IGBT模块结温估计方法及其温度特性研究

2016-12-19杜明星唐吉林魏克新

电源学报 2016年6期

关键词：集电极结温电流

杜明星，李豹，唐吉林，魏克新

（天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384）

IGBT模块结温估计方法及其温度特性研究

杜明星，李豹，唐吉林，魏克新

（天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津300384）

为了准确快速地估计结温，研究了IGBT模块的温度特性及基于温度敏感电参数TSEP（temperature sensitive electrical parameters）的结温估计方法。首先在不同壳温的条件下，测量IGBT开关过程中的门极-射极电压Vge、集电极-射极电压Vce和集电极电流Ic，并以上述参数作为 TSEP；然后分析了TSEP随温度变化的机理，研究了TSEP典型特征与温度的关系，并将其量化；最后提出一种准确的IGBT结温估计方法。实验测试结果表明，基于TSEP的典型特征的结温估计方法切实可行。

绝缘栅双极型晶体管；结温；温度敏感电参数；估计方法

引言

绝缘栅双极型晶体管IGBT（insulated gate bipolar tramsistor）因拥有较宽的工作电压范围和大电流的处理能力等优点，故被广泛应用于电动汽车、高速机车和新能源发电等领域［1］。考虑到IGBT的应用领域较广，因此IGBT模块的可靠性研究是非常重要的，不仅有利于延长寿命，而且有利于降低电力电子系统的成本［2］。结温TJ是反应IGBT模块的健康状态的一个重要参数，其值直接受到焊料层损伤和键接线老化的影响［3］，因此，通过获取TJ的数值间接监测IGBT模块的可靠性是可行的［4］。为了准确估计温度，需研究健康状态下IGBT模块的电气特性与温度的关系。当IGBT处于降级状态时，考虑健康状态下的温度影响，得到准确的温度信息，以便于得到正确的故障诊断结论。

目前获取功率器件结温常用的3种有效方法是光学方法、物理接触方法和电气方法［5］。从状态监测技术的要求考虑，一种快速准确的温度测量方法是必要的，硬件成本和结构尽可能地不改变。由文献［6］可知，获取结温的最合适的方法是电气方法，其可满足状态监测技术的要求。电气方法主要关注IGBT模块的外部电气参数，可以为IGBT模块的门极、集电极、射极参数。

本文在探究半导体材料的基本物理参数随着温度变化规律的基础上，研究IGBT模块的温度敏感参数随温度的变化关系；然后研究了IGBT开关过程中阈值电压、集电极-射极电压或电流与温度的关系；介绍了不同温度下IGBT模块的测量装置，并讨论了试验结果。最后得到了IGBT特性与温度的关系。

1 IGBT的温度特性

1.1 阈值电压的温度特性

对于常用的功率器件而言，阈值电压VT的计算公式为

式中：φms为功函数差；Qox为氧化层电荷密度；Cox为门极氧化层电容；εs为半导体的介电常数；q为电子电荷；NA为衬底掺杂浓度。φB为P型衬底的费米能级，其计算公式为

式中：KT/q为热电压；ni为硅的本征载流子浓度［7］

考虑到φms不受到温度影响，将式（1）求导［8-10］得

由于Qox是固定的氧化层电荷，它本质上不依赖温度，因此式（3）可以简化为

其中

式中：Eg0为温度T等于0时的能隙［11］。

文献［12］的实际测试结果证实，在一个较大的温度范围内，ln ni与1/T是简单的线性关系。因此，根据上述理论分析可以很容易地导出，因费米能级的变化，阈值电压随着温度降低而增加。

1.2 开关过程的温度特征

1.2.1 开通过程

IGBT模块内部包括IGBT和二极管两部分，其模块的特性会受到二极管影响。由于载流子的寿命随着温度和迁移率的降低而增加，且IGBT的电荷存储区必须首先通过开通储存电荷，故开通过程随着温度升高而减小。换句话说，在漂移区的电荷存储量随着温度升高而减小。

考虑到IGBT寄生电感和负温度系数开关过程，集电极和射极尖峰电压随着温度上升而减小［13］。

1.2.2 关断过程

温度升高延缓了关断过程，但对开通过程延缓过程影响较小［14］。为了分析时间延迟现象，需要研究IGBT的物理机理。引起关断过程时间延迟的原因是门极-射极电压的延迟，这是因米勒平台的持续时间增加所致［15］。描述该结论的理论表达式为

式中：tdiff为米勒平台的持续时间；Rg为门极电阻；CGC为门极电容（米勒电容）；Vdc为直流中间环节电压；Von为通态电压；IL为负载电流；gm为跨导；Vth为阈值电压。

由式（2）可知，当CGC和Rg随着温度升高而变大时，米勒平台的持续时间tdiff随着温度的升高而增加。因此，在不同的温度条件下，可以采用Vge和Ice的时间延迟来估计IGBT芯片的结温。

2 测量装置和方法

图1给出了IGBT的测量装置和测量原理，该测量装置由IGBT模块、温度控制加热盘、源测量单元SMU（型号为Keithley 2636B and 2651A）和工控机等构成。

图1 测量装置和测量原理示意Fig.1 Schematic diagram of measureing equipmeut and measure principle

图2给出了源测量单元测量电路，主要包括电压模式和电流模式。测量系统可采用两线制或四线制测量方法，其中四线制测量方法通过将I/O SHI和SLO两个端子直接接入被测器件的方式来最小化或消除引线电阻的影响。为了提高测量精度，本文采用四线制测量方法，根据测试要求可选择电压或者电流模式。整个测量系统可实现许多测试功能，如实现功率器件门极驱动电路测试、电压源、电流源工作模式和功率器件壳温控制装置等。

图2 源测量单元的测量电路Fig.2 Circuit of SMU

3 测量结果与讨论

为了测取不同壳温下IGBT模块的温度特性，在基于源测量单元的实验测试装置的基础上，选取了双管封装IGBT芯片和续流二极管芯片IGBT模块各4个作为研究对象，分别测取不同温度下的门极-射极电压、集电极电流、集电极-射极电压等电信号，重点研究开关过程中的电参数的变化规律。具体测量结果及分析过程如下。

3.1 门极-射极电压

图3和图4分别给出了不同壳温下IGBT模块门极-射极电压的开通和关断过程曲线。曲线测量温度范围从25℃到125℃。从图3和图4中可以看出，IGBT模块门极-射极电压Vge的平台持续期随着温度增加而降低。因Vge的平台电压近似等于阈值电压，故实验结果与第2节的理论分析相一致。

根据图3和图4的曲线可以确定不同结温下的米勒平台电压，米勒平台电压与壳温的关系曲线如图5所示。图5（a）和（b）分别为门极开通和关断过程的平台电压随结温的变化曲线。从图5拟合结果可以看出，米勒平台电压和结温近似呈线性关系。因此IGBT的结温可以通过测量米勒平台电压来实现。

从式（4）可知，当IGBT工作条件变化时，门极-射极电压变化受外加电压和电流的影响较小。如果实验条件允许，可以在不同电压等级条件下对图5所示的拟合曲线进行实验修正。

图3 IGBT开通过程不同结温条件下的Vge曲线Fig.3 Waveforms of Vgeduring turn-on process of igbt under different junction temperatures

图4 IGBT关断过程不同结温条件下的Vge电压曲线Fig.4 Wareforms of Vgeduring turn-off process of IGBT under different junction temperatures

图5 IGBT开关过程不同结温条件下的Vge变化的拟合曲线Fig.5 Vgefitted curves during switching process of IGBT under different junction temperatures

3.2 集电极电流和集电极-射极电压

3.2.1 开通过程

IGBT开通过程度中，不同结温条件下的Vce、Ice曲线如图6所示。由图6可以看出，集电极与射极的电压和电流在不同结温下是不同的，且该曲线的主要特征是电压尖峰和时延。

为了描述结温的影响，图7拟合了电压和电流尖峰、时延与结温的拟合曲线。从图7中可以看出，随着结温的升高，电压和电流尖峰、时延均减小，它们之间的关系是线性的，可用于温度测量。与第2节的分析相一致。对于IGBT开通过程而言，时延不便于测量，故主要关注电流尖峰。而电流尖峰的产生主要因为寄生电感的存在，寄生电感的大小与工作频率和IGBT结构有关，与工作复杂无关。

图6 IGBT开通过程不同结温条件下Vce、Ice曲线Fig.6 Waveforms of Vce、Iceduring turn-off process of IGBT under different junction temperatures

图7 Vce和Ice时延与结温的拟合曲线Fig.7 Fitted curves of Vceand Icebetween delaytime and junction temperature

3.2.2 关断过程

图8给出了IGBT集电极-射极电压和电流的关断过程波形，该波形唯一特征是时间延迟。从这一点来看，图8曲线与图6不同。

图8 IGBT关断过程在不同结温条件下Vce、Ice曲线Fig.8 Waveforms of Vceand Iceduring turn-off process of IGBT under different junction temperatures

将时延与结温的关系进行拟合，结果如图9所示，从图中可看出，两条拟合曲线基本是线性的。

图9 Vce和Ice时延长短与结温关系的拟合曲线Fig.9 Fitted curves of Vceand Icebetween delaytime and junction temperature

当IGBT工作条件发生变化时，特别是负载电流和直流中间环节电压等参数变化时，图8和图9的测试结果需要重新测定。当然对于源测量单元来说，大功率工作条件下很难达到，需要另行设计测试电路。

4 结语

本文对基于IGBT模块电气参数测量值估计结温的方法进行了研究。重点揭示了IGBT模块内部IGBT电气参数与结温的内在关系；且门极-射极电压、集电极-射极电压和集电极电流与结温的关系被证明是近似线性的。因此，基于结温的状态监测方法可以实现，且有快速方便的优点。

本文的研究成果对开发以提高工作可靠性为目的的实用功率器件状态监测系统是非常有价值的，特别是对于应用面较广的IGBT模块。

［1］方鑫,周雒维,姚丹,等.IGBT模块寿命预测模型综述［J］.电源学报,2014,12（3）:14-21.Fang Xin,Zhou Luowei,Yao Dan,et al.An overview of IGBT life prediction models［J］.Journal of Power Supply,2014,12（3）:14-21（in Chinese）.

［2］Ma Ke,Liserre M,Blaabjerg F,et al.Thermal loading and lifetime estimation for power device considering mission profiles in wind power converter［J］.IEEE Transactions on Power Electronics,2015,30（2）:590-602.

［3］Tian Bo,Qiao Wei,Wang Ze,et al.Monitoring IGBT’s health condition via junction temperature variations［C］.Institute of Electrical and Electronics Engineers（IEEE）.2014 Twenty-Ninth Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition（APEC）,Fort Worth, Texas,USA,Curran Associates,Inc.,2014,2550-2555.

［4］张柏华,李虹,王博宇,等.混沌SPWM功率变换器IGBT的Icepak温升仿真与实验［J］.电源学报,2014,12（3）:42-46.Zhang Baihua,Li Hong,Wang Boyu,et al.Thermal simulation and experiments of IGBTs in chaotic SPWM converter based on Icepak software［J］.Journal of Power Supply,2014,12（3）:42-46（in Chinese）.

［5］Dupont L,Avenas Y,Jeannin PO.Comparison of junction temperature evaluations in a power IGBT module using an IR camera and three thermosensitive electrical parameters［J］.IEEE Transactions on Industry Applications,2013,49（4）:1599-1608.

［6］Sundaramoorthy V K,Bianda E,Kamel M,et al.Online junction temperature estimation for IGBT modules with paralleled semiconductor chips［C］.7th IET International Conference on Power Electronics,Machines and Drives（PEMD 2014）, Manchester,UnitedKingdom,2014:1-5.

［7］Liu Enke,Zhu Bingsheng,Luo Jinsheng.Semiconductor Physics［M］.Beijing:National Defense and Industry Press, 1994:60-61.

［8］Liu Xin,Dai Yuehua,Chen Junning,et al.Temperature characteristics of threshold voltage in single material double work function gate（SMDWG）MOSFET［C］.IEEE Computer Society,The 1st International Conference on Information Science and Engineering（ICISE2009）.Nanjing,China, 2009:5173-5176.

［9］Sze S M,Ng K K.Physics of Semiconductor Devices［M］.3rd Edition.Hoboken,New Jersy：A John Wiley&Sons, INC.,Publication,2007:318-319.

［10］Barlini D,Ciapp A M,Mermet-guyennet M,et al.Measurement of the transient junction temperature in MOSFET devices under operating conditions［J］.Microelectronics Reliability,2007,47（9）:1707-1712.

［11］Chen Zehua,Wong H,HanYan,et al,Temperature dependences of threshold voltage and drain-induced barrier lowering in 60 nm gate length MOS transistors［J］.Microelectronics Reliability,2014,54（6）:1109-1114.

［12］Dolny G M,Nostrand G E,Hill K E.The effect of temperature on lateral DMOS transistors in a power IC technology［J］.IEEE Transaction on Electron Devices,1992,39（4）:990-995.

［13］Jahdi S,Alatise O,Ran L,et al.Accurate Analytical modeling for switching energy of PiN diodes reverse recovery［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2015,62（3）:1461-1470.

［14］Xiang Dawei,Ran Li,Tavner P,et al.Condition monitoring power module solder fatigue using inverter harmonic identification［J］.IEEE Transactions on Power Electronics, 2012,27（1）:235-247.

［15］SundaramoorthyV K,Bianda E,Bloch R,et al.A study on IGBT junction temperature（Tj）online estimation using gateemitter voltage（Vge）at turn-off［J］.Microelectronics Reliability,2014,54（11）:2423-2431.

Research on Temperature Characteristics and Method of Junction Temperature of Estimation IGBT Module

DU Mingxing,LI Bao,TANG Jilin,WEI Kexin
（Tianjin Key Laboratory of control Theory and Applications in Complicated System,Tianjin University of Technology,Tianjin 300384,China）

In order to accurately estimate junction temperture,the temperature characteristics of insulated gate bipolar transistors（IGBTs）and junction temperature estimation method based on temperature sensitive electrical parameters（TSEP）are studied in this paper.The gate-emitter voltage Vge,collector-emitter voltage Vce,and collector current Icin different case temperature are measured during switching process,which are used as TSEP.The paper first analyzes the mechanism that the value of parameters changes with temperature,and then studied the relationship between typical characteristics of TSEP and temperature.The research aims at analyzins the temperature sensitivity of TSEP,providing a temperature measurement method of estimating accurately junction temperature of IGBTs.The experimental results show that the junction estimation method besed on typical characteristics of TSEP is feasible.

insulated gate bipolar transistors（IGBTs）;junction temperature;temperature sensitive electrical parameters（TSEP）;estimation method