IGBT結溫獲取方法及其討論*

姚芳，王少杰，李志剛

（河北工業(yè)大學 電氣工程學院，天津300130）

0 引 言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種由MOSFET和雙極型晶體管復合而成的新型功率半導體器件，廣泛應用于工業(yè)、交通、航空航天、通信系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)及計算機領域等［1］。IGBT模塊經常由于過溫而失效，這已嚴重影響到其使用壽命，進而影響其所在系統(tǒng)的可靠性［2］。目前，IGBT模塊的壽命預測、可靠性分析等研究多從器件結溫出發(fā)，探尋其失效與結溫歷史之間的關系［3］。因此，研究結溫的獲取方法對于指導IGBT模塊的壽命預測、優(yōu)化設計以及提高可靠性等研究有重要的意義。

由于IGBT模塊的封裝特性與工作環(huán)境，結溫不易獲?。?］，國內外的許多學者已經對結溫獲取方法進行了廣泛的研究，但是還未有文獻對其進行綜合分析。目前，IGBT模塊的結溫獲取方法主要分為兩大類，一類為模擬法獲取結溫，另一類為實際探測法獲取結溫，這兩類方法各有優(yōu)缺點及適用范圍。本文對近年來國內外學者們研究的IGBT結溫獲取方法進行綜述，并討論各種方法的優(yōu)缺點及適用范圍。

1 IGBT結溫模擬方法研究

1.1 電熱耦合模型法

電熱耦合模型是利用IGBT模塊電氣參數的熱相關性建立的一種用于結溫預測的模型。該模型主要分為兩類，一類是考慮到IGBT模塊內部參數與溫度的關系，建立的帶有溫度參數的物理模型；另一類是由電氣模型和熱模型兩部分組成的溫度反饋模型。

1.1.1 帶溫度參數的物理模型

物理模型考慮了IGBT內部的載流子運動情況和器件的電氣行為，可以精確地仿真IGBT模塊的開關電壓、電流波形來計算損耗。文獻［5］考慮了器件內部參數和半導體物理常數與溫度的關系，建立了IGBT模塊功耗與溫度的電熱模型，然后聯(lián)立結殼傳熱方程建立了求解結溫的物理模型，文獻［6-9］分別在Hefner模型和Kraus模型的基礎上考慮了半導體的自熱效應，建立了耦合結溫參數的Hefner模型與Kraus模型，文獻［10］考慮了IGBT模塊焊料層、門極電壓及芯片退化造成的影響，建立了一種加入了退化參量的物理模型。

帶溫度參數的物理模型將半導體的物化機理與溫度結合起來，模型建立得較為精確，但是建模需要大量的參數，參數提取過程復雜，并且仿真步長很短，在計算過程中對每次開關過程均需求解一系列的偏微分方程組，計算量巨大，難以進行長時間尺度的仿真，因此一般只用于需要獲得短期精準參數的場合。

1.1.2 溫度反饋模型

溫度反饋模型如圖1所示。電氣模型計算的損耗輸入熱模型，熱模型計算結溫反饋回電氣模型，電氣模型與熱模型間建立了強耦合關系，能夠真實反映IGBT模塊內部的電熱關系。

圖1 溫度反饋型電熱耦合模型Fig.1 Electro-thermalmodelwith temperature feedback

電氣模型用來計算器件損耗，分為數值模型和LUT模型兩種。（1）數值模型是分析IGBT模塊開關過程的電壓、電流波形后建立開關損耗模型與通態(tài)損耗模型，利用模型中的溫敏參數（集射極電壓VCE、集電極電流IC、柵極電阻RG等）將損耗與溫度耦合起來，建立具有溫度相關性的損耗模型［11-14］。該類模型計算結果不如物理模型精確但是參數容易提取，且模型較為簡單，所以加快了仿真速度，通常用于散熱系統(tǒng)和冷卻裝置的設計。（2）LUT模型是指提前建立IGBT模塊的開關損耗與通態(tài)損耗表（損耗表中的數值提前由一系列的開關實驗、仿真實驗或者查詢器件手冊得到［15］），仿真每一次開關過程時不必再計算損耗，可以通過查表法直接獲得某電流、電壓和溫度下的開關損耗與通態(tài)損耗，解耦了器件與系統(tǒng)間的仿真，大大加快了仿真速度，可以仿真長時間尺度的溫度歷史［16-21］。

電熱耦合模型中的熱模型分為熱網絡模型與解析計算模型兩類。（1）熱網絡模型根據電熱比擬理論建立［22］，分為Cauer模型和 Foster模型，如圖2所示。Cauer模型反映器件內部的實際物理結構，熱阻和熱容參數代表器件各層材料的實際熱阻和熱容，如圖2（a）所示，該模型中的物理參數難以獲得，并且在實驗驗證的實現(xiàn)上十分困難。Foster模型不反映器件內部的傳熱結構，但在反映器件的整體傳熱性能上與 Cauer模型等效，如圖2（b）所示［23-26］。（2）解析計算模型是用數值解析式的形式建立自定義的熱路模型，以環(huán)境溫度為初始條件迭代計算［11］。

電熱耦合模型法為目前最常用的一種結溫模擬方法，可以模擬多時間尺度的結溫歷史，并且可以通過編程實現(xiàn)結溫的在線測量，并且可以對老化后的IGBT模塊進行開關試驗，提取老化過程中的損耗參數，可以反映器件的老化狀態(tài)。但是由于在建立損耗表時考慮因素有限，該模型的計算結果不夠精確，只能用于對溫度精確度要求不高的場合，多用于壽命預測分析。

1.2 FEM數值計算法

FEM數值計算法首先在軟件中建立IGBT模塊的三維模型，利用基于網絡劃分的有限元分析法進行溫度場熱仿真得到IGBT模塊精確的溫度分布情況［27-30］，如圖3所示。圖3中，溫度按紅橙黃綠青藍的分布逐漸降低，可以看出IGBT芯片的溫度較高，溫度最高點（圖中A點）即為結溫點。

圖3 IGBT芯片溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution of IGBT chip

利用該方法可以得到IGBT模塊三維溫度場分布，并且可以準確得知結溫點的位置，對研究功率半導體器件的失效機理及散熱設計等有較高的指導價值。但是，有限元計算法在建模過程中必須得知各層材料的屬性參數及尺寸參數，這些參數通常由器件手冊得知，退化后很難獲得屬性及尺寸參數的變化，因此不能反映器件的退化狀態(tài)，并且該仿真需要對大量的網格節(jié)點進行迭代計算，求解過程繁瑣，不適合仿真長時間尺度的結溫數據，各層有效導熱面積為近似值，誤差較大。

1.3 迭代計算法

迭代計算法建立Foster熱模型的數學模型，在周期結溫計算的基礎上將上一周期的結溫值作為初始值帶入下一周期，不斷迭代計算［31］。

以一個模塊中包含IGBT芯片和反并聯(lián)二極管兩個熱源的情況為例，簡化RC熱網絡如圖4所示。

圖4 IGBT模塊簡化熱網絡模型Fig.4 Simplified thermal network of IGBT module

圖4中Ttj和 Tdj分別為 IGBT和 Diode的結溫，Rtjh和Rdjh分別為IGBT和Diode的結-散熱片熱阻，Ctjh和Cdjh分別為 IGBT和 Diode的結-散熱片熱容，Rha為散熱片-環(huán)境熱阻，Cha為散熱片-環(huán)境熱容，Pt和Pd為IGBT和Diode平均功耗。

引入計算周期Ts，一個計算周期包含n個開關周期，分別計算出IGBT模塊和Diode計算周期的平均損耗Pt和Pd（文獻［32］中介紹了Pt和Pd的計算方法），IGBT和 Diode的結溫 Ttj和 Tdj可以由 IGBT和Diode結-散熱器溫差ΔTtjh和ΔTdjh、散熱器-環(huán)境溫差ΔTha和環(huán)境溫度Ta求和得到。根據電熱比擬理論，IGBT結-散熱器一個計算周期結束時刻溫差ΔTtjh的計算方程如下：

式（1）中ΔTtjh0是上一個計算周期的溫差。

ΔTdjh和ΔTha的計算方法與ΔTtjh相同。在一個計算周期內，將器件ic近似為恒值，且ΔTtj0可以通過ΔTha0和ΔTtjh0求和得到，則式（1）可以寫成下式：

式（2）中 atjh、aha、adjh和 btjh均為常系數。

為了便于編輯，以 ΔT1、ΔT2、ΔT3代替 ΔTtjh、ΔTtdh和ΔTha結溫計算從0s開始，計算周期為0.001s則第21個計算周期即0.021s時刻溫差計算方程式如下：

其他時刻的計算方法與式（3）類似，則利用Gauss-Seidel迭代法可以計算IGBT模塊結溫。

文獻［33］在利用該種方法計算時，建立的模型更為細致，將IGBT模塊內部每層封裝材料的溫差建入模型中，則可以計算每層封裝材料的溫度曲線。文獻［34］利用該方法對IGBT模塊進行了多時間尺度的壽命預測分析。

該方法計算速度快，可以計算長時間尺度下的結溫數據。但是，文中所介紹的只是其簡化模型，真實模型更為復雜，需要設定的參數多，模型不易建立。

2 IGBT結溫探測方法研究

2.1 熱敏參數法

IGBT的許多電氣參數都具有溫度敏感性，如集射極飽和壓降 VCE、電壓變化率 d VCE／d t、門極電壓VGE等，利用這些參數作為溫度敏感參數（Temperature Sensitive Parameters-TSP）可以間接測量結溫，降低了結溫測量的難度。

2.1.1 集射極飽和壓降VCE

IGBT模塊導通時的集射極飽和壓降VCE與結溫Tj有著良好的線性關系，且與集電極電流IC有關，標定不同電流下VCE與結溫Tj的關系，就可以通過測量時VCE的值推出結溫Tj的值。

在特定的小電流下（IC≤100mA），集射極飽和壓降VCE與結溫Tj呈負相關性，IEC 60767-92007給出了在小電流下測量結溫進而計算熱阻的方法［35-36］；在大電流下由于IGBT模塊本身的產熱，VCE與結溫Tj呈正相關，文獻［37］標定了某型IGBT模塊在81A-922A之間VCE與結溫Tj之間的關系曲線。實驗室中對熱敏參數VCE做了一定的研究，分別測得小測量電流和單脈沖大電流下VCE與Tj的關系曲線如圖5、圖6所示。

圖5 小測量電流下VCE隨Tj的變化Fig.5 Typical changes of VCE and Tj in small measuring current

圖6 大電流下IGBT正向飽和壓降與溫度的關系Fig.6 Positive saturation voltage drop and temperature relation of IGBT under single pulse electrical flow

以VCE為熱敏參數的測量只需測量模塊外部電參量，不需改變模塊封裝，測量電路簡單，但是測量條件要求較高。標定VCE與Tj的關系曲線時，需將IGBT模塊放置在恒溫箱內保持內外溫度一致，并且在大電流下進行標定時，需施加短時單脈沖大電流，以保證模塊芯片的產熱量很小，不改變結溫。在每次測量前均需對模塊VCE與Tj的關系曲線進行標定，標定的準確性直接影響測量結果的準確性，且小測量電流方法不能用于在線測量。

2.1.2 短路電流 ISCC

在IGBT模塊工作期間輸入短路脈沖會產生一個集電極電流脈沖，這個脈沖的峰值與集射極電壓呈線性關系，因此可以建立短路電流峰值與結溫的關系模型，如圖7所示。文獻［38］中研究了短路電流ISCC的峰值作為溫敏參數測量IGBT結溫的方法。

圖7 短路電流峰值與結溫關系模型Fig.7 Relation model of short-circuit current peak and junction temperature

該方法在測量過程中需向工作中的IGBT模塊通入短路脈沖電流，一些變流器的拓撲結構不允許施加短路脈沖，而且頻繁地施加短時脈沖會加劇器件的疲勞老化，降低器件使用壽命。

2.1.3 集射極電壓變化率 d VCE／d t

集射極電壓變化率d VCE／d t在不同的負載電流下與結溫呈線性關系，因此可以用作熱敏參數來測量結溫。文獻［39］通過分析結溫對空穴擴散系數、雙極遷移率、基區(qū)摻雜濃度和基區(qū)載流子濃度的影響，建立了基于結溫的電壓變化率模型。文獻［40］指出電路中的雜散電感不會影響電壓最大變化率測量，電壓變化率除了受結溫的影響外還集電極電流的影響，不同集電極電流下電壓與結溫的關系如圖8所示。該測量方法同樣不受模塊封裝的影響，且受電路雜散電感影響很小，但是對測量電路的要求很高。

2.1.4 門極電壓 VGE、門極電阻電壓VRG

門極電壓VGE及門極電阻電壓VRG在關斷器件的波形會隨溫度發(fā)生變化（如圖9所示），因此可以作為熱敏參數測量結溫。

圖8 不同負載電流下d VCE／d t與Tj的關系Fig.8 Relationship of d VCE／d t and Tj in different load currents

圖9 門極關斷電壓隨溫度的變化Fig.9 VGE waveform at different temperatures

文獻［41］發(fā)現(xiàn)，門極電壓在關斷期間的密勒平臺的寬度會隨結溫的升高而加寬。為了研究其物理機制，文獻［41］還用TCAD仿真軟件模擬了單個IGBT模塊在不同溫度下關斷過程中的載流子分布情況，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高本征載流子的濃度和壽命都會增加，致使關斷過程中的門極電壓發(fā)生變化。文獻［42-43］發(fā)現(xiàn)，門極電阻上的電壓降VRG的振幅會隨溫度的升高而增大，因此門極電壓VGE與門極電阻電壓VRG都可以作為熱敏參數測量結溫。

該測量方法不用打開器件封裝，但是對與測量電路的要求同樣很高，需要用到高分辨率的示波器，并且很難在IGBT工作過程中進行測量。

2.2 物理接觸法

物理接觸法是采用熱敏元件（如熱電阻、熱電偶、光纖等）直接與IGBT模塊的芯片接觸而獲取結溫的方法。文獻［44］打開IGBT模塊封裝，利用熱電偶作為溫敏元件測量硅芯片表面溫度，文獻［45］用硅凝膠灌封技術減少打開封裝對IGBT模塊的影響，用光纖溫度傳感器測量結溫，如圖10所式。

圖10 光纖測溫實物圖Fig.10 IGBT with optical fiber

物理接觸法測量原理簡單，能夠在實驗室條件下直接獲取結溫，但是IGBT芯片表面布滿了用于通流的鍵和引線，不易放置熱敏元件，并且測溫時通常需要將IGBT的封裝打開，影響測溫精度。目前，市場上對于IGBT結溫測量方法的關注度逐漸升高，已經出現(xiàn)了預埋溫度傳感器的模塊，如英飛凌的EconoPACX系列與EconoPIM系列等將溫度傳感器直接封裝在IGBT內部，簡化了IGBT模塊溫度的測量。

2.3 紅外熱成像法

紅外熱成像法是利用紅外熱成像儀對IGBT模塊進行高速攝像，根據圖像中點的顏色計算模塊各點溫度值，得出 IGBT二維溫度分布［46］，如圖11所示。

圖11 IGBT模塊溫度分布圖Fig.11 Temperature distribution diagram of IGBT

文獻［47］通過紅外測溫得到IGBT模塊穩(wěn)態(tài)溫度場分布，指出芯片高溫區(qū)域出現(xiàn)在芯片邊緣和芯片與鍵和引線連接位置，文獻［48］論述了紅外熱成像系統(tǒng)的測溫原理，指出由于IGBT芯片表面發(fā)射率不同，導致探測溫度分布與真實溫度分布不一致，通過修正發(fā)射率，提高了探測芯片溫度的準確性。

紅外熱成像法是一種非接觸測量結溫的方法，實驗室條件下能夠測量結溫的快速變化及IGBT芯片溫度場分布，但是測量需要打開模塊封裝并去除絕熱膠，探測溫度與實際溫度之間的誤差較大，并且紅外熱成像法每次測量前都要根據空氣中溫度、濕度、壓力的不同進行校準，因此只適用與實驗室研究。

3 IGBT結溫實時探測方法探討

目前，長時間工況下IGBT模塊結溫的測量很難做到，因此常用仿真方法得到長時間尺度下的結溫值，用于壽命預測等研究。而結溫的實際探測法中的熱敏參數法因不需拆封模塊而被廣為接受。電熱參數映射關系的標定，需要物理加熱模塊至熱平衡時才能進行，故工況下的實時結溫探測尚有局限性。工況下，模塊疲勞引起電熱參數的變化映射模型退化，電熱參數映射關系需要實時定標。但研究發(fā)現(xiàn)，IGBT模塊本身的疲勞老化，引起電熱參數映射關系模型的退化極其緩慢。對于風電變流器這類周期性工作的電力電子設備，可以在停運期利用環(huán)境溫差實現(xiàn)電熱參數映射關系標定，用于下個運行期的結溫探測。一方面，由于IGBT模塊老化會引起電熱關系退化，定標又不能在運行時進行，而必須熱平衡下進行；另一方面，電力電子電路受到雜散電感的影響，難以保證定標試驗線路和工況運行線路雜散電感對應一致，結溫探測準確性難以保障。因此，基于熱敏參數結溫探測法，在結溫實時探測方面尚需進一步研究。

近年來，出現(xiàn)了一種預埋溫度傳感器的IGBT模塊，可以實現(xiàn)模塊溫度探測，大大降低了對測量條件的要求，有望實現(xiàn)結溫的在線測量。但是，該類模塊預埋的溫度傳感器，沒有直接接觸IGBT芯片，測量得到的是IGBT模塊內部的溫度，無法準確測量結溫溫度。因此，期待有可測結溫的預埋溫度傳感器的新模塊產品出現(xiàn)。

4 結束語

文章闡述了獲取結溫的重要性，對各種結溫的獲取方法進行了綜述，并總結出各種方法的優(yōu)缺點和適用場合。結溫獲取方法主要分為結溫模擬法和結溫探測法。

結溫的模擬法中的電熱耦合模型法與迭代計算法計算速度快可以仿真長時間尺度的結溫數據，且電熱耦合模型法還可以反映器件的退化狀態(tài)，但是在建模時都需提前計算一些參數，建模過程較為復雜，F(xiàn)EM計算法可以仿真IGBT芯片表面的溫度場分布，但是求解過程繁瑣，誤差較大，且不能反映器件的退化狀態(tài)。

結溫探測法中的熱敏參數法可以對全封裝的器件進行測量，但是多數對硬件要求高，測量易受電路雜散參數影響，且只能測量器件的平均結溫，物理接觸法和紅外熱成像法測量原理簡單，可以多點測量并可以反映二維溫度分布，但是均需打開器件封裝，測量誤差較大。

最后，針對結溫在線測量的發(fā)展進行了探討，指出熱敏參數法與預埋溫度傳感器法是目前結溫在線測量的發(fā)展趨勢，并且指出了需要解決的關鍵問題，以促進該領域的進一步發(fā)展。