功率半導體器件熱阻抗自動化測試及其控制策略

劉 波，朱 曄，楊云霄，馬 柯

（上海交通大學電子信息與電氣工程學院，上海 200240）

根據工業電力電子變換器可靠性問卷調查[1]，功率半導體器件是電力電子系統最易受損的部件之一，過熱導致的熱失效是功率半導體器件失效的主要原因之一[2-4]。因而分析電力電子系統中半導體器件的熱行為，并在此基礎上優化散熱設計具有重要意義。其中，如何高效、準確、可重復地提取功率半導體器件熱阻抗是需要解決的關鍵問題。

當前國內外對于功率半導體器件熱阻抗測試通常通過器件自身加熱或恒溫箱輔助加熱達到溫度穩定[5-8]，再通過測試數據確定加熱電流切斷時刻[9-10]。器件自身加熱或恒溫箱輔助加熱通常需要很長的時間才能達到溫度穩定，單次試驗耗時很長，試驗效率較低；加熱電流切斷時刻對熱阻抗曲線動態部分的結果影響較大，通過測試數據確定切斷時刻的方式，通常精度僅能做到秒級[9-10]，而且提取過程存在較多的人工干預，容易引入較大誤差。本文在現有器件熱阻抗測試相關國際標準的基礎上，提出基于數字信號處理器DSP（digital signal processor）及溫控散熱器的功率半導體器件熱阻抗自動化測試方法，避免了人工操作導致的誤差，通過溫控散熱器的預加熱縮短了溫度達到穩定的時間，提高了試驗效率。

1 功率半導體器件熱阻抗測量原理

1.1 功率半導體器件熱阻抗定義

功率半導體器件在開關及導通時會產生損耗，并產生熱能，表現為器件發熱；器件主要有3 種散熱形式：熱傳導、熱輻射、熱對流。對于電力電子功率器件而言，熱傳導是最主要的散熱形式。熱阻抗即是表征熱傳導的導熱性質的參數，包括熱阻和熱容。定義熱阻抗Zth為傳熱路徑上兩點溫度差除以損耗功率P[11]，即

功率半導體器件熱阻抗通?？傻刃閮煞N電熱比擬模型：Foster 模型及Cauer 模型[12]。圖1 所示為Foster 模型，是連鎖型“數學”等效模型，其熱阻抗可用指數形式表示為

圖1 電熱比擬模型-Foster 模型Fig.1 Electrothermal equivalent model（Foster model）

式中：Rth,v為第v 個熱傳導單元的熱阻；τth,v為第v個熱傳導單元的熱阻抗時間常數，與這一熱傳導單元的等效熱阻和熱容相關。

通過本文提出的自動化測試方法測量得到功率半導體器件的動態熱阻抗曲線，進而按照式（2）進行數據擬合，即可提取得到Foster 模型各部分。

1.2 熱阻抗測試的溫度測量要求

由式（1）可知，熱阻抗測試首先需要提取的參數是器件各部分的溫度，包括：結溫Tj、殼溫Tc、散熱器溫度Th、環境溫度Ta。為保證功率半導體器件的熱阻抗測試的準確性及可重復性，對于溫度測量方法、測溫點位置及測試流程，應符合相關測量標準的要求。

現行功率半導體器件熱阻抗測試相關國際標準主要是MIL-STD-883G[11]和JESD51[13]系列，對于溫度測量有以下表述：功率半導體器件的結溫Tj為半導體芯片區域的最高溫度，若芯片均勻加熱，芯片區域的最高溫度在芯片表面的中心處[13]；功率半導體器件的殼溫Tc為器件封裝外部可達到的最高溫度，應選取在芯片正下方的器件基板表面[11]；散熱器溫度Th目前不同的半導體生產廠家有不同的指定[12]，可選取功率半導體器件與散熱器連接的板跡線長邊中心處[13]或1/3 處[12]進行測量，或者在散熱器上鉆入一個直徑不大于2 mm 的孔進行測量[12]；環境溫度Ta是指對半導體元件實施冷卻的冷卻介質的溫度[13]，通過安裝熱電偶進行測量。

1.3 熱阻抗測試的功率測量及熱阻抗提取

由式（1）可知，測量功率半導體器件熱阻抗曲線的另一個重要參數是加熱功率，加熱功率是指半導體器件自身發熱功率，可通過器件的加熱過程提取，亦可通過冷卻過程提取[11,13]。若通過加熱過程提取，在器件溫度不斷上升的過程中，器件的導通壓降、導通損耗等電氣特性會隨溫度變化，很難保證加熱功率Ploss保持恒定。因此，本文選取冷卻過程提取熱阻抗曲線。提取熱阻抗曲線時，為使器件的電氣參數均達到穩態，需要加熱足夠長的時間，保證溫度達到穩態，這樣即可保證器件發熱功率Ploss保持恒定。以絕緣柵雙極型晶體管IGBT（insulated gate bipolar transistor）為例，此時發熱功率計算為

式中：Vce為IGBT 的集-射極電壓；Ih為通過IGBT流通的加熱電流。

在溫度穩定后切斷加熱電流，形成發熱功率負階躍。以結-殼熱阻抗Zth（j-c）為例，將式（1）進行變換，可得

式中，Tj（0）和Tc（0）為切斷時刻前器件的結溫和殼溫，即穩態時的結溫和殼溫。在測量并依據式（3）計算得到切斷加熱電流前穩態發熱功率Ploss后，即可根據式（4）計算得到待測器件的熱阻抗動態曲線。

2 熱阻抗自動化測試系統與流程

2.1 熱阻抗自動化測試的溫度測量實現

依據熱阻抗測試國際標準MIL-STD-883G[11]和JESD51[13]系列，本文確定溫度測量點分布如圖2 所示。圖中a 為光纖溫度傳感器，b 為虛線部分為功率半導體模塊，c 為功率半導體模塊中的IGBT 芯片，d 為功率半導體模塊基板，e 為導熱硅脂，f 為散熱器。

圖2 熱阻抗測試測溫點分布Fig.2 Distribution of temperature measurement points in thermal impedance test

對于功率半導體器件的結溫Tj，現有研究主要使用3 種方法即光學方法、物理接觸方法和熱敏電氣參數方法[14]來評估。其中，物理接觸方法可實時獲取并傳輸溫度數據?？紤]到器件動態熱阻抗提取需要測量溫度的快速變化，同時實時獲取溫度數據，物理接觸方法中的光纖測溫法可保證測量精度的同時保證較快的響應速度，因此選用光纖測溫法。依據JESD51-4[13]，結溫測溫位置應選取為芯片表面正中央，如圖2 中Tj所示。功率半導體器件的殼溫Tc與結溫Tj類似，為保證測量精度的同時保證較快的響應速度，也使用光纖測溫傳感器。依據MIL-STD-883G[11]，殼溫測溫位置應選取為器件殼下表面、芯片正下方中心位置處，如圖2 中Tc1所示?？紤]到光纖不能大角度彎折，而豎直孔安裝光纖易滑脫，受三棒式光纖夾持方法[15]的啟發，可使用如圖2 中Tc1處所示的上大下小的孔配合三棒式光纖夾持進行安裝，這樣可保證光纖的有效接觸。此外，根據文獻[16-17]，也可以從模塊底板上埋入傳感器測量芯片正下方溫度，并以此作為殼溫測量點，如圖2 中Tc2所示。

散熱器溫度Th由于其變化較慢，因此可使用光纖溫度傳感器或熱電偶進行測量。依據JESD51-6[13]，散熱器溫度測溫點應選取為器件封裝與散熱器接觸板跡線長邊的中心處，如圖2 中Th1所示。依據賽米控公司功率半導體應用手冊[9]，散熱器溫度測溫點還可選取為模塊側邊與芯片同高在長邊1/3位置（圖2 中Th2）或在散熱器上鉆入一個直徑不大于2 mm 的孔（圖2 中Th3）進行測量。

環境溫度Ta一般比較穩定，因此使用熱電偶測量即可，常見熱電偶的適用溫度與測量精度如表1 所示，出于對測量精度的考慮，本文選取T 型熱電偶。將T 型熱電偶貼于風扇入風口或冷卻水入口處獲得環境溫度。

表1 常見熱電偶的適用溫度與測量精度Tab.1 Applicable temperature and measurement accuracy of ordinary thermocouples

2.2 熱阻抗自動化測試電路

根據前述測量要求，可搭建功率半導體器件熱阻抗自動化測試電路，如圖3 所示。圖中，T1及D1為反并聯二極管的IGBT；驅動電路為IGBT 的控制驅動，由DSP 進行控制；恒流源為輸出電流恒定的電源；S1為固態繼電器，由DSP 發出控制信號進行控制；Ih測量為加熱電流的測量，可選用電流LEM；Vce測量為功率半導體器件導通壓降的測量電路，使用文獻[18]中所述測量電路。

圖3 功率半導體器件熱阻抗測試電路Fig.3 Circuit of thermal impedance test for power semiconductor device

當S1、T1均開通時，功率半導體器件T1產生導通損耗并發熱，通過Ih測量和Vce測量的數據并通過式（3）計算可得到器件的發熱功率；待系統各部分溫度達到穩定后，DSP 發出關斷控制信號，控制固態繼電器S1斷開，加熱電流快速切斷，發熱功率迅速降為0，從而形成發熱功率的負階躍。

2.3 熱阻抗自動化測試平臺系統結構

基于以上分析，本文提出一種新型熱阻抗測試系統，該系統主要基于DSP 控制器及溫控散熱器，如圖4 所示。

圖4 基于DSP 及溫控散熱器的熱阻抗測試系統Fig.4 Thermal impedance test system based on DSP and temperature-controlled heatsink

集成散熱器的功率電路主要包括待測功率半導體器件或模塊、測量電路、功率器件驅動電路。驅動電路控制功率半導體器件或模塊的開通關斷，即圖3 中驅動電路；待測功率半導體器件或模塊導通產生導通損耗并發熱，即圖3 中T1和D1；測量電路測量結溫、殼溫、散熱器溫度、環境溫度、集-射極電壓Vce、加熱電流Ih以及保護系統正常運行的相關參數，并將測量結果傳輸給DSP，圖3 中Ih測量和Vce測量屬于該測量電路的一部分。直流電源即為圖3 中恒流源，為功率電路提供加熱電流；固態繼電器及其驅動即圖3 中S1，控制加熱電流的接入及切斷，由DSP 進行控制。集成散熱器的功率電路、固態繼電器及其驅動以及直流電源構成圖3 所示的熱阻抗自動化測試的功率電路。與功率電路相對應的是由DSP 控制器及溫控系統組成的控制電路。DSP 接收測量電路的結溫、殼溫等數據，并判定溫度是否達到穩態，待溫度穩定后，DSP 發出控制信號控制固態繼電器切斷直流電源供電，即開始功率半導體器件熱阻抗曲線的測量。溫控系統與散熱器構成溫控散熱器，通過溫控散熱器對待測器件進行輔助加熱，加速系統溫度達到穩定。

相較于傳統的熱阻抗測量方法中溫度測量的秒級[9-10]精度，本文提出的新型熱阻抗測試系統期望將溫度測量精度精確至ms 級，使用DSP 配合外圍高速的模擬數字轉換AD（analog digital）芯片，可很好地實現此測量精度。但是AD 芯片的引入，同時會引入采樣噪聲，影響測量結果的準確性?？紤]到采樣噪聲是疊加在采樣信號上的隨機噪聲，在DSP中對同一溫度點進行多次采樣，進行平均處理后作為該溫度點的結果，可有效減小采樣噪聲的影響。此外，熱阻抗測試的單次測試過程持續幾十min，其間會產生大量的有效數據且需要進行存儲，而DSP 內部的存儲資源極其有限，本文提出的新型熱阻抗測試系統通過DSP 的通訊接口，將大量的數據實時發送至上位機進行接收并存儲，從而為DSP節省出大量資源用于執行自動化測試控制策略。同時，功率半導體瞬態熱阻抗曲線測量對于切斷時刻的確定非?？量?，由于動態熱阻抗曲線時間尺度期望達到ms 級，提取的切斷時刻超前或滯后實際切斷時刻幾ms 都將對瞬態熱阻抗曲線帶來較大影響。而本文提出的新型熱阻抗測試系統通過DSP 在切斷電流時刻發送此時的切斷時間，實現自動確定切斷時刻，可將切斷時刻精確至1 ms 精度，進而將熱阻抗測量結果時間尺度精確至10～2 s 以下，相較于人工確定切斷時刻的秒級精度有了極大提高。

總之，DSP 的引入為該測量平臺帶來了便利，也帶來了挑戰：①測量系統引入DSP，實現了熱阻抗測試進程的自動化；②測量系統引入DSP，實現自動準確確定切斷時刻；③由于DSP 需要采樣平臺的各部分溫度等數據，引入采樣噪聲，通過高速多次采樣并進行平均處理減小其影響；④由于DSP內部存儲資源有限，無法存儲大量的有效數據，通過通訊接口，發送至上位機進行存儲。

2.4 熱阻抗自動化測試控制策略

為了實現測試流程的自動化，可通過DSP 控制器及溫控系統組成的控制電路，結合如圖5 所示的熱阻抗自動化測試控制策略，自動判斷溫度穩定、自動確定切斷時刻。圖5 中，flag_stable 為DSP 內溫度穩定的標志位，flag_off 為加熱電流切斷標志位。

圖5 熱阻抗自動化測試控制策略Fig.5 Control strategy for thermal impedance automatic test

熱阻抗自動化測試流程分3 個階段：①S1為加熱階段，功率半導體器件導通并流過加熱電流Ih，器件溫度不斷上升，該階段持續時間較長，在此階段，通過溫度測量結構得到的溫度在DSP 內自動進行判定，5 min 內溫度波動ΔT≤0.5 ℃則視為穩定，將溫度穩定的標志位flag_stable 置1，并進入下一階段；②S2為溫度穩定階段，結殼溫度達到穩定，溫度穩定標志位為1，此階段獲取穩態結溫Tj（0）及其他穩態溫度、穩態發熱功率Ploss，并等待DSP 發出切斷信號；③S3為冷卻階段，即熱阻抗動態曲線提取階段，t1時刻，DSP 發出切斷信號，切斷標志位flag_off 置為1，DSP 通過GPI/O 向驅動電路發送指令，控制固態繼電器切斷加熱電流，Ih迅速降為0，結溫快速下降，并在t1時刻開始向上位機發送切斷的時刻t1、切斷前電壓、電流以及切斷后100 s 的結溫、殼溫等數據。100 s 后測試結束，根據傳輸的數據，按照式（4）處理并進行作圖，即可得到熱阻抗曲線。

3 實驗結果分析及驗證

本文基于DSP 及溫控散熱器的功率半導體器件熱阻抗測試平臺的實物如圖6 所示。本文中，所測量的功率半導體模塊為斯達半導體的IGBT 模塊（GD75FFY65C5S，額定電壓650 V/額定電流75 A），DSP 選用TI 公司的TMS320F28335，光纖溫度傳感器選用Opsens 的OTG-F 光纖，其特性參數見表2。

圖6 基于DSP 及溫控散熱器的熱阻抗測試平臺-樣機Fig.6 Thermal impedance test platform based on DSP and temperature-controlled heatsink（prototype）

表2 Opsens OTG-F 光纖特性參數Tab.2 Characteristic parameters of Opsens OTG-F optic fiber

使用該平臺測量IGBT 模塊熱阻抗曲線，本文僅限討論單個IGBT 發熱情況下的熱阻抗，對于多芯片發熱的熱耦合問題，不在此討論。在25 ℃環境下進行測試，以20 A 電流加熱30 min，溫度達到穩定，按照圖5 中所示控制流程進行測量，實驗波形如圖7 所示。

選取圖2 中Tc1作為殼溫測量點，測量得到IGBT 模塊結殼溫度曲線如圖7（a）所示?？梢钥闯?，功率半導體器件在t1時刻切斷，結溫迅速跌落。選取圖2 中Tc1和Th3分別作為殼溫和散熱器溫度測量點，將測量得到的結溫、殼溫、散熱器溫度按照式（4）進行轉換求解，得到單個IGBT 發熱情況下的IGBT模塊結-殼熱阻抗曲線如圖7（b）所示，單個IGBT發熱情況下的IGBT 模塊殼-散熱器熱阻抗曲線如圖7（c）所示。根據圖7（b）可知測量得到穩態結殼熱阻為0577 ℃/W，數據手冊中IGBT 模塊穩態結殼熱阻抗為0.587 ℃/W，相對誤差為1.7%。在同樣的測試條件下，多次重復測試提取得到的結殼熱阻抗曲線如圖7（d）所示，圖中20 A-1～3 表示在20 A加熱電流下進行3 次實驗測量得到的結果，可以發現，不同時間的多次實驗結果能夠保持高度一致。

圖7 實驗波形Fig.7 Experimental waveforms

圖7（e）為采樣噪聲對結-殼熱阻抗曲線的影響，20 aver 是采用DSP 多次采樣取平均方法測量得到的結果，no 20 aver 是不進行處理的采樣測量得到的結果；可以看到，由于采樣噪聲的影響熱阻抗曲線有較大的毛刺，并且在0.01 s 以下部分，會帶來很大的尖刺和抖動，這是因為采樣噪聲在剛切斷時刻附近，相較于式（4）的分子項還比較大，對應影響也比較顯著。圖7（f）為切斷時刻的確定對結-殼熱阻抗曲線的影響，normal 曲線為正常準確確定切斷時刻時的熱阻抗曲線，lead 5 ms 曲線為提取的切斷時刻超前實際電流切斷時刻5 ms 的熱阻抗曲線，即以實際切斷時刻之前5 ms 的溫度數據作為切斷零時刻，lag 5 ms 曲線與lead 5 ms 類似，是提取的切斷時刻滯后實際電流切斷時刻5 ms 的熱阻抗曲線；可發現lead 5 ms 曲線在10-2℃/W 以下部分出現數據缺失，這是因為在此情況下，根據式（4）計算得到的前幾個數據為0，在對數坐標下是無效數據；lag 5 ms 曲線相較于normal 曲線出現上移，這是因為在此情況下選取的初始溫度，根據式（4）計算結果會偏大。因此提取的切斷時刻超前或滯后實際切斷時刻幾ms 都將對瞬態熱阻抗曲線帶來較大影響，本文裝置將切斷時刻精確至1 ms 精度，相較于人工確定切斷時刻的秒級精度有了極大提高。

此外，傳統測量方法進行一次測量達到溫度穩態需要極長的時間，而達到穩態的耗時與散熱器大小、材料、風速及功率半導體器件尺寸等多種因素相關。以本文測試平臺中的散熱器及功率模塊為例，若不加主動控制的溫控散熱器，達到溫度穩態需要1 h 左右；而加入溫控散熱器的本平臺，利用溫控散熱器輔助加熱，加速系統溫度達到穩定，可以將達到溫度穩態的時間縮減至30 min 左右，且無須人工判定溫度穩態，提高了實驗效率。

4 結論

本文結合功率半導體器件熱阻抗測量相關的測試標準，提出了一種新型熱阻抗測試系統及控制策略，該測試系統基于DSP 控制器及溫控散熱器。經過試驗驗證，本文提出的測試方法可提高功率半導體器件熱阻抗測試的測試效率，實現了測試流程的高度自動化，減少了人工干預導致誤差，且該測試方法具有較好的準確性和可重復性。此外，本文測試平臺及測試方法對復雜工況下的功率半導體器件熱阻抗提取及建模、結溫實時監測及器件壽命預估等研究具有重要意義。溫控散熱器的引入也為進一步研究散熱器溫度對功率半導體器件運行工況的影響帶來便利。