功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)（六）——瞬態(tài)熱測量

/ 前言 /

功率半導(dǎo)體熱設(shè)計是實現(xiàn)IGBT、碳化硅SiC高功率密度的基礎(chǔ)，只有掌握功率半導(dǎo)體的熱設(shè)計基礎(chǔ)知識，才能完成精確熱設(shè)計，提高功率器件的利用率，降低系統(tǒng)成本，并保證系統(tǒng)的可靠性。

功率器件熱設(shè)計基礎(chǔ)系列文章會比較系統(tǒng)地講解熱設(shè)計基礎(chǔ)知識，相關(guān)標準和工程測量方法。

確定熱阻抗曲線

測量原理——R th /Z th 基礎(chǔ)：

IEC 60747-9即GB/T 29332半導(dǎo)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(wěn)定結(jié)溫T _j 。關(guān)閉加載電流，記錄器件的降溫過程。

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

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

實際計算隨時間變化的熱阻抗Z _th(x-y) (t)，記錄的溫度曲線需要垂直鏡像，并移動到坐標系的原點。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(jié)溫，模塊將施加一個測量小電流(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(jié)溫T _j(t) 可借助標定曲線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(shù)曲線V _CE /V _F =f(T _j @I _ref ) （見圖二）是通過外部均勻加熱被測模塊的方式提前定標記錄下來的。

圖二：標定曲線示例，通過測量規(guī)定測量電流下的飽和電壓來確定結(jié)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(見圖三，左側(cè))。在這兩種情況下，熱電偶投影軸心位于每塊芯片的中心(見圖三，右側(cè))。

R _th /Z _th 測量的挑戰(zhàn)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？

在冷卻階段開始時，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，由于小的時間常數(shù)，很短的時間會導(dǎo)致T _vj 發(fā)生很大變化，因此這是一個非常重要的測量時間段。另一方面，此時也會出現(xiàn)振蕩，給測量帶來很大困難，見圖四。小于某個截止時間t _cut 的所有時間點上的數(shù)據(jù)不可以用，但在此時間間隔內(nèi)的溫度變化ΔT _J (t _cut )又很重要，好在對于短時間t，在?T _J (t)和時間t的平方根存在幾乎線性的關(guān)系，可以用于推算出T _J0 ，見圖五。

圖四：降溫曲線 ^4）

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

c、ρ和λ別是板材料的比熱、密度和導(dǎo)熱系數(shù)。

圖五：確定初始結(jié)溫T _J0 =T _J (t=0 ) ^4 ）

在英飛凌應(yīng)用指南AN2015-10提到了目前正在使用一種改進的測量系統(tǒng)（見圖六）。

圖六：優(yōu)化的模擬/數(shù)字測量設(shè)備

隨著技術(shù)和產(chǎn)品的進步，英飛凌重新制定了R _th /Z _th 測量方法和仿真方法。通過使用新的測量設(shè)備，現(xiàn)在可以更精確地確定IGBT模塊的R _th /Z _th 值 ³⁾ 。

圖七對此進行了簡化描述。與以前的測量系統(tǒng)"A"相比，修改后的測量系統(tǒng)"B"在 t =0時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，同時也會影響熱阻抗Z th 。

圖七：比較原測量系統(tǒng)（A）與改進后的測量系統(tǒng)（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)過優(yōu)化，可最高效地把熱傳導(dǎo)至散熱器，以適應(yīng)半導(dǎo)體使用的典型高工作溫度。因此，數(shù)據(jù)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，用戶應(yīng)自行測量特定熱阻抗，可能會顯著增加。

小結(jié)

1

瞬態(tài)熱阻一般是用降溫曲線測得的，這樣，溫度敏感參數(shù)(TSP)就不會受到加熱電壓或加熱電流的干擾，在測量過程中也無需控制加熱功率。雖然不推薦使用加熱曲線，但如果在加熱脈沖時間內(nèi)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 ^4） 。

2

數(shù)據(jù)手冊中的Z _thCH 和Z _thJH ，是高溫下的值，在器件殼溫低時候，需要考慮數(shù)值是否變大 ^3） 。

3

額外的收獲是，通過公式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，可以用來驗證測試值。