提取IGBT結溫的幾種方法

2020-11-30 OFweek維科網

提取IGBT結溫意義

評估散熱器的設計是否合理。

評估IGBT的輸出能力是否能夠進一步增強。

評估是否能夠繼續增加IGBT的開關頻率，進一步提高整機的效率。

對系統的可靠性和器件的壽命進行進一步詳細分析。

圖1  IGBT結構簡圖

圖2  IGBT散熱原理圖

提取方法

IGBT結溫提取常見的四種方法：

一：物理接觸測量法

物理接觸測量法：把熱敏電阻或熱電偶等測溫元器件置於IGBT內部。

優點：比較方便，直接通過放大電路進行的讀取。

缺點：不能實時讀取，誤差比較大。

圖3  IGBT內置熱敏電阻

圖4  英飛凌給出的熱敏電阻與真實結溫的校準計算

二：光學非接觸測量法

光學非接觸測量法：主要基於冷光、拉曼效應、折射指數、反射比、雷射偏轉等光溫耦合效應的表徵參數，通常採用紅外熱成像儀、紅外顯微鏡等。

這種方法屬於破壞性測量方法，需要將IGBT模塊打開，除去透明矽脂，然後將待測器件的晶片表面塗黑，從而提高溫度測量的準確性，無法用於IGBT結溫的實時監測。

圖5  IGBT測試前的處理

圖6  紅外熱成像監測IGBT結溫

三：熱阻抗模型預測法

熱阻抗模型預測法：基於待測IGBT的實時損耗和瞬態熱阻抗網絡模型，通過仿真計算或離線查表等方法對晶片結溫及其變化進行反推。

需要同時獲取待測功率器件的實時損耗以及熱阻抗網絡才可以實現結溫的精確預測，實時損耗模型以及熱阻抗網絡模型的精確建模非常困難，並且再IGBT的長期運行中，襯底板下的焊料層與導熱矽脂均會出現不同程度的老化，事先預測的熱阻網絡模型會由於老化原因發生較大偏移，從而引起結溫預測的誤差。

圖7  RC等效熱網絡模型

四：熱敏感電參數法

半導體物理器件的內部微觀物理參數與器件溫度具有一一對應的映射關係。

這種受器件內部結溫影響的外部電氣特徵參數稱之為熱敏感電參數法。

熱敏電參數法包括：靜態熱敏感電參數法和動態熱敏感電參數法。

其中靜態熱敏感電參數法主要包括：小電流飽和壓降法、大電流注入法、驅動電壓降差比法、集電極開啟電壓法、短路電流法等。

動態熱敏感電參數法主要包括：閾值電壓法、內置驅動溫敏電阻法等。

熱敏感電參數性能比較：

圖8  熱敏感電參數性能比較

圖9  IGBT結溫提取幾種方法的綜合比較

參考文獻

基於動態熱敏電參數法的大容量IGBT模塊結溫在線提取原理與方法研究－羅皓澤

On－lineestimation of IGBT junction temperature using on－state voltage drop

An online Vcemeasurement and temperature estimation method for high power IGBT module innormal PWM operation

Investigation ofTemperature Sensitive Electrical Parameters for Power Semiconductors （IGBT） inReal－Time Applications

Online junctiontemperature measurement via internal gate resistance during turn－on．

Temperaturemeasurement of power semiconductor devices by thermo－sensitive electricalparameters－A review．

junctionTemperature Measurement of IGBTs Using Short Circuit Current as a TemperatureSensitive Electrical Parameter for Converter Prototype Evaluation．

OnlineHigh－Power P－i－N Diode Chip Temperature Extraction and Prediction Method WithMaximum Recovery Current didt．

Evaluation ofthermo－sensitive electrical parameters based on the forward voltage for on－linechip temperature measurements of IGBT devices．

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