IGBT模块,将模块放入控温箱中,VGE施加正15 V电压,保持IGBT处于常通态,将控温箱温度设定到一定值并加热较长时间,从而保证内部芯片温度与设定温度一致,改变控温箱温度即可改变IGBT芯片结温。分别给IGBT通入毫安级的小电流以及安培级的大电流单脉冲,在保证器件自身不产热的情况下测量饱和压降VCE,即可找出VCE与结温之间的关系,实验电路如图2所示。

图2 热稳态下饱和压降温度特性测试电路

图4 单脉冲大电流下IGBT正向饱和压降与温度的关系

将控温箱的温度从-20 ℃到100 ℃每10 ℃设置为一档,单脉冲小电流以及安培级大电流的测量结果分别如图3和图4所示。

图3 小电流下IGBT正向饱和压降与温度的关系

由图3、图4可以看出,在IGBT模块处于热稳态时,芯片的正向饱和压降在各个电流等级下均与结温有良好的线性关系。设热稳态下饱和压降的温度特性方程为:VCES=VCES0+αTj,则大电流时VCES0、α与集电极电流IC的关系如图5所示。

图5(a)中拟合得到的关系式为:

(1)

图5(b)中拟合得到的关系式为:

(2)

式(1)与式(2)拟合的回归系数R2均在0.9以上,可见拟合方程的相似度非常好。

图5 热稳态下饱和压降温度特性方程参数与集电极电流关系图

2.2 热瞬态下饱和压降的温度特性测试

热瞬态下饱和压降的温度特性测试关键是对与结温的准确测量,本文采用热传感器法测量芯片结温。区别于传统的使用热电阻或热电偶的热传感器法,本文采用光纤作为热传感器。由于大功率的IGBT工作时芯片上承受的电压、电流都很大,同时还有紧密排布的键和引线,可供贴接的面积很小,传统的热传感器体积较大,为了避免短路,只能将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。光纤温度传感器体积很小而且精确度高,可以将传感器直接放置在IGBT芯片温度最高的位置,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IGBT模块进行特殊处理,避免封装打开对测温精度的影响。

热瞬态下饱和电压温度特性测试原理电路如图6所示。图中I为恒流源,提供加热电流,电压表与IGBT集射极并联,用于测量集射极电压,IGBT栅射极接正15 V电压,处于常通态。

图6 热瞬态下饱和压降温度特性测试电路

改变加热电流IC,检测正向饱和压降VCE与结温的变化。不同电流下饱和压降VCE与结温的关系如图7所示。由于电流过小时温度上升缓慢,且正向饱和压降较小,不易测量准确,因此热瞬态的测量设置初始加热电流IC为20 A,每增加10 A测量一次,最大加热电流为70 A。

图7 热瞬态下IGBT正向饱和压降与温度的关系

图8 热瞬态下饱和压降温度特性方程参数与集电极电流关系图

由图7可以看出,在热瞬态下饱和压降VCE与结温仍有良好的线性关系。设热瞬态下饱和压降的温度特性方程为:VCET=VCET0+βTj,将式(1)、式(2)与热瞬态下的VCET0、β的相比较如图8所示。

由图8可以看出,式(1)、式(2)与热瞬态下的VCET0、β吻合度良好,回归系数R2也均在0.9以上。这说明IGBT的饱和压降VCE的温度特性只与芯片有关,而与IGBT所处状态无关。

3 IGBT模块饱和压降温度特性应用

由IGBT模块饱和压降的温度特性可知,得到某一模块的集电极电流IC与正向饱和压降VCE便可确定在此电流和饱和压降下的结温,因此,饱和压降的温度特性可以应用于IGBT结温获取技术。

不同集电极电流下IGBT模块饱和压降与结温的关系如图4所示。由图4可以看出在任何电流下,饱和压降均与结温有着良好的线性关系,根据IGBT模块的伏安特性可知,在任何温度下伏安特性均具有明显的非线性特征,且与结温有关,如图9所示。

图9 不同结温下IGBT模块的伏安特性曲线

由图4和图9可以看出,IGBT模块的饱和压降、结温和集电极电流三者的关系可以用VCE=f(Tj,IC)来表示,且设定用一次函数表示VCE与Tj的线性关系,用二次函数表示VCE与IC的非线性关系,则三者的关系式为:

(3)

利用图4及图9的数据进行拟合,得到的系数矩阵如下:

(4)

拟合后的函数值与测量值产生的绝对误差小于50 mV,相对误差小于0.05,误差较小,均在测量误差范围内。集电极电流较小时拟合误差较大,是因为电流较小时的饱和压降值较小,难以测量准确,误差稍大,此后误差分布均匀,均为测量误差,说明拟合函数有较高的准确性。

由式(3)及式(4)可得结温Tj的探测模型为:

(5)

利用图6所示的热瞬态下饱和压降温度特性测试电路,通入30A加热大电流,采集到的VCE波形如图10所示。由于在30A大电流下IGBT模块升温明显,且饱和压降VCE与结温Tj成正线性相关,因此VCE成上升趋势,且逐渐趋于一个稳定值。

图10 30 A大电流加热过程IGBT饱和压降变化

根据式(5)利用测得的饱和压降值和电流值逐点计算得到结温值;在测试的过程中利用光纤采集结温,与计算到的结温值对比如图11所示。

图11 测量结温与计算结温对比图

图12 瞬态热阻抗曲线测量值与查表值对比图

由图11可以看出,用结温探测模型探测得到的结温值与用光纤测温法测得的结温值基本一致,说明利用电热关系模型能够准确获取器件结温。

利用结温探测模型可以测得结温,在热瞬态测试电路中用热电偶测量IGBT模块工作过程中的壳温TC,则能够测量IGBT模块升温过程中的瞬态热阻抗曲线,瞬态热阻抗Zth(j-c)为:

(6)

式中:P为IGBT模块在加热过程输入的平均功率。用图11所示的结温值根据式(6)计算瞬态热阻抗,结果如图12所示。

国标中建议使用热敏参数法测量瞬态热阻抗,但是热敏参数法必须在小电流下测量,因此只能探测降温过程中的瞬态热阻抗,而利用结温探测模型可以测量升温过程中的瞬态热阻抗,比降温过程更具有实际意义。

4 结论

本文先对IGBT模块的结构进行分析,得到IGBT模块正向饱和压降只与集电极电流和结温有关的结论,分别在热稳态和热瞬态两种情况下证明了该结论的正确性。然后建立了IGBT模块的电热关系模型,进而得到结温探测模型,将用该模型计算得到的结温与光纤法测得的结温相比较,证明了该方法获取结温的准确性,并利用该方法探测了升温过程中IGBT模块的瞬态热阻抗曲线。工况下建立相应型号的IGBT模块的结温探测模型,利用集电极电流和饱和压降的数值可以快速准确地探测IGBT模块的结温,进而计算瞬态热阻抗曲线,为解决工况下结温不易测量的问题提供了借鉴。

[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] 米伟,闫英敏. 功率IGBT模块可靠性研究[J]. 电子器件,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] 陈明,胡安,唐勇. 绝缘栅双极型晶体管脉冲工作时结温特性及温度分布研究[J]. 西安交通大学学报,2012,46(4):70-76.

[5] 王倩,钟传杰. IGBT二维温度分布及热稳定因子的研究[J]. 电子器件,2008,31(6):1772-1775.

[6] 陈明,胡安,唐勇. IGBT结温及温度场分布探测研究[J]. 电力电子技术,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. 基于电热模型的IGBT结温预测与失效分析[J]. 电机与控制学报,2012,16(8):87-93.

[9] 陈明,胡安. IGBT结温模拟和探测方法对比研究[J]. 电机与控制学报,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,陈明. IGBT开关瞬态的温度特性与电热仿真模型[J]. 电工技术学报,2012,27(12):146-153.

[12] 孙俊忠,刘宾礼. 基于IGBT芯片疲劳机理的关断时间可靠性模型[J]. 电力电子技术,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

项目来源:国家科技支撑计划项目(2015BAA09B01);国家自然科学基金项目(51377044);河北省科技计划项目(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