一種IGBT熱阻測試方法的研究

張亞玲，李志剛，姚 芳，黃 歡

（河北工業大學 電氣工程學院，天津，300130）

一種IGBT熱阻測試方法的研究

張亞玲，李志剛，姚 芳，黃 歡

（河北工業大學 電氣工程學院，天津，300130）

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）工作時會產生大量的熱，這不僅會影響到其工作的可靠性，還會對其周圍的電路產生影響，降低整個系統的性能．因此對其進行準確的溫升和熱阻測量具有重要意義．論文闡述了利用直接測量結溫法測量IGBT熱阻的原理，介紹了熱阻測試系統的硬件構成及測試流程,并測試了模塊在不同功率下的熱阻值，對測量結果進行分析，發現該熱阻測試系統具有測量簡單、對不同運行條件適應性強、測量結果重復性好等優點，可作為測量IGBT溫升及熱阻的一種方法．

絕緣柵雙極晶體管；熱阻；硅凝膠灌封技術

0 引言

高頻化、大功率化和集成化是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）不斷發展的方向[1]．功率和集成度的增加使得IGBT所承受的功率密度不斷升高，同時隨著工作頻率的不斷增大器件的發熱也愈加嚴重．由于電力電子器件工作性能與可靠性等都與其工作結溫直接相關，例如IGBT的硅芯片的正常工作結溫不能超150℃，最新一代器件不超過175℃，結溫過高時芯片性能會降低[2]，而電力電子器件的熱阻抗直接影響器件的結溫[3]，因此，IGBT傳熱特性的研究對于延長IGBT的使用壽命提高其應用可靠性具有很重要的現實意義.

熱阻值是衡量器件熱性能好壞的重要參數，目前應用的熱阻測試方法主要有熱敏參數法[4-5]、紅外掃描成像法[6-7]和熱電偶法[8-9]．熱敏參數法是利用小電流下模塊結電壓與溫度之間的線性關系，通過測試溫敏參數間接獲取熱阻參數的方法．此法靈敏度高、測量迅速，且不易對器件造成破壞，但是測量過程中引入的誤差較多，不能獲得較準確的結溫及熱阻[10]．紅外掃描成像法是通過測量器件工作時芯片表面的紅外輻射得到芯片表面的二維溫度分布，進而得到結溫及其熱阻．但這種方法只能在模塊開封情況下進行，會對器件造成破壞，價格非常昂貴，對使用者的要求也高．熱電偶法是通過熱敏元件直接與芯片接觸，測量硅芯片表面某一點的溫度，同樣需要打開封裝且模塊內部空間布局有限只能將熱傳感器盡量靠近芯片四周布設，從而會帶來較大的測量誤差．

而利用光纖傳感器實測結溫的熱阻測量法可以減少測量過程中引入的中間誤差并且占用空間小可以更準確的測量IGBT的熱阻．光照到芯片表面的反射系數與芯片結溫相關，反射光子的濃度決定于結溫．對于像IGBT這樣的自發熱器件，可用單個光纖探頭來檢測反射光子濃度，從而實現結溫測量．光纖探頭體積小同時測溫精度高，故可以打開IGBT封裝將光纖探頭置于IGBT芯片上實現結溫的測量．本文在IGBT封裝打開以后，利用硅凝膠灌封技術將光纖探頭植入模塊內部，隨后再次將模塊封裝完好，最大程度減少開封對模塊熱傳導的影響．同時利用搭建的IGBT熱阻性能測試裝置對模塊的功率損耗和殼溫進行測試，進而得到IGBT的熱阻．

1 熱阻的計算與測量

1.1 熱阻的測量原理

根據電一熱比擬理論[11]，即溫度類比電壓、熱流量類比電流、熱阻類比電阻、結合電路中的歐姆定律和熱路中的傅里葉導熱定律可獲得IGBT模塊結殼間穩態熱阻在工程上的計算公式如下

式中：TJ為模塊的結溫；TC為模塊的殼溫（銅底板溫度）；PIOSS為模塊的平均功率損耗．

測定IGBT的熱阻必須測量式(1)中的3個參數TJ，TC和PIOSS，而準確地測量TJ則是測量熱阻的關鍵．如圖1所示的測試系統利用IGBT硅凝膠灌封技術使光纖傳感器與待測IGBT模塊內部芯片相連，從而達到直接對模塊結溫進行采集的目的．與電學法測熱阻相比，具有引入中間變量少，測量結果準確、重復性好等優點．

圖1 測試系統硬件結構圖Fig.1 Diagram of the system hardwarearcritecture

2 測試系統的實現

2.1 測試裝置硬件設計

IGBT熱阻測試系統的硬件結構主要由驅動電路，負載電路，溫度測試系統，散熱系統，溫度傳輸與儲存系統等組成，其中光纖傳感器利用硅凝膠灌封技術與待測IGBT模塊內部芯片相連，從而達到直接對模塊結溫進行采集的目的同時將溫度傳感器與溫控器相連，再分別與散熱風扇和驅動電路供電電源相連，達到對待測IGBT模塊進行過溫保護的目的．設計的硬件結構圖如圖1所示．

系統中關鍵模塊是溫度測試及采集系統，用于準確測量被測模塊的殼溫及結溫．

1）殼溫采集系統的設計與搭建

IGBT模塊一般應用于風電變流器等大功率場合且一般都在野外，為了盡可能地模擬實際工況下的試驗，測溫系統的溫度信號采集模塊采用無線數據采集設備SZ06，其具有通訊距離遠、抗干擾能力強的優點．溫度信號傳輸模塊接收溫度信號采集模塊發出的開關量信號，并通過USB接口與PC相連，將接收到的開關量信號輸送至PC機上，然后利用串口調試工具對測溫系統的通信情況進行調試，并將接收的溫度信號進行顯示．如圖2所示為殼溫測試系統的串口調試軟件的界面圖．

2）結溫采集系統的設計與搭建

實驗室條件下，為了對模塊的結溫進行數據采集，采用光纖測溫系統對IGBT模塊的結溫進行測試．光纖測溫技術屬于物理接觸法的范疇，為了將光纖置于芯片上而不對模塊產生任何損傷，故實驗室利用硅凝膠灌封技術對IGBT模塊進行了特殊處理，將OSP-A光纖溫度傳感器植入模塊內部，以達到對芯片溫度進行采集的目的．圖3為IGBT結溫測試實物．

圖2 殼溫測試系統的串口調試軟件界面圖Fig.2 Serialdebugging software interfaceof case temperature testing system

圖3 IGBT結溫測試實物Fig.3 Theobjectof junction temperature test

3 測量結果與分析

3.1 試驗測量結果

熱阻是器件的固有屬性，與器件材料、尺寸有關，因此在忽略模塊退化的條件下，測試環境不變時熱阻應該不變．為了驗證該熱阻測試系統的準確性，在周圍測試環境不變的前提下，測量IGBT在不同功率下的熱阻，測試結果如表1，其中m為試驗序號；p為平均功率損耗（W）；TC殼溫（℃）；TJ為結溫（℃）；RJC為結殼熱阻（℃/W）．

式中：n=8為測量次數；RJC為結殼熱阻的平均值；RJCi為第i次測量的結殼熱阻值；S2為8個熱阻值的樣本方差；為樣本的標準差．

表1 不同功率下熱阻測量值 ℃Tab.1 The thermal resistance atdifferentpower

圖4為不同功率損耗下的熱阻測量值，由試驗結果分析可知在8種不同功率下，熱阻值波動較小，可近似認為相等，這也從一方面驗證了測試系統的準確性．

圖4 熱阻測量值Fig.4 The thermal resistance in test

3.2 測量結果與出廠熱阻值的比較

由IGBT封裝結構各層材料的參數特性可以利用熱傳導法對IGBT的出廠熱阻進行計算．熱傳導法是基于對模塊的物理結構、材料屬性以及熱傳導方式的研究對熱阻參數進行提取的方法．由傳熱學的理論，而將熱流通道看成傳輸線，熱阻可以表示為

通過查閱資料分別獲得模塊內部各層導熱材料的厚度L、導熱系數K，同時計算各層的有效導熱面積A，通過式 (5)可以計算出各層材料的熱阻，IGBT芯片、IGBT焊料層、DBC上銅層、DBC陶瓷層、DBC下銅層、DBC焊料層及銅底板的熱阻依次以R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7標記，表2即為模塊各層材料的熱阻．

由表2可知：總熱阻RJC=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7=0.16℃/W．

表2 模塊各層材料的熱阻Tab.2 The thermal resistance ofmodule differentelement

通過比較基于實測結溫獲取的熱阻值與基于熱傳導法獲取的出廠熱阻值，發現基于實測結溫的熱阻值較出廠熱阻大．這是由于IGBT已經經過了一段時間的調試及使用，模塊有所退化．

4 結論

基于實測結溫獲取熱阻參數法的優點是能獲取任意時刻的結溫，并通過計算獲取工況下的熱阻，從而為其退化狀態做出評估．與其他熱阻測試的方法相比，此方法不僅測量方法簡便、測量結果準確且具有實時性．但由于實測結溫法對IGBT的封裝有一定的破壞且光纖傳感器價格較貴，因此目前僅適用于對IGBT熱特性的研究還不能用作工業生產的在線監測．

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[11]Luo ZH．A thermalmodel for IGBTmodulesand itsimplementation ina realtimesimulator[D]．Pittsburgh．USA：UniVersity of Pittsburgh，2002．

[責任編輯 代俊秋]

Developmentof a IGBT thermal resistance testdevice

ZHANG Yaling，LIZhigang，YAO Fang，HUANG Huan

(Schoolof Electrical Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

IGBT inworkingw illgenerate a lotof heatwhich notonly affect its reliability,butalso hasan impacton its surrounding circuitry,reducing the system performance.Therefore it is important tomeasure accurately its temperature riseand thermalresistance.Thispaperdescribesthemeasuring principleof IGBT thermal resistancewith directlymeasure junction temperature,and proves its feasibility.The paperalso introduces thehardware configuration and testing process of thermal testdevice,and tested thermal resistanceatvariouspower.Themeasurement resultswereanalyzed and found that the thermal resistance testdevice hasa lotofadvantagessuch assimple,strong adaptability to variousoperating conditionsand good reproducibility.Itcan be used asamethod ofmeasuring the IGBT junction temperature and thermal resistance.

IGBT;thermal resistance;siliconegelencapsulation technology

TM 930

A

1007-2373(2016)01-0001-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.001

2015-05-29

國家自然科學基金（51377044）；河北省科技支撐計劃（13214303D；14214503D）

張亞玲（1988-），女（漢族），碩士生．

數字出版日期：2016-01-22數字出版網址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160122.1118.004.htm l