功率器件熱設計基礎（六）——瞬態(tài)熱測量

/ 前言 /

功率半導體熱設計是實(shí)現IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎，只有掌握功率半導體的熱設計基礎知識，才能完成精確熱設計，提高功率器件的利用率，降低系統成本，并保證系統的可靠性。

功率器件熱設計基礎系列文章會(huì )比較系統地講解熱設計基礎知識，相關(guān)標準和工程測量方法。

確定熱阻抗曲線(xiàn)

測量原理——R th /Z th 基礎：

IEC 60747-9即GB/T 29332半導體器件分立器件第9部分：絕緣柵雙極晶體管（IGBT）（等同采用）中描述了測量的基本原理。確定熱阻抗的方法如圖1所示。恒定功率P _L 由加載的電流產(chǎn)生，并達到穩定結溫T _j 。關(guān)閉加載電流，記錄器件的降溫過(guò)程。

熱阻R _th(x-y) 是兩個(gè)溫度T _x0 和T _y0 在t=0時(shí)（達到熱平衡，結溫穩定時(shí)）的差值除以P _L 。

熱模型升溫和降溫是對稱(chēng)的，關(guān)斷時(shí)刻的溫度減去降溫曲線(xiàn)就是升溫曲線(xiàn)，而關(guān)斷時(shí)刻的起始溫度T _J0 精確獲得是關(guān)鍵。

實(shí)際計算隨時(shí)間變化的熱阻抗Z _th(x-y) (t)，記錄的溫度曲線(xiàn)需要垂直鏡像，并移動(dòng)到坐標系的原點(diǎn)。然后將T _x (t)和T _y (t)的差值除以P _L 求得Z _th(x-y) (t)。

圖一：熱阻抗測量方法

為了確定冷卻階段的結溫，模塊將施加一個(gè)測量小電流(I _ref 約為1/1000 Inom)，并記錄由此產(chǎn)生的IGBT的飽和壓降或二極管的正向電壓。結溫T _j(t) 可借助標定曲線(xiàn)從測量的飽和壓降或正向電壓中確定T _j =f(V _CE /V _F @I _ref )。其反函數曲線(xiàn)V _CE /V _F =f(T _j @I _ref ) （見(jiàn)圖二）是通過(guò)外部均勻加熱被測模塊的方式提前定標記錄下來(lái)的。

圖二：標定曲線(xiàn)示例，通過(guò)測量規定測量電流下的飽和電壓來(lái)確定結溫

圖三：3.3kV 140x190mm2模塊外殼溫度T _c 和散熱器溫度T _h 以及傳感器位置示例

外殼溫度T _c 和散熱器溫度T _h 是通過(guò)熱電偶測定的。這是它們分別與模塊底板和散熱器接觸的位置(見(jiàn)圖三，左側)。在這兩種情況下，熱電偶投影軸心位于每塊芯片的中心(見(jiàn)圖三，右側)。

R _th /Z _th 測量的挑戰和優(yōu)化

模塊的瞬態(tài)熱阻最小為1毫秒，單管是1us，而且給出單脈沖和不同占空比下的值，這如何測量的呢？

在冷卻階段開(kāi)始時(shí)，就需要精確測量以確定準確的T _j 和T _c 。需要指出的是，關(guān)斷后，由于小的時(shí)間常數，很短的時(shí)間會(huì )導致T _vj 發(fā)生很大變化，因此這是一個(gè)非常重要的測量時(shí)間段。另一方面，此時(shí)也會(huì )出現振蕩，給測量帶來(lái)很大困難，見(jiàn)圖四。小于某個(gè)截止時(shí)間t _cut 的所有時(shí)間點(diǎn)上的數據不可以用，但在此時(shí)間間隔內的溫度變化ΔT _J (t _cut )又很重要，好在對于短時(shí)間t，在?T _J (t)和時(shí)間t的平方根存在幾乎線(xiàn)性的關(guān)系，可以用于推算出T _J0 ，見(jiàn)圖五。

圖四：降溫曲線(xiàn) ^4）

因為，對于均質(zhì)材料的"半無(wú)限"散熱器板（即表面積無(wú)限大的板--確保垂直于表面的一維熱流--厚度無(wú)限大），其表面以恒定的功率密度P _H /A加熱，當加熱功率開(kāi)啟/關(guān)閉時(shí)，表面溫度隨加熱/冷卻時(shí)間的平方根線(xiàn)性上升/下降。

c、ρ和λ別是板材料的比熱、密度和導熱系數。

圖五：確定初始結溫T _J0 =T _J (t=0 ) ^4 ）

在英飛凌應用指南AN2015-10提到了目前正在使用一種改進(jìn)的測量系統（見(jiàn)圖六）。

圖六：優(yōu)化的模擬/數字測量設備

隨著(zhù)技術(shù)和產(chǎn)品的進(jìn)步，英飛凌重新制定了R _th /Z _th 測量方法和仿真方法。通過(guò)使用新的測量設備，現在可以更精確地確定IGBT模塊的R _th /Z _th 值 ³⁾ 。

圖七對此進(jìn)行了簡(jiǎn)化描述。與以前的測量系統"A"相比，修改后的測量系統"B"在 t =0時(shí)T _j 和T _c 之間的差值更大。如圖一所示，這一溫差與熱阻R th 成正比，同時(shí)也會(huì )影響熱阻抗Z th 。

圖七：比較原測量系統（A）與改進(jìn)后的測量系統（B）

熱阻抗與溫度有關(guān)

由于模塊的熱力學(xué)行為，外殼和散熱器之間的熱阻抗（Z _thCH 和Z _thJH ）與溫度有關(guān)。模塊經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可最高效地把熱傳導至散熱器，以適應半導體使用的典型高工作溫度。因此，數據手冊條件僅反映高溫運行工況，如果模塊在較低的外殼溫度下運行，用戶(hù)應自行測量特定熱阻抗，可能會(huì )顯著(zhù)增加。

小結

1

瞬態(tài)熱阻一般是用降溫曲線(xiàn)測得的，這樣，溫度敏感參數(TSP)就不會(huì )受到加熱電壓或加熱電流的干擾，在測量過(guò)程中也無(wú)需控制加熱功率。雖然不推薦使用加熱曲線(xiàn)，但如果在加熱脈沖時(shí)間內加熱功率P _H 恒定，且能保證不與芯片上的獨立TSP器件發(fā)生電氣串擾，則原則上也可使用加熱曲線(xiàn) ^4） 。

2

數據手冊中的Z _thCH 和Z _thJH ，是高溫下的值，在器件殼溫低時(shí)候，需要考慮數值是否變大 ^3） 。

3

額外的收獲是，通過(guò)公式1，可以計算出芯片的有效面積 ⁴⁾ ，由于芯片有效面積是知道的，可以用來(lái)驗證測試值。