功率器件热设计基础（六）——瞬态热测量

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/ 前言 /

 

功率半导体热设计是实现IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基础，只有掌握功率半导体的热设计基础知识，才能完成精确热设计，提高功率器件的利用率，降低系统成本，并保证系统的可靠性。

 

功率器件热设计基础系列文章会比较系统地讲解热设计基础知识，相关标准和工程测量方法。

 

确定热阻抗曲线

 

测量原理——Rth/Zth基础：

 

IEC 60747-9即GB/T 29332半导体器件分立器件第9部分：绝缘栅双极晶体管（IGBT）（等同采用）中描述了测量的基本原理。确定热阻抗的方法如图1所示。恒定功率PL由加载的电流产生，并达到稳定结温Tj。关闭加载电流，记录器件的降温过程。

 

热阻Rth(x-y)是两个温度Tx0和Ty0在t=0时（达到热平衡，结温稳定时）的差值除以PL。

 

 

热模型升温和降温是对称的，关断时刻的温度减去降温曲线就是升温曲线，而关断时刻的起始温度TJ0精确获得是关键。

实际计算随时间变化的热阻抗Zth(x-y)(t)，记录的温度曲线需要垂直镜像，并移动到坐标系的原点。然后将Tx(t)和Ty(t)的差值除以PL求得Zth(x-y)(t)。

 

图一：热阻抗测量方法

 

为了确定冷却阶段的结温，模块将施加一个测量小电流(Iref约为1/1000 Inom)，并记录由此产生的IGBT的饱和压降或二极管的正向电压。结温Tj(t) 可借助标定曲线从测量的饱和压降或正向电压中确定Tj=f(VCE/VF@Iref)。其反函数曲线VCE/VF=f(Tj@Iref)（见图二）是通过外部均匀加热被测模块的方式提前定标记录下来的。

 

图二：标定曲线示例，通过测量规定测量电流下的饱和电压来确定结温

 

图三：3.3kV 140x190mm²模块外壳温度Tc和散热器温度Th以及传感器位置示例

 

外壳温度Tc和散热器温度Th是通过热电偶测定的。这是它们分别与模块底板和散热器接触的位置(见图三，左侧)。在这两种情况下，热电偶投影轴心位于每块芯片的中心(见图三，右侧)。

 

Rth/Zth测量的挑战和优化

 

模块的瞬态热阻最小为1毫秒，单管是1us，而且给出单脉冲和不同占空比下的值，这如何测量的呢？

 

在冷却阶段开始时，就需要精确测量以确定准确的Tj和Tc。需要指出的是，关断后，由于小的时间常数，很短的时间会导致Tvj发生很大变化，因此这是一个非常重要的测量时间段。另一方面，此时也会出现振荡，给测量带来很大困难，见图四。小于某个截止时间tcut的所有时间点上的数据不可以用，但在此时间间隔内的温度变化ΔTJ(tcut)又很重要，好在对于短时间t，在∆TJ(t)和时间t的平方根存在几乎线性的关系，可以用于推算出TJ0，见图五。

 

图四：降温曲线4）

 

因为，对于均质材料的"半无限"散热器板（即表面积无限大的板--确保垂直于表面的一维热流--厚度无限大），其表面以恒定的功率密度PH/A加热，当加热功率开启/关闭时，表面温度随加热/冷却时间的平方根线性上升/下降。

 

c、ρ和λ别是板材料的比热、密度和导热系数。

 

图五：确定初始结温TJ0=TJ(t=0)4）

 

在英飞凌应用指南AN2015-10提到了目前正在使用一种改进的测量系统（见图六）。

 

图六：优化的模拟/数字测量设备

 

随着技术和产品的进步，英飞凌重新制定了Rth/Zth测量方法和仿真方法。通过使用新的测量设备，现在可以更精确地确定IGBT模块的Rth/Zth值3)。

图七对此进行了简化描述。与以前的测量系统"A"相比，修改后的测量系统"B"在t=0时Tj和Tc之间的差值更大。如图一所示，这一温差与热阻Rth成正比，同时也会影响热阻抗Zth。

 

图七：比较原测量系统（A）与改进后的测量系统（B）

 

热阻抗与温度有关

 

由于模块的热力学行为，外壳和散热器之间的热阻抗（ZthCH和ZthJH）与温度有关。模块经过优化，可最高效地把热传导至散热器，以适应半导体使用的典型高工作温度。因此，数据手册条件仅反映高温运行工况，如果模块在较低的外壳温度下运行，用户应自行测量特定热阻抗，可能会显著增加。

 

小结

 

1、瞬态热阻一般是用降温曲线测得的，这样，温度敏感参数(TSP)就不会受到加热电压或加热电流的干扰，在测量过程中也无需控制加热功率。虽然不推荐使用加热曲线，但如果在加热脉冲时间内加热功率PH恒定，且能保证不与芯片上的独立TSP器件发生电气串扰，则原则上也可使用加热曲线4）。

2、数据手册中的ZthCH和ZthJH，是高温下的值，在器件壳温低时候，需要考虑数值是否变大3）。

3、额外的收获是，通过公式1，可以计算出芯片的有效面积4)，由于芯片有效面积是知道的，可以用来验证测试值。

 

本文转载自：英飞凌工业半导体；作者：陈子颖

 

参考资料

 

1.《IGBT模块：技术、驱动和应用 》机械工业出版社

2. IEC 60747-9 Semiconductor devices - Discrete devices - Part 9: Insulated-gate bipolar transistors (IGBTs)

3. AN2015-10 Transient thermal measurements and thermal  equivalent circuit models

4.JESD51-14-Transient Dual Interface Test Method for the Measurement of the Thermal Resistance Junction to Case of Semiconductor Devices with Heat Flow Trough a Single Path