IGBT模塊結(jié)溫檢測(cè)與應(yīng)用研究

馬漢卿

摘 要：IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）在諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其可靠性關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定，而模塊的結(jié)溫是IGBT可靠性研究中至關(guān)重要的一環(huán)。IGBT芯片封裝在模塊內(nèi)部，在實(shí)際工作電路中實(shí)現(xiàn)結(jié)溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)非常困難。本文對(duì)各結(jié)溫測(cè)量方法實(shí)施的可行性及測(cè)量的準(zhǔn)確性進(jìn)行了研究，搭建了IGBT飽和壓降測(cè)試平臺(tái)，對(duì)結(jié)溫檢測(cè)的應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行了研究探索。

關(guān)鍵詞：IGBT；結(jié)溫檢測(cè)；熱敏感電氣參數(shù)；飽和壓降；結(jié)溫應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.07.124

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管是由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的一種器件。從IGBT失效的表現(xiàn)形式來看，可以分為四類：過熱應(yīng)力導(dǎo)致的失效，過電應(yīng)力導(dǎo)致的失效，機(jī)械結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的失效以及環(huán)境因素導(dǎo)致的失效。正常工作溫度范圍內(nèi)，溫度每上升10 ℃，器件失效概率以近2 倍的速率上升[1]。因此，IGBT結(jié)溫的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于提高電力電子系統(tǒng)的可靠性、成本效益及性能具有十分重要的作用。

1 IGBT模塊結(jié)溫檢測(cè)的研究現(xiàn)狀

1.1 物理接觸式測(cè)量法

將熱電阻或熱電偶焊接于IGBT模塊內(nèi)部，從而獲取模塊內(nèi)部基板的局部溫度[2]。測(cè)量值與真實(shí)值存在較大誤差。利用熱敏電阻的方式需要額外的激勵(lì)源，響應(yīng)時(shí)間較慢。熱電偶的測(cè)量原理則基于熱電效應(yīng)，但因模塊內(nèi)部布局有限，存在操作不便的問題。

1.2 光學(xué)非接觸測(cè)量法

主要包括光纖測(cè)溫、紅外攝像測(cè)溫、紅外顯微鏡及輻射線測(cè)定儀等技術(shù)，其中紅外攝像測(cè)溫是最為常用的測(cè)溫方式。測(cè)量前亦需打開IGBT模塊的封裝，除去內(nèi)部填充的透明硅脂。該方案也屬于破壞性測(cè)量方法，且價(jià)格高昂。

1.3 熱阻抗模型預(yù)測(cè)法

基于待測(cè)模塊的實(shí)時(shí)損耗及瞬態(tài)熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型反推IGBT芯片結(jié)溫。功率損耗的實(shí)時(shí)計(jì)算與熱阻抗模型的建立相當(dāng)困難，且隨著模塊的老化，熱阻抗模型的參數(shù)也會(huì)發(fā)生變化，對(duì)其準(zhǔn)確度有很大影響。

1.4 熱敏感電參數(shù)法

物質(zhì)的物理特性與溫度有密切關(guān)系，會(huì)隨著溫度的不同而改變， 可通過物質(zhì)隨溫度變化的某些特性來間接測(cè)量溫度[3]。IGBT模塊的電氣參數(shù)通常與溫度具有一定的映射關(guān)系。反應(yīng)到微觀則體現(xiàn)在載流子的遷移率與溫度相關(guān)。受結(jié)溫影響的電氣特征參數(shù)稱為熱敏感電參數(shù)[4]。通過對(duì)熱敏感電參數(shù)的測(cè)量，即可對(duì)芯片結(jié)溫進(jìn)行逆向檢測(cè)。該技術(shù)無需改變模塊封裝結(jié)構(gòu)，且其響應(yīng)速度快、精度高、成本低，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值。

2 飽和壓降測(cè)試平臺(tái)

目前常用的熱敏感電參數(shù)包括：飽和壓降Vcesat、柵極開通延時(shí)時(shí)間tdon、閾值電壓Vge、集電極電流最大變化率（dic/dt）max以及集射極電壓變化率dvCE/dt等。飽和壓降測(cè)試原理如圖1所示。為了在不同溫度下獲得不同的集電極電流，被測(cè)試的IGBT被放入恒溫加熱臺(tái)中，調(diào)節(jié)直流電源，搭配功率電阻獲得特定的負(fù)載電流。

當(dāng)IGBT模塊注入小電流時(shí)（≤100m A），飽和壓降VCE與結(jié)溫TJ具有優(yōu)越的線性關(guān)系。工況條件下，模塊在大電流下將產(chǎn)生自熱，使飽和壓降VCE與結(jié)溫TJ不再具備線性關(guān)系。研究表明，IGBT 模塊通過集電極電流脈寬小于1ms時(shí)，模塊無自熱效應(yīng)。將待測(cè)IGBT置于加熱臺(tái)上，用亞克力五面盒將其扣住隔熱。設(shè)定加熱臺(tái)溫度，保持足夠的加熱時(shí)間使IGBT結(jié)殼溫度完全一致，則設(shè)定溫度即為芯片結(jié)溫。此時(shí)調(diào)節(jié)直流電源，設(shè)定集電極電流IC的值，驅(qū)動(dòng)IGBT導(dǎo)通并記錄下該條件下的飽和壓降VCE。待IGBT達(dá)到熱平衡后，調(diào)節(jié)直流電源，改變集電極電流IC，重復(fù)上一過程。在該溫度下，使集電極電流IC以一定的分度值將額定值覆蓋，此為同一溫度下的一組樣本數(shù)據(jù)。然后改變恒溫加熱臺(tái)的溫度，在不同溫度條件下重復(fù)此步驟，完成樣本采集。

3 結(jié)溫檢測(cè)的應(yīng)用

器件的壽命取決于運(yùn)行條件。長(zhǎng)期的工作會(huì)給IGBT模塊帶來頻繁的熱應(yīng)力與機(jī)械應(yīng)力沖擊。這些沖擊最終將導(dǎo)致器件的失效。因此，準(zhǔn)確掌握模塊的結(jié)溫有助于提高設(shè)備的可靠性，有助于器件的壽命預(yù)測(cè)分析。

壽命預(yù)測(cè)目前的主要研究方法包括物理模型法與解析式法[5]。壽命預(yù)測(cè)解析模型認(rèn)為功率器件的壽命主要依賴于器件的結(jié)溫。包括溫度變化量、波動(dòng)時(shí)間、波動(dòng)頻率、平均值等。對(duì)于解析式而言，其優(yōu)點(diǎn)是不需要繁瑣的實(shí)驗(yàn)與建模。存在的主要問題是結(jié)溫參數(shù)難以提取。通常采用相關(guān)損傷累積理論計(jì)算離線功率器件的損傷度和壽命。本文的工作對(duì)于結(jié)溫提取提供了一定的幫助；壽命預(yù)測(cè)物理模型則基于模塊內(nèi)部疲勞老化和應(yīng)力變形的物理結(jié)構(gòu)。模型的構(gòu)建對(duì)內(nèi)部物理參數(shù)的要求非常高，需要復(fù)雜的計(jì)算，并對(duì)設(shè)備硬件提出很高的要求。

4 結(jié)論

溫敏參數(shù)法作為結(jié)溫評(píng)估中最有潛力的方法，其精度受到電氣參數(shù)與結(jié)溫之間復(fù)雜的非線性關(guān)系的限制。下一步工作可以將溫敏參數(shù)法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，利用其在非線性領(lǐng)域優(yōu)秀的擬合能力對(duì)結(jié)溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)做進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

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