溫度循環(huán)下IGBT瞬態(tài)熱阻抗退化模型的研究

姚芳，王少杰，李志剛，陳盛華

（河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130）

溫度循環(huán)下IGBT瞬態(tài)熱阻抗退化模型的研究

姚芳，王少杰，李志剛，陳盛華

（河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130）

瞬態(tài)熱阻抗是表征IGBΤ模塊熱特性的重要參數(shù)，瞬態(tài)熱阻抗的退化可以反映模塊材料的退化，因此研究IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗的退化模型對(duì)IGBΤ狀態(tài)評(píng)估、壽命預(yù)測(cè)等研究有重大意義。利用溫度循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)IGBΤ進(jìn)行溫度循環(huán)沖擊老化，再利用瞬態(tài)熱阻抗測(cè)試平臺(tái)測(cè)試?yán)匣M(jìn)程中IGBΤ的瞬態(tài)熱阻抗曲線，得到模塊的退化情況。最后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果建立IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗退化數(shù)學(xué)模型，得到瞬態(tài)熱阻抗的退化規(guī)律。

退化模型；瞬態(tài)熱阻抗；溫度循環(huán)；絕緣柵雙極型晶體管

隨著功率半導(dǎo)體器件向高頻化、集成化、大功率化發(fā)展，由于自身產(chǎn)熱情況產(chǎn)生的熱損傷會(huì)嚴(yán)重影響到功率半導(dǎo)體器件的使用壽命。由于功率半導(dǎo)體器件經(jīng)常應(yīng)用于電力系統(tǒng)比較關(guān)鍵的部位，一旦失效會(huì)危及到整個(gè)電力系統(tǒng)的安全性［1-2］。在實(shí)際應(yīng)用中，有一半以上的功率器件失效是由熱相關(guān)問(wèn)題引起的［3-4］，穩(wěn)態(tài)熱阻以及瞬態(tài)熱阻抗為表征IGBΤ熱特性的重要參數(shù)。IGBΤ模塊在整個(gè)壽命周期內(nèi)是不斷退化的，處于不同階段健康狀態(tài)下的模塊的熱特性不同［5］，IGBΤ模塊退化的時(shí)間歷程中，退化程度會(huì)不斷加重，其退化程度是關(guān)于時(shí)間累積的函數(shù)，因此，研究瞬態(tài)熱阻抗的退化規(guī)律，對(duì)預(yù)測(cè)模塊壽命以及對(duì)模塊的健康狀態(tài)進(jìn)行評(píng)估均有十分重要的科學(xué)意義［6-7］。

1 基本原理

1.1 瞬態(tài)熱阻抗定義

IGBΤ模塊在工作過(guò)程中將會(huì)交替出現(xiàn)熱穩(wěn)態(tài)與熱瞬態(tài)2種狀態(tài)，IGBΤ處于熱穩(wěn)態(tài)時(shí)，各點(diǎn)溫度保持不變，輸入電功率P(t)等于熱耗散功率Ploss(t)，模塊整體表現(xiàn)出的阻熱性質(zhì)可以用穩(wěn)態(tài)熱阻來(lái)描述，其定義為

其中，結(jié)溫Tj、殼溫Tc及平均電功率P均為常數(shù)，功率P等于平均熱耗散功率Ploss。

IGBΤ處于熱瞬態(tài)的過(guò)程中，熱阻會(huì)隨時(shí)間變化，模塊整體表現(xiàn)出阻熱和儲(chǔ)熱的性質(zhì)，可以用結(jié)殼瞬態(tài)熱阻抗Zth(j-c)(t)來(lái)表示，其定義為

式中：Tj(t),Tc(t)，Ploss(t)分別為任意時(shí)刻t的結(jié)溫、殼溫和功率損耗［8］。

功率損耗Ploss(t)部分用于熱量向空氣和散熱片的耗散，部分作用于芯片和封裝使之儲(chǔ)存熱量。

IGBΤ的穩(wěn)態(tài)熱阻只能反映模塊整體的阻熱性質(zhì)，而瞬態(tài)熱阻抗可以同時(shí)反映出模塊的儲(chǔ)熱和阻熱性質(zhì)，如果模塊出現(xiàn)熱疲勞損傷，瞬態(tài)熱阻抗將能夠同時(shí)反映模塊阻熱和儲(chǔ)熱能力的變化情況，因此，瞬態(tài)熱阻抗參數(shù)能夠更精確地表征IGBΤ模塊的熱特性。

1.2 電熱比擬理論

電熱比擬理論將IGBΤ的熱特性用RC電路來(lái)描述，用電流比擬功率損耗，電阻比擬熱阻，電容比擬熱容，用電壓值來(lái)比擬溫度值［9］。RC熱網(wǎng)絡(luò)模型有Foster結(jié)構(gòu)和Cauer結(jié)構(gòu)2種，如圖1所示［10］。

圖1 RC熱網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 RC thermal network model

圖1a所示的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型不反映器件內(nèi)部實(shí)際的物理結(jié)構(gòu)，只反映器件整體的熱特性，參數(shù)易于從瞬態(tài)熱阻抗曲線中提取出來(lái)，故一般的器件手冊(cè)常使用該結(jié)構(gòu)。圖1b所示的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型能夠反映器件實(shí)際物理結(jié)構(gòu)中各層的熱阻、熱容，因此計(jì)算可以得到各物理層的溫度值，并可以用仿真驗(yàn)證，但是其參數(shù)較難獲得，并且難以用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型和Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型在反映器件整體的熱特性時(shí)是等效的。

本文采用Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型表征IGBΤ的熱特性，F(xiàn)oster熱網(wǎng)絡(luò)模型的表達(dá)式為

式中：ri為第i層熱網(wǎng)絡(luò)模型中的熱阻；τi為第i層熱網(wǎng)絡(luò)模型中的時(shí)間常數(shù)［11-12］。

2 瞬態(tài)熱阻抗測(cè)試平臺(tái)及實(shí)驗(yàn)方案

2.1 瞬態(tài)熱阻抗測(cè)試平臺(tái)

根據(jù)式（2）中IGBΤ結(jié)殼瞬態(tài)熱阻抗的定義式可以看出瞬態(tài)熱阻抗測(cè)試的難點(diǎn)是對(duì)于結(jié)殼溫度的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確探測(cè)。本文選用DS182B20熱電偶傳感器實(shí)時(shí)測(cè)量IGBΤ殼溫，采用埋入光纖的方法實(shí)時(shí)測(cè)量IGBΤ的結(jié)溫。

埋入光纖法屬于物理接觸測(cè)量法的范疇。IGBΤ由于芯片面積小，內(nèi)部密布鍵和引線以及電力電流容量大等特點(diǎn)，很難將溫度傳感器放置在結(jié)溫點(diǎn)上進(jìn)行結(jié)溫的測(cè)量。本文選用OSP-A型光纖溫度傳感器對(duì)IGBΤ模塊的結(jié)溫進(jìn)行測(cè)試，該產(chǎn)品的主要參數(shù)為：檢測(cè)溫度范圍-50～+250℃，精度±0.1℃，探頭直徑0.23 mm，裸光纖長(zhǎng)度9 mm，可以滿足將傳感器放入IGBΤ結(jié)溫點(diǎn)進(jìn)行結(jié)溫測(cè)量的要求。并且，為了不對(duì)模塊產(chǎn)生任何損傷，可以利用硅凝膠灌封技術(shù)對(duì)IGBΤ模塊進(jìn)行特殊處理，避免封裝打開(kāi)對(duì)測(cè)溫精度的影響。

利用DS182B20熱電偶傳感器和OSP-A型光纖溫度傳感器可以同步采集IGBΤ的結(jié)溫和殼溫，利用數(shù)據(jù)采集卡可以同步采集到IGBΤ的集射極電壓Uce和集電極電流Ic,可以獲得同步的功率損耗，瞬態(tài)熱阻抗可以由式（2）逐點(diǎn)計(jì)算得到。

2.2 試驗(yàn)方案

本文采用加速老化壽命實(shí)驗(yàn)。加速老化壽命實(shí)驗(yàn)一般分為功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)和溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)，選用第2種來(lái)對(duì)IGBΤ進(jìn)行疲勞老化。

溫度循環(huán)加速老化實(shí)驗(yàn)是對(duì)模塊通入較大的工作電流，產(chǎn)生的功率損耗使芯片發(fā)熱，達(dá)到溫度上限后將電流切斷，使試品冷卻，達(dá)到溫度下限后再通入電流，使試品發(fā)熱，如此引起溫度循環(huán)波動(dòng)，利用熱沖擊對(duì)模塊進(jìn)行疲勞老化［13］。溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)的電路原理如圖2所示。

圖2 溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)電路圖Fig.2 Temperature cycle experiment circuit diagram

具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程如下：

1）利用瞬態(tài)熱阻抗測(cè)試平臺(tái)對(duì)未使用過(guò)的IGBΤ進(jìn)行瞬態(tài)熱阻抗測(cè)試，通入恒定電流分別測(cè)量其結(jié)溫Tj、殼溫Tc以及集射極電壓Uce和集電極電流Ic，并計(jì)算其瞬態(tài)熱阻抗曲線；

2）對(duì)IGBΤ模塊進(jìn)行溫度循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)，設(shè)置通入的集電極電流Ic=50A，殼溫上限為90℃，下限為40℃，每循環(huán)1 000次重復(fù)步驟1），測(cè)量IGBΤ在不同老化進(jìn)程中的瞬態(tài)熱阻抗，規(guī)定IGBΤ穩(wěn)態(tài)熱阻上升20%時(shí)器件失效，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至模塊老化失效后停止；

3）對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的瞬態(tài)熱阻抗進(jìn)行去噪擬合，得到多條退化進(jìn)程中的瞬態(tài)熱阻抗曲線。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗(yàn)方案首先測(cè)量某型未老化IGBΤ的瞬態(tài)熱阻抗曲線，如圖3所示。

圖3 未老化IGBT瞬態(tài)熱阻抗曲線Fig.3 IGBT transient thermal impedance curve before aging

對(duì)圖3所示的曲線進(jìn)行去噪平滑處理后，分別用一階、二階、三階Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)其進(jìn)行擬合，擬合后的均方根誤差分別為RMSE1= 1.312×10-2℃/W，RMSE2=4.75×10-3℃/W，RMSE3= 3.89×10-3℃/W。擬合階數(shù)越多則擬合精度越高，二階與三階擬合后的均方根誤差相差很小，并且二階熱網(wǎng)絡(luò)模型能夠滿足擬合精度的要求，因此本文選用二階Foster模型來(lái)擬合瞬態(tài)熱阻抗曲線。未老化的IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗曲線的二階Foster模型擬合得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線如圖4所示，擬合函數(shù)表達(dá)式為

進(jìn)行試驗(yàn)步驟2），3）后得到老化進(jìn)程中IGBΤ的瞬態(tài)熱阻抗曲線如圖5所示。

圖5 老化進(jìn)程中IGBT瞬態(tài)熱阻抗曲線Fig.5 IGBT transient thermal impedance curve in the process of aging

圖5中從下到上老化次數(shù)依次為0次、1 000次、2 000次、3 000次、4 000次、5 000次、6 000次，到6 000次時(shí)穩(wěn)態(tài)熱阻增加21%，判定模塊失效，老化實(shí)驗(yàn)結(jié)束。

由圖5所示的老化進(jìn)程中IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗曲線可以看出，老化后IGBΤ熱阻增大，熱容減小。將圖5中的瞬態(tài)熱阻抗曲線分別用Foster二階熱網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行擬合，熱阻和熱時(shí)間常數(shù)的變化分別如圖6、圖7所示。

圖6 熱阻退化趨勢(shì)Fig.6 Thermal resistance degradation trend

圖7 熱時(shí)間常數(shù)退化趨勢(shì)Fig.7 Thermal time constant degradation trend

通過(guò)分析圖6、圖7中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)熱阻隨老化次數(shù)的增加成指數(shù)形式上升，熱時(shí)間常數(shù)基本不變。將熱阻進(jìn)行歸一化處理，即將老化進(jìn)程中瞬態(tài)熱阻抗曲線擬合得到的第1層、第2層熱阻分別除以其未退化時(shí)的初始值，如圖8所示。

圖8 熱阻歸一化處理后退化趨勢(shì)圖Fig.8 Thermal resistance degradation trend chart after normalized processing

由圖8可以看出，兩層熱阻歸一化處理后退化趨勢(shì)基本相同，對(duì)其進(jìn)行指數(shù)形式的擬合，得到下式：

式中：Tr為各層熱阻歸一處理后的退化值；x為老化次數(shù)。

擬合后的均方根誤差為RMSE=1.58×10-4，說(shuō)明擬合程度良好，IGBΤ熱阻在功率循環(huán)下的退化模型符合指數(shù)規(guī)律。

由于熱時(shí)間常數(shù)不變，F(xiàn)oster熱網(wǎng)絡(luò)模型的兩層熱阻按式（5）所示的指數(shù)形式退化，則可推斷出將式（4）所示擬合得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線的Foster模型進(jìn)行歸一化處理后，退化趨勢(shì)與各層熱阻退化趨勢(shì)相同，即仍符合式（5）所示的指數(shù)退化規(guī)律。

瞬態(tài)熱阻抗曲線二階Foster模型的退化模型為

取進(jìn)行了3 500次溫度循環(huán)實(shí)驗(yàn)后的IGBΤ模塊，即x=3 500，利用瞬態(tài)熱阻抗測(cè)試平臺(tái)測(cè)量其瞬態(tài)熱阻抗曲線，并進(jìn)行去噪擬合處理，再用式（6）所示的二階Foster退化模型計(jì)算其瞬態(tài)熱阻抗曲線，測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 測(cè)量結(jié)果與退化模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖Fig.9 Comparison of measurement resultsand the degradation model calculation results

由圖9可以看出，測(cè)量結(jié)果與退化模型的計(jì)算結(jié)果吻合度很高，說(shuō)明式（6）建立的Foster退化模型較為精確。將式（6）的結(jié)果擴(kuò)展到n階的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型，則能夠反映退化情況的n階Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型的表達(dá)式為

4 結(jié)論

隨著熱循環(huán)沖擊的不斷累積，模塊的焊料層會(huì)出現(xiàn)疲勞損傷，外部特征表現(xiàn)為熱阻增大，熱容減小。對(duì)測(cè)得的IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗曲線的退化特征進(jìn)行分析，建立了瞬態(tài)熱阻抗的退化模型。利用瞬態(tài)熱阻抗曲線的退化模型可以根據(jù)溫度沖擊的次數(shù)得到退化后的瞬態(tài)熱阻抗曲線，而不用再去進(jìn)行測(cè)量。由于測(cè)量瞬態(tài)熱阻抗曲線過(guò)程繁瑣，所用時(shí)間長(zhǎng)，此方法可以提供很大的便利。但是，本文中所建立的瞬態(tài)熱阻抗曲線退化模型僅為溫度循環(huán)老化實(shí)驗(yàn)下的退化模型，IGBΤ模塊工況下的退化模型仍需要進(jìn)行探索研究。

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Research on Transient Thermal Impedance Degradation Model Under Temperature Cycling of IGBT Power Module

YAO Fang，WANG Shaojie，LI Zhigang，CHEN Shenghua
（School of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Transient thermal impedance is an important parameter of IGBT module thermal characterization，the degradation of transient thermal impedance can reflect the module material degradation.So the research on degradation model of IGBT transient thermal impedance has great significance to state evaluation and life prediction.Temperature cycle aging experiment device was used to do the temperature cycle impact to IGBT modules aging，and then transient thermal impedance test platform was used to test the IGBT transient thermal impedance curve under aging process，so as to get the degradation situation.Finally analyzed results and set up the transient thermal impedance degradation mathematical model and got the degradation rule of transient thermal impedance.

degradation model；transient thermal impedance；temperature cycle；insulated gate bipolar transistor

TN32

A

10.19457/j.1001-2095.20170217

2016-01-14

修改稿日期：2016-05-27

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51377044）；2012年度高校博士點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（20121317110008）

姚芳（1972-），女，教授，博士，Email：yaofang@hebut.edu.cn