IGBT模块结温检测与应用研究

    马汉卿

    摘 要：IGBT（绝缘栅双极型晶体管）在诸多领域得到广泛应用，其可靠性关乎整个系统的稳定，而模块的结温是IGBT可靠性研究中至关重要的一环。IGBT芯片封装在模块内部，在实际工作电路中实现结温的实时检测非常困难。本文对各结温测量方法实施的可行性及测量的准确性进行了研究，搭建了IGBT饱和压降测试平台，对结温检测的应用实例进行了研究探索。

    关键词：IGBT；结温检测；热敏感电气参数；饱和压降；结温应用

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

    0 引言

    绝缘栅双极型晶体管是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件。从IGBT失效的表现形式来看，可以分为四类：过热应力导致的失效，过电应力导致的失效，机械结构导致的失效以及环境因素导致的失效。正常工作温度范围内，温度每上升10 ℃，器件失效概率以近2 倍的速率上升[1]。因此，IGBT結温的实时监测对于提高电力电子系统的可靠性、成本效益及性能具有十分重要的作用。

    1 IGBT模块结温检测的研究现状

    1.1 物理接触式测量法

    将热电阻或热电偶焊接于IGBT模块内部，从而获取模块内部基板的局部温度[2]。测量值与真实值存在较大误差。利用热敏电阻的方式需要额外的激励源，响应时间较慢。热电偶的测量原理则基于热电效应，但因模块内部布局有限，存在操作不便的问题。

    1.2 光学非接触测量法

    主要包括光纤测温、红外摄像测温、红外显微镜及辐射线测定仪等技术，其中红外摄像测温是最为常用的测温方式。测量前亦需打开IGBT模块的封装，除去内部填充的透明硅脂。该方案也属于破坏性测量方法，且价格高昂。

    1.3 热阻抗模型预测法

    基于待测模块的实时损耗及瞬态热阻抗网络模型反推IGBT芯片结温。功率损耗的实时计算与热阻抗模型的建立相当困难，且随着模块的老化，热阻抗模型的参数也会发生变化，对其准确度有很大影响。

    1.4 热敏感电参数法

    物质的物理特性与温度有密切关系，会随着温度的不同而改变， 可通过物质随温度变化的某些特性来间接测量温度[3]。IGBT模块的电气参数通常与温度具有一定的映射关系。反应到微观则体现在载流子的迁移率与温度相关。受结温影响的电气特征参数称为热敏感电参数[4]。通过对热敏感电参数的测量，即可对芯片结温进行逆向检测。该技术无需改变模块封装结构，且其响应速度快、精度高、成本低，具有很好的工程应用价值。

    2 饱和压降测试平台

    目前常用的热敏感电参数包括：饱和压降Vcesat、栅极开通延时时间tdon、阈值电压Vge、集电极电流最大变化率（dic/dt）max以及集射极电压变化率dvCE/dt等。饱和压降测试原理如图1所示。为了在不同温度下获得不同的集电极电流，被测试的IGBT被放入恒温加热台中，调节直流电源，搭配功率电阻获得特定的负载电流。

    当IGBT模块注入小电流时（≤100m A），饱和压降VCE与结温TJ具有优越的线性关系。工况条件下，模块在大电流下将产生自热，使饱和压降VCE与结温TJ不再具备线性关系。研究表明，IGBT 模块通过集电极电流脉宽小于1ms时，模块无自热效应。将待测IGBT置于加热台上，用亚克力五面盒将其扣住隔热。设定加热台温度，保持足够的加热时间使IGBT结壳温度完全一致，则设定温度即为芯片结温。此时调节直流电源，设定集电极电流IC的值，驱动IGBT导通并记录下该条件下的饱和压降VCE。待IGBT达到热平衡后，调节直流电源，改变集电极电流IC，重复上一过程。在该温度下，使集电极电流IC以一定的分度值将额定值覆盖，此为同一温度下的一组样本数据。然后改变恒温加热台的温度，在不同温度条件下重复此步骤，完成样本采集。

    3 结温检测的应用

    器件的寿命取决于运行条件。长期的工作会给IGBT模块带来频繁的热应力与机械应力冲击。这些冲击最终将导致器件的失效。因此，准确掌握模块的结温有助于提高设备的可靠性，有助于器件的寿命预测分析。

    寿命预测目前的主要研究方法包括物理模型法与解析式法[5]。寿命预测解析模型认为功率器件的寿命主要依赖于器件的结温。包括温度变化量、波动时间、波动频率、平均值等。对于解析式而言，其优点是不需要繁琐的实验与建模。存在的主要问题是结温参数难以提取。通常采用相关损伤累积理论计算离线功率器件的损伤度和寿命。本文的工作对于结温提取提供了一定的帮助；寿命预测物理模型则基于模块内部疲劳老化和应力变形的物理结构。模型的构建对内部物理参数的要求非常高，需要复杂的计算，并对设备硬件提出很高的要求。

    4 结论

    温敏参数法作为结温评估中最有潜力的方法，其精度受到电气参数与结温之间复杂的非线性关系的限制。下一步工作可以将温敏参数法与神经网络结合，利用其在非线性领域优秀的拟合能力对结温的实时检测做进一步研究。

    参考文献：

    [1]陈明，胡安.IGBT结温模拟和探测方法比对研究[J].电机与控制学报，2011，15（12）：44-50.

    [2]毛娅婕.绝缘栅双极型晶体管结温测量方法的研究[D].重庆大学，2013.

    [3]胡鸿志.基于新型温度传感器的数字温度计设计[J].电子测量与仪器学报，2011，25（08）：741-743.

    [4]陈娜，李鹏，江剑等.中高压IGBT开关特性的遗传神经网络预测[J].电工技术学报，2013，25（02）：239-254.

    [5]鲁光祝.IGBT功率模块寿命预测技术研究[D].重庆大学，2012.