IGBT模塊結溫檢測與應用研究

馬漢卿

摘 要：IGBT（絕緣柵雙極型晶體管）在諸多領域得到廣泛應用，其可靠性關乎整個系統的穩定，而模塊的結溫是IGBT可靠性研究中至關重要的一環。IGBT芯片封裝在模塊內部，在實際工作電路中實現結溫的實時檢測非常困難。本文對各結溫測量方法實施的可行性及測量的準確性進行了研究，搭建了IGBT飽和壓降測試平臺，對結溫檢測的應用實例進行了研究探索。

關鍵詞：IGBT；結溫檢測；熱敏感電氣參數；飽和壓降；結溫應用

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和雙極型晶體管復合而成的一種器件。從IGBT失效的表現形式來看，可以分為四類：過熱應力導致的失效，過電應力導致的失效，機械結構導致的失效以及環境因素導致的失效。正常工作溫度范圍內，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結溫的實時監測對于提高電力電子系統的可靠性、成本效益及性能具有十分重要的作用。

1 IGBT模塊結溫檢測的研究現狀

1.1 物理接觸式測量法

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

1.2 光學非接觸測量法

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

1.3 熱阻抗模型預測法

基于待測模塊的實時損耗及瞬態熱阻抗網絡模型反推IGBT芯片結溫。功率損耗的實時計算與熱阻抗模型的建立相當困難，且隨著模塊的老化，熱阻抗模型的參數也會發生變化，對其準確度有很大影響。

1.4 熱敏感電參數法

物質的物理特性與溫度有密切關系，會隨著溫度的不同而改變， 可通過物質隨溫度變化的某些特性來間接測量溫度[3]。IGBT模塊的電氣參數通常與溫度具有一定的映射關系。反應到微觀則體現在載流子的遷移率與溫度相關。受結溫影響的電氣特征參數稱為熱敏感電參數[4]。通過對熱敏感電參數的測量，即可對芯片結溫進行逆向檢測。該技術無需改變模塊封裝結構，且其響應速度快、精度高、成本低，具有很好的工程應用價值。

2 飽和壓降測試平臺

目前常用的熱敏感電參數包括：飽和壓降Vcesat、柵極開通延時時間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，被測試的IGBT被放入恒溫加熱臺中，調節直流電源，搭配功率電阻獲得特定的負載電流。

當IGBT模塊注入小電流時（≤100m A），飽和壓降VCE與結溫TJ具有優越的線性關系。工況條件下，模塊在大電流下將產生自熱，使飽和壓降VCE與結溫TJ不再具備線性關系。研究表明，IGBT 模塊通過集電極電流脈寬小于1ms時，模塊無自熱效應。將待測IGBT置于加熱臺上，用亞克力五面盒將其扣住隔熱。設定加熱臺溫度，保持足夠的加熱時間使IGBT結殼溫度完全一致，則設定溫度即為芯片結溫。此時調節直流電源，設定集電極電流IC的值，驅動IGBT導通并記錄下該條件下的飽和壓降VCE。待IGBT達到熱平衡后，調節直流電源，改變集電極電流IC，重復上一過程。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據。然后改變恒溫加熱臺的溫度，在不同溫度條件下重復此步驟，完成樣本采集。

3 結溫檢測的應用

器件的壽命取決于運行條件。長期的工作會給IGBT模塊帶來頻繁的熱應力與機械應力沖擊。這些沖擊最終將導致器件的失效。因此，準確掌握模塊的結溫有助于提高設備的可靠性，有助于器件的壽命預測分析。

壽命預測目前的主要研究方法包括物理模型法與解析式法[5]。壽命預測解析模型認為功率器件的壽命主要依賴于器件的結溫。包括溫度變化量、波動時間、波動頻率、平均值等。對于解析式而言，其優點是不需要繁瑣的實驗與建模。存在的主要問題是結溫參數難以提取。通常采用相關損傷累積理論計算離線功率器件的損傷度和壽命。本文的工作對于結溫提取提供了一定的幫助；壽命預測物理模型則基于模塊內部疲勞老化和應力變形的物理結構。模型的構建對內部物理參數的要求非常高，需要復雜的計算，并對設備硬件提出很高的要求。

4 結論

溫敏參數法作為結溫評估中最有潛力的方法，其精度受到電氣參數與結溫之間復雜的非線性關系的限制。下一步工作可以將溫敏參數法與神經網絡結合，利用其在非線性領域優秀的擬合能力對結溫的實時檢測做進一步研究。

參考文獻：

[1]陳明，胡安.IGBT結溫模擬和探測方法比對研究[J].電機與控制學報，2011，15（12）：44-50.

[2]毛婭婕.絕緣柵雙極型晶體管結溫測量方法的研究[D].重慶大學，2013.

[3]胡鴻志.基于新型溫度傳感器的數字溫度計設計[J].電子測量與儀器學報，2011，25（08）：741-743.

[4]陳娜，李鵬，江劍等.中高壓IGBT開關特性的遺傳神經網絡預測[J].電工技術學報，2013，25（02）：239-254.

[5]魯光祝.IGBT功率模塊壽命預測技術研究[D].重慶大學，2012.