IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時延與結溫的關系

方化潮 鄭利兵 王春雷 方光榮 韓 立

?

IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時延與結溫的關系

方化潮1,2鄭利兵2王春雷1,2方光榮2韓 立2

（1. 中國科學院大學信息學院 北京 100190 2. 中國科學院電工研究所 北京 100180）

通過對IGBT模塊柵極電壓米勒平臺的時延與結溫j的關系進行研究，首先從理論角度分析了米勒平臺時延溫度特性；其次設計了穩定可靠的米勒時延測量系統實現柵極米勒平臺時間延遲的精確測量；最后，在一定條件（恒定電壓、恒定電流）下對米勒平臺的時延與結溫的關系進行了實驗驗證。理論與實驗均證實，米勒平臺的時間延遲隨結溫的變化而變化，且二者呈現非常好的線性比例關系，結溫j每升高1℃，柵極電壓米勒平臺時間延長0.74ns左右。

IGBT 柵極電壓 米勒平臺 溫度特性

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模塊是一種由多個IGBT芯片和功率二極管芯片、陶瓷覆銅基板（direct bonding copper substarte）、散熱底板、焊接層、鍵合引線及功率端子組成的電力電子集成模塊，已經廣泛應用在新能源發電、軌道交通、航空航天、高壓直流輸電等眾多領域中。IGBT模塊運行的可靠性直接關系到電網及機車運行等的穩定安全性能。然而由于IGBT模塊在實際應用場合中需要承受反復的高電壓大電流，而IGBT模塊內部各種材料熱膨脹系數不匹配導致的疲勞失效問題越來越突出。反復的功率循環或溫度循環會在鍵合線與芯片表面，焊接層與芯片底面產生反復的熱應力，將會導致鍵合線裂紋擴展甚至剝離，焊接層也會出現裂紋增長及空洞擴展[1-4]，從而導致IGBT模塊導通電阻和結殼熱阻增加，甚至會產生過熱使得IGBT模塊失效[5-9]。因此對于IGBT模塊可靠性監測是非常必要的。

IGBT及其互連結構均封裝在模塊內部，很難直接獲得封裝模塊內部的封裝失效信息。根據課題組前期的研究發現[10-13]，焊接層和鍵合線失效會影響IGBT模塊的溫度分布。因此結溫與IGBT模塊封裝失效存在一定的關系，進而利用一定條件下IGBT模塊結溫j的變化來間接反映模塊內部的失效便成為一種可行的方法[14]，如圖1所示。

圖1 IGBT模塊封裝缺陷對電氣特性的影響機理

目前測量結溫的方法主要有物理接觸法、光學法、熱網絡法和溫敏參數法[15-18]。物理接觸法簡單直接，但響應時間長，易受封裝材料如硅膠的影響，且需要改變模塊內部的空間布局。光學法為非接觸測量法，空間分辨率高，可反映芯片表面二維溫度分布，但必須有光學接觸，不適用全封模塊，且光學設備價格昂貴。熱網絡法也無需直接測量，簡單方便，但焊接層的老化會對模塊的熱網絡參數有影響，造成測量的不準確。溫敏參數法則是利用IGBT許多電氣特性中的溫度敏感性，通過建立IGBT端特性與結溫的關系來實現IGBT結溫的測量。該方法為非接觸式測量，適合于全封裝模塊，反應靈敏，多數可實現在線測量。

因此通過研究IGBT端部特性與結溫的相關性，便可以利用該端部的溫度特性測量結溫，進而實現IGBT模塊失效的在線監測。在IGBT端部特性中，柵極電壓米勒平臺也可作為其中之一，如圖2所示。在實際應用中，由于集電極多為感性負載，因柵漏極電容gc的存在，使IGBT柵極電壓在開關期間有一小段明顯平臺，即柵極電壓恒定，這種現象稱為米勒效應。

圖2 IGBT關斷時的柵極電壓米勒平臺

因為IGBT芯片的硅半導體參數（如本征載流子濃度、空穴電子遷移率和載流子壽命等）隨結溫的變化而變化，進而會引起IGBT模塊的端部電氣特性參數（如柵極電壓）的變化[16]。因此柵極電壓米勒平臺的時間延遲與結溫存在一定的相關性，但二者對應的定量關系還不清楚，因此研究IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時延與結溫的定量關系對于IGBT模塊的失效監測有著重要的意義。

基于此，本文首先從理論上分析了米勒時延與結溫的關系，然后設計并實現了柵極電壓米勒平臺時間延遲的精確測量系統，最后利用所設計的測量系統對IGBT模塊柵極電壓的溫度特性進行了實驗研究。

1 米勒平臺時延特性理論分析模型

米勒時延理論分析模型[16,18]為

其中

g,int=（3）

式中，g為門極電阻；gc為門極集電極電容；dc為直流電壓；ce(sat)為飽和壓降；m為轉移阻抗；T為閾值電壓；g,ext為柵極外電阻；g,int為柵極內電阻；為柵極內電阻與載流子遷移率的比例系數；ns為載流子遷移率；dep為耗盡層電容；oxd為交疊氧化層電容，B為基區摻雜濃度；BR為阻斷電壓；si為硅介電常數；為電荷量；為器件的有效面積；ox為單位柵極交疊氧化層電容；gs為源極電壓；ds為漏極與源極間電壓；g為禁帶寬度；pnp為共基極電流增益；T為閾值電壓；為閾值電壓線性系數；o為初始溫度；j為結溫；qnb為準中性基區壓降；pn為N+緩沖層與N-基區結的電壓降；ch為MOS溝道壓降。

由上述公式不難發現，米勒時延公式中的門極集電極電容即米勒電容gc、門極內電阻g,int、飽和壓降ce(sat)、轉移阻抗m及閾值電壓T均與結溫j存在一定的關系，故而米勒時延m與結溫存在一定的關系。同時模型參數文中均采用文獻中已有經驗公式及參數，在Matlab中求解上述公式得到米勒時延m與結溫j的關系如圖3所示。

圖3 米勒時延tm與結溫Tj的關系仿真曲線

由圖3可知，米勒時延與結溫呈近似線性關系，將仿真曲線進行最小二乘擬合，得到簡化的米勒時延與結溫的關系表達式為

m=0.707j+843.9 （12）

其擬合優度2=0.999，因此從仿真結果分析來看，柵極電壓米勒平臺的時延與結溫呈線性關系，且線性度非常好。

柵極米勒平臺時延的這一溫度特性為進一步測量IGBT模塊的結溫提供了可行性。為了驗證理論分析結果的正確性，本文設計了如下米勒時延精確測量系統。

2 米勒平臺時延測量系統

2.1 測量原理

1）信號轉換

米勒時延測量原理如圖4所示。根據柵極電壓的三階段特性，可以利用微分電路將柵極電壓米勒平臺的前后沿轉換為兩個微分脈沖，再通過對微分脈沖進行整形，利用數字測量技術測量兩個脈沖之間的時間間隔，也就得到了米勒平臺的時間延遲大小。

圖4 米勒時延測量原理

2）數字測量

傳統測量脈沖時間間隔的方法為脈沖填充法，其測量誤差為

D=（13）

式中，r為參考頻率，其測量精度取決于參考頻率大小，但太高的參考頻率易導致電路的不穩定。

本文采用了一種擴展的脈沖填充測量法即數字移相技術[19,20]或延遲線技術來測量雙脈沖之間的時間間隔，其原理如圖5所示。該方法利用一個由延遲單元構成的延遲鏈，將參考頻率順序延遲-1次，產生規律性相位順延的個參考頻率信號，個參考頻率信號正好構成一個周期，然后在同一計數閘門下對其分別計數，其測量誤差為

D=（14）

圖5 基于數字移相技術測量時間間隔的原理

式中，為計數個數；r為參考頻率，從而在不提高系統參考頻率的前提下提高測量精度。若上升沿和下降沿同時計數，其誤差進一步降低為原來的1/2，誤差為

D=（15）

因此若要達到1ns的時間分辨率，采用該方法，移動相位4次，同時對上、下沿計數，其參考頻率只需r=125MHz，若移相次數更多，參考頻率進一步提高，時間測量精度將會進一步提高。

2.2 系統設計

測量系統分為主控單元、驅動單元、信號調理單元、測量單元、顯示單元及上位機單元五部分，如圖6所示，其中：

圖6 參數在線測量系統原理

（1）主控單元：負責IGBT模塊的驅動信號產生、采集控制和數據讀取、LCD顯示及與上位機軟件通信。

（2）信號調理單元：將IGBT模塊的柵極驅動電壓信號提取出所需的米勒平臺信號，并將該信號調理成與嵌入式數字測量系統相匹配的電平脈沖信號，并將結溫信號通過熱電偶轉換成電壓信號，由AD模數轉換器轉換成數字量。

（3）測量單元：負責對調理后的米勒雙脈沖信號進行數字計數測量。采用可編程器件FPGA實現，利用FPGA內部PLL模塊產生移相的時鐘信號，并將各路移相時鐘信號送入各個計數器分別對閘門信號計數。

（4）顯示單元：將測量結果實時顯示到LCD液晶屏上。

（5）上位機軟件單元：與主控單元通信，發送控制命令，接收測量數據并將實時曲線顯示在界面上。

2.3 電路設計中的關鍵問題

米勒平臺脈沖提取電路原理如圖7所示，電阻3與電容1組成微分環節，將得到所需的微分雙脈沖，必須選取適當的微分參數，通過示波器測量可知，米勒時間延遲在1ms左右，故取時間常數為該時間常數的十分之一，即100ns，則m=31=100ns。

圖7 米勒平臺脈沖提取電路原理

采用Linear公司LT1711比較器組成比較環節，同時在比較器輸出與正端之間接入一電阻6，組成回滯比較器的形式以增強對噪聲抗干擾性，回滯電壓幅值為

由式（16）可知，當6=50kW時，回滯電壓約為100mV。

噪聲的抑制，噪聲幅度過大會導致誤觸發，產生噪聲電平，直接影響測量結果。為消除噪聲的影響，通過設計濾波電路，PCB合理布局減少電磁干擾，采用線性電源供電等方法，提高測量的準確性與可靠性。

對所述微分電路從1kHz～10GHz進行幅頻特性分析，結果如圖8所示，可知，加入濾波電路后，微分脈沖中的高頻噪聲得到抑制，實驗測試結果也驗證了這一結論。

（a）微分電路幅頻特性

（b）IGBT關斷瞬態柵極電壓與源漏極電壓波形

（c）沒有濾波電路時的微分脈沖

（d）采用濾波措施后的微分脈沖

圖8 微分脈沖濾波電路結果

Fig.8 The results of filter circuit of differential pulse

對FPGA內部關鍵的信號線（如時鐘信號線）進行均勻布線設計，盡量減小相位差。同時盡量縮短高頻信號線的長度，減小電流回路面積，從而降低電磁噪聲干擾。

數字計量方法的準確度，計量算法本身誤差、器件信號傳遞的延遲誤差等對測量結果的準確度有著重要的影響。對路移相計數值設置誤差閾值，若路移相計數值的誤差超出了所設置的誤差閾值，則認為計數值無效，同時進行多組測量并取平均值以保證計數測量的準確性。

3 實驗測量結果

3.1 測量系統測量精度驗證

米勒平臺時延是在開關過程時產生的，與IGBT模塊的驅動開關頻率沒有明顯的關系，只需保證IGBT模塊工作在開關狀態即可，驅動頻率可以選擇IGBT模塊開關頻率段內的任一頻率點，本文中選擇驅動頻率=1Hz。

為驗證米勒平臺時延測量系統的精度，在c= 5A，ce(on)=1V，=1Hz，=0.5，j=26℃的條件下，利用所設計的測量，如圖9所示的系統實驗裝置，對IGBT模塊的柵極電壓米勒平臺時延進行測量并與示波器測量結果進行對比。

圖9 測量系統實驗裝置

米勒平臺時延的測量和實驗結果如圖10所示。由圖10可見，經過電路濾波優化設計后，微分電路輸出的米勒平臺微分脈沖噪聲較低，米勒平臺整形后也未見電平跳變噪聲脈沖，較好地去除了電路中的噪聲干擾，保證了后序數字測量結果的信號穩定性。由圖10a示波器中游標測量結果可知，米勒雙脈沖之間時間間隔為860ns。

（a）米勒平臺時延示波器測量結果

（b）米勒平臺提取電路波形轉換實驗結果

圖10 米勒平臺時延的測量和實驗結果

Fig.10 The time delay of Miller plateau measured and experiment waveforms

米勒平臺提取電路波形轉換結果如圖10b所示，柵極電壓ge微分脈沖與閾值電壓通過比較器進行比較，當ge微分脈沖高于閾值電壓時，ge輸出低電平信號；當ge微分脈沖低于閾值電壓時，比較器輸出跳變為高電平信號。因此當閾值電壓低于微分雙脈沖間的峰值而高于雙脈沖的谷值時，便可得到如圖10所示的較為平整的雙脈沖方波信號。

由表1可知，測量系統的測量結果為861.3ns，標準差為1.13ns，與示波器測量結果吻合，誤差為0.15%，達到了預期的準確度要求，所設計的系統具有較好的噪聲抗干擾性，系統測量結果穩定可靠，為接下來進行溫度對米勒時間延遲影響的定量分析提供了條件。

表1 米勒平臺測量系統測量結果

Tab.1 The results of Miller plateau time delay measured by experimental setup

3.2 米勒平臺時間延遲與結溫關系實驗結果

在同樣條件（c=5A，ce(on)=1V，=1Hz，=0.5）下，通過加熱臺將IGBT模塊逐漸升溫，同時將熱電偶固定在IGBT芯片表面以實時測量IGBT芯片結溫j，在不同結溫j下對米勒平臺時延進行了測量，所得結果見表2。

表2 不同結溫j下米勒時延測量結果

Tab.2 The results of Miller plateau time delay at different junction temperature

圖11為米勒時延與結溫的擬合關系曲線。由圖11可知，經最小二乘法擬合得到擬合直線關系式為

m=0.73987j+841.1 （17）

圖11 米勒時延與結溫的擬合關系曲線

擬合曲線優度2=0.999 72。可見米勒時延隨著結溫的變化而變化，且與結溫呈現非常好的線性關系，與前述理論分析結果相吻合。本例中結溫j每升高1℃，柵極米勒電壓平臺的時間延遲就會延長0.74ns。

4 結論

本文首先設計并實現了IGBT模塊柵極電壓米勒平臺時間延遲的測量系統，通過多種抗噪聲干擾設計極大提高了系統的抗噪聲干擾性能，提高了系統的測量穩定性與可靠性。通過引入基于移相的數字時間測量方法，在不提高系統工作頻率的情況下極大提高了系統的測量準確度。所設計的米勒時延測量系統能夠達到將近1ns的準確度。

其次在一定的條件（電壓、電流恒定）下，對米勒時延與結溫的關系進行了理論仿真和實驗研究。仿真和實驗結果均表明，米勒時延隨結溫的變化而變化，且二者存在著非常好的線性關系。本文中，結溫每升高1℃，米勒平臺時間延長0.74ns左右，研究結果為進一步進行基于米勒平臺的IGBT模塊的失效監測提供了重要的理論與數據依據。

參考文獻

[1] Ciappa M. Selected failure mechanisms of modern power modules[J]. Microelectron Reliability, 2002, 42(4-5): 653-667.

[2] Kostandyan E E, Sorensen J D. Physics of failure as a basis for solder elements reliability assessment in wind turbines[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2012, 108(8): 100-107.

[3] Kostandyan E E, Sorensen J D. Reliability assess- ment of solder joints in power electronic modules by crack damage model for wind turbine applications[J]. Energies, 2011, 4(12): 2236-2248.

[4] Onuki J, Koizumi M, Suwa M. Reliability of thick Al wire bonds in IGBT modules for traction motor drives[J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2000, 23(1): 108-112.

[5] Bryant A T, Mawby P A, Palmer P R, et al. Exploration of power device reliability using compact device models and fast electrothermal simulation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2008, 44(3): 894-903.

[6] Biswal L, Krishna A, Sprunger D. Effect of solder voids on thermal performance of a high power electronic module[C]//Proceedings of 7th Paper Presented at the Electronic Packaging Technology Conference, Singapore, 2005, 2:526-531.

[7] 李輝, 劉盛權, 冉立, 等. 大功率并網風電機組變流器狀態監測技術綜述[J]. 電工技術學報, 2016, 31(8): 1-10.

Li Hui, Liu Shengquan, Ran Li, et al. Overview of condition monitoring technologiesof power converter for high power grid-connected wind turbine generator system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(8): 1-10.

[8] 王春雷, 鄭利兵, 方化潮, 等. 鍵合線失效對于IGBT模塊性能的影響分析[J]. 電工技術學報, 2014, 29(增1): 184-191.

Wang Chunlei, Zheng Libing, Fang Huachao, et al. Analysis of the performance effect with bonding wires lift-off in IGBT modules[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(S1): 184- 191.

[9] 于坤山, 謝立軍, 金銳. IGBT技術進展及其在柔性直流輸電中的應用[J]. 電力系統自動化, 2016, 40(6): 139-143.

Yu Kunshan, Xie Lijun, Jin Rui. Recent development and application prospects of IGBT in flexible HVDC power system[J]. Automation of Electric Power System, 2016, 40(6): 139-143.

[10] 鄭利兵, 韓立, 劉鈞, 等. 基于三維熱電耦合有限元模型的IGBT失效形式溫度特性研究[J]. 電工技術學報, 2011, 26(7): 242-246.

Zheng Libing, Han Li, Liu Jun, et al. Investigation of the temperature character of IGBT failure mode based on 3D thermal-electro coupling FEM[J]. Transactions of China Elecrotechnical Society, 2011, 26(7): 242-246.

[11] Li Bingzheng, Li Han, Jin Pengzun, et al. Investi- gation of the temperature character of IGBT wire bonding lift-off based the 3-D thermal-electro coupling FEM[J]. Advanced Materials Research, 2012, 616-618: 1689-1692.

[12] Lü Xiaofei, Zheng Libing, Kong Xiangdong, et al. The research of relationship between the void of DBC and the temperature distribution[C]//International Symposium on Paper Presented at the Advanced Packaging Materials (APM), Xiamen, 2011: 168- 171.

[13] Zheng Libing, Han Li, Liu Jun, et al. Investigation of the temperature character of IGBT solder delami- nation based the 3-D thermal-electro coupling FEM[C]// Paper Presented at the Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), Chengdu, 2010: 1-4.

[14] Yang Shaoyong, Xiang Dawei, Bryan A. Condition monitoring for device reliability in power electronic converters: a review[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(11): 2734-2752.

[15] Avenas Y, Dupont L, Khatir Z. Temperature mea- surement of power semiconductor devices by thermo-sensitive electrical parameters: a review[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(6): 3081-3092.

[16] 汪波, 胡安, 唐勇. 基于電熱模型的IGBT結溫預測與失效分析[J]. 電機與控制學報, 2012, 16(8): 87-93.

Wang Bo, Hu An, Tang Yong. Junction temperature forecast and failure analysis of IGBT based on electro-thermal model[J]. Electric Machines and Control, 2012, 16(8): 87-93.

[17] 楊旭, 周雒維, 杜雄, 等. 絕緣柵雙極型晶體管結溫測量方法及其發展[J]. 電測與儀表, 2012, 49(2): 7-12

Yang Xu, Zhou Luowei, Du Xiong, et al. Review of isolated gate bipolar transistor's junction temperature measurement[J]. Electrial Measurement & Instru- mentation, 2012, 49(2): 7-12.

[18] Kuhn H, Mertens A. On-line junction temperature measurement of IGBTs based on temperature sensitive electrical parameters[C]//13th European Conference on Paper Presented at the Power Elect- ronics and Applications, Barcelona, 2009:1-10.

[19] Baliga J. Temperature behavior of insulated gate transistor characteristics[J]. Solid-State Electronics, 1985, 28(3): 289-297.

[20] 謝登科, 徐端頤, 齊國生, 等. 基于數字移相的高精度脈寬測量系統及其FPGA實現[J]. 電子技術應用, 2004(1): 27-29.

Xie Dengke, Xu Ruiyi, Qi Guosheng, et al. Precision pulse width measurement system and its imple- mentation based on digital phase sshift technique[J]. Application of Electronic Technique, 2004(1): 27-29.

The Relationship Between Junction Temperature and Time Delay of Gate Voltage Miller Plateau of IGBT Module

1,221,222

（1. School of Information University of Chinese Academy of Science Beijing 100190 China 2. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science Beijing 100180 China）

The relationship between time delay of gate voltage Miller plateau on insulated gate bipolar transistor (IGBT) module and junction temperature has been researched in this paper. Firstly, the temperature characteristic of Miller plateau time delay has been analyzed. Secondly, a measurement system of gate voltage Miller plateau has been set up, which could measure the delay time of Miller plateau accurately and reliably. Finally, experiments verify the temperature characteristic of Miller plateau time delay. Both the simulation and the experimental results show that the time delay of Miller plateau varies with the junction temperature, which has a good linear relationship. In this paper, the time delay of Miller plateau increases 0.74 ns as the junction temperature increases 1℃.

Insulated gate bipolar transistor, gate voltage, Miller plateau, temperature characteristic

TM930.17

方化潮 男，1986年生，博士研究生，主要研究方向為電力電子器件封裝及在線監測技術。

E-mail: fanghuachao@mail.iee.ac.cn

鄭利兵 男，1972年生，副研究員，碩士生導師，主要研究方向為電力電子器件封裝技術。

E-mail: ieezlb@mail.iee.ac.cn（通信作者）

2014-08-10 改稿日期 2014-09-03

國家重大科技專項02專項：智能電網高壓芯片封裝與模塊技術研發及產業化資助項目（2011ZX02603）。