基于Vth和Vce的IGBT結(jié)溫測量方法對比研究

曾曉彤，王榮茂

（1.襄陽汽車職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院/新能源汽車學(xué)院，湖北 襄陽 441021；2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海 200240）

絕緣柵雙極型晶體管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）正廣泛應(yīng)用于各種電力電子系統(tǒng)中，準(zhǔn)確測量其熱學(xué)參數(shù)對于評估封裝性能和提升可靠性尤為重要[1]。

熱阻是IGBT最重要的熱學(xué)參數(shù)之一，根據(jù)國際電工委員會（international electrotechnical commission，IEC）標(biāo)準(zhǔn)[2]對測試方法的說明，通過測量IGBT器件的結(jié)溫Tj，殼溫Tc和功率損耗P即可計(jì)算得到IGBT的結(jié)到殼熱阻值：

其中，殼溫一般是通過在IGBT器件與散熱器界面處放置一個(gè)熱電偶進(jìn)行測量，功率損耗則通過電流與測得飽和電壓相乘計(jì)算而得，而結(jié)溫的準(zhǔn)確測量是熱阻測量中最關(guān)鍵但又最困難的，因?yàn)樾酒庋b在器件內(nèi)部不易接觸和觀察。

IEC標(biāo)準(zhǔn)推薦使用溫敏電參數(shù)法進(jìn)行結(jié)溫測量，并推薦了兩種結(jié)溫測量方法，分別是小電流下飽和壓降法（Vce法）和閾值電壓法（Vth法），兩種方法也被廣泛應(yīng)用于各種熱阻測試系統(tǒng)中[3-4]。然而標(biāo)準(zhǔn)并沒有說明兩種方法測得的結(jié)溫的關(guān)系以及等效性，導(dǎo)致難以對測量結(jié)果進(jìn)行有效解讀。

本文通過理論分析和實(shí)驗(yàn)測量結(jié)合的方式，對兩種結(jié)溫測量方法進(jìn)行對比分析，并討論不同因素對兩者差距的影響，最后，提出一種簡易校準(zhǔn)熱模型，用于計(jì)算兩種方法測得的結(jié)溫的偏差，為IGBT結(jié)溫測量和熱阻測量結(jié)果的對比提供指導(dǎo)。

1 理論基礎(chǔ)

IGBT在小電流下的飽和壓降和閾值電壓的測量電路分別如圖1和圖2所示。兩者的測量都是測量小電流下的集電極-發(fā)射極電壓Vce，不同的是，小電流下飽和壓降的測量柵極電壓為15 V，IGBT工作在飽和區(qū)，而閾值電壓的測量要求柵極和集電極短接，此時(shí)測量的Vce即為Vge。

圖1 小電流下飽和壓降測量電路Fig.1 Saturation voltage drop measurement circuit under small current

圖2 閾值電壓測量電路Fig.2 Threshold voltage measurement circuit

測量小電流下飽和壓降和閾值電壓時(shí)，測量電流在IGBT芯片內(nèi)部的流通路徑如圖3所示。

圖3 測量電流在IGBT芯片中的流通路徑Fig.3 The flow path of measurement current in the IGBT chip

由圖3可以看出，測量電流經(jīng)過集電極PN結(jié)、N型基區(qū)和MOS溝道區(qū)，由于測量電流較小，N型基區(qū)上產(chǎn)生的壓降可以忽略不計(jì)，因此小電流下的集-射極導(dǎo)通壓降可以表示為[5]

式中：q為電子電荷；k為玻爾茲曼常數(shù)；T為熱力學(xué)溫度；I為測量電流；IS為反向飽和電流；p為元胞節(jié)距；LCH為溝道長度；μni為反型層內(nèi)的電子遷移率；COX為柵氧層電容；VG為柵極電壓，Vth為閾值電壓。

測量小電流下飽和壓降時(shí)，IGBT工作在飽和區(qū)，閾值電壓為15 V，溝道區(qū)電阻較小，可以忽略，因此PN結(jié)壓降占主導(dǎo)作用，此時(shí)：

測量閾值電壓時(shí)，柵極電壓僅比閾值電壓高一點(diǎn)，導(dǎo)致溝道區(qū)電阻極高，溝道區(qū)導(dǎo)通壓降占主導(dǎo)作用，此時(shí)：

從測得的小電流下飽和電壓和閾值電壓的組成部分不難發(fā)現(xiàn)，小電流下飽和壓降法測得的結(jié)溫反映的是集電極側(cè)PN結(jié)處的溫度信息，而閾值電壓法測得的結(jié)溫則反映的是發(fā)射極側(cè)溝道區(qū)的溫度信息。如果IGBT芯片中的縱向溫度分布是均勻的，那么兩種方法測得的結(jié)溫則是相同的，但是在器件實(shí)際工作時(shí)，芯片中的縱向溫度分布并不是均勻的，而是存在溫度梯度的，導(dǎo)致兩種方法測得的溫度可能存在差異。一般而言，由于IGBT器件內(nèi)部散熱路徑是從芯片到散熱器（從上到下），導(dǎo)致發(fā)射極側(cè)溫度也會高于集電極側(cè)，因此理論推斷閾值電壓法測得的結(jié)溫高于小電流下飽和壓降法測得的結(jié)溫。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 溫度系數(shù)校準(zhǔn)

應(yīng)用溫敏電參數(shù)法進(jìn)行結(jié)溫測量之前，必須要經(jīng)過溫度系數(shù)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)，事先建立溫敏電參數(shù)與結(jié)溫的關(guān)系，對于本文討論的兩種方法同樣如此。校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的電路原理圖也如圖1和圖2所示，不同的是待測器件需要放置在恒溫箱中，加熱至指定溫度并保持恒定，等溫度穩(wěn)定之后，可認(rèn)為器件整體達(dá)到熱穩(wěn)定狀態(tài)，即器件內(nèi)部各處溫度相同，此時(shí)測量殼溫即可認(rèn)為是器件的結(jié)溫。

本文以某1 200 V/100 A IGBT半橋模塊作為研究對象，在進(jìn)行小電流下飽和壓降法的溫度系數(shù)校準(zhǔn)時(shí)，選擇測量電流為100 mA，在進(jìn)行閾值電壓法的溫度系數(shù)校準(zhǔn)時(shí)，選擇測量電流為5 mA，記錄不同溫度下的集-射極電壓，得到兩種結(jié)溫測量方法的溫度系數(shù)校準(zhǔn)曲線如圖4所示。

圖4 兩種測量方法的溫度校準(zhǔn)曲線Fig.4 Calibration curves of two junction temperature method

由圖4可以看出，兩種結(jié)溫測量方法的溫度校準(zhǔn)曲線都是線性的，非常便于進(jìn)行結(jié)溫計(jì)算。對于小電流下飽和壓降法，飽和電壓隨溫度變化量約為-2.2 mV/℃，而對于閾值電壓法，閾值電壓隨溫度變化量約為-11.5 mV/℃，因此后者具有更高的溫度靈敏度，有利于提高測量精度，可以使得因測量誤差導(dǎo)致的結(jié)溫計(jì)算誤差最小化。

2.2 結(jié)溫測量設(shè)置

根據(jù)兩種結(jié)溫測量方法的測量原理，搭建了IGBT結(jié)溫測量平臺，測試電路原理圖如圖5所示。

圖5 兩種測量方法的測量平臺電路圖Fig.5 Circuit diagram of measurement platform for two measurement methods

對于小電流下飽和壓降法，測量原理簡單，開關(guān)S1控制負(fù)載電流的導(dǎo)通和關(guān)斷，當(dāng)S1導(dǎo)通，負(fù)載電流加熱待測器件，器件結(jié)溫升高；當(dāng)S1斷開，負(fù)載電流被切斷，器件在水冷散熱器（恒定水溫30℃）的作用下開始被冷卻，結(jié)溫下降。為測得最高結(jié)溫，理論上當(dāng)S1斷開之后立即測量IGBT集-射極電壓用于計(jì)算結(jié)溫，但是由于芯片內(nèi)部載流子恢復(fù)的過程，需要在延遲時(shí)間之后進(jìn)行測量[6]，本實(shí)驗(yàn)中選擇延遲時(shí)間為500 μs，延遲時(shí)間內(nèi)的結(jié)溫下降忽略不計(jì)。

閾值電壓法的實(shí)現(xiàn)過程相對復(fù)雜，有3個(gè)開關(guān)用于控制，3個(gè)開關(guān)的控制時(shí)序如圖6所示。首先，S2導(dǎo)通給柵極15 V電壓，使得待測IGBT保持開通狀態(tài)；然后（100 μs后）S1導(dǎo)通，負(fù)載電流開始加熱待測器件，器件結(jié)溫升高；之后S1斷開，負(fù)載電流被切斷，器件開始冷卻，結(jié)溫下降。為了測量結(jié)溫，S3需要導(dǎo)通把柵極與集電極短接，但在這之前（100 μs前），需要斷開S2將柵極15 V電壓切斷。同樣，最高結(jié)溫在負(fù)載電流被切斷后的500 μs時(shí)刻進(jìn)行測量，與小電流下飽和壓降法的延遲時(shí)間相同，保證延遲時(shí)間對結(jié)溫測量的影響是相同的。

圖6 閾值電壓法結(jié)溫測量中開關(guān)控制時(shí)序Fig.6 The control timing of junction temperature measurement by Vthmethod

2.3 結(jié)溫測量結(jié)果對比

選擇不同的負(fù)載電流對IGBT進(jìn)行加熱至穩(wěn)態(tài)，分別采用兩種方法測量最高結(jié)溫，每組試驗(yàn)各進(jìn)行3次，結(jié)果取平均值，消除偶然誤差，最終試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

表1 不同電流下兩種方法測得的結(jié)溫對比Tab.1 Comparison of junction temperature measured by two methods at different load currents

從表1中可以看出，閾值電壓法測得的結(jié)溫始終要高于小電流下飽和壓降法測得的結(jié)溫，符合理論預(yù)測，并且兩種方法測得的結(jié)溫的差值隨著電流增加而增加，其原因在于功率損耗越高，芯片中的溫度梯度越大，集電極表面和發(fā)射極表面溫度差異越大。

3 熱校準(zhǔn)模型

從上述理論分析和實(shí)驗(yàn)研究可知，小電流下飽和壓降法和閾值電壓法測得的結(jié)溫并不等效，后者比前者偏大，且加熱功率越大，差值越大。究其原因，與兩種測量方法測得的結(jié)溫的物理意義有關(guān)，小電流下飽和壓降法測得的結(jié)溫反映的是IGBT器件集電極側(cè)溫度信息，而閾值電壓法測得的結(jié)溫反映的是IGBT器件發(fā)射極側(cè)溫度信息。相同測試條件下，兩種標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法得到的結(jié)溫卻不同，直接影響最后熱阻的測量結(jié)果，對于對比器件熱性能非常不利。因此，本文提出一種簡易熱校準(zhǔn)模型，來校準(zhǔn)兩種方法測得的結(jié)溫的差值。對于功率器件，熱量從芯片中產(chǎn)生，經(jīng)過各層組件從上往下進(jìn)行擴(kuò)散，最終通過散熱器向環(huán)境中耗散，熱流的流通路徑可以簡化為一維集總熱阻網(wǎng)絡(luò)[7]，其中芯片的集總熱阻模型如圖7所示。

圖7 兩種方法測得的結(jié)溫的熱校準(zhǔn)模型Fig.7 Thermal calibration model of junction temperature measured by two different methods

芯片熱源在發(fā)射極表面，T1為閾值電壓法測得的結(jié)溫，T2為小電流下飽和壓降法測得的結(jié)溫，兩者的偏差ΔT可以表示為

式中：P為加熱功率；Rchip為芯片熱阻；K為熱導(dǎo)率，屬于材料屬性；A為芯片表面積，電流等級越高的芯片表面積越大；d為芯片厚度，電壓等級越高的芯片越厚。

A和d都屬于幾何屬性，可以看出對于高壓芯片，兩種方法測得結(jié)果的誤差將會更大。因此，對于確定的器件型號和芯片，兩種方法測得的結(jié)溫的偏差與功率成正比，可以通過式（5）進(jìn)行校準(zhǔn)。例如，表1中兩種方法測得的結(jié)溫的差值隨加熱功率變化曲線如圖8所示。

圖8 偏差與功率的變化關(guān)系（測試數(shù)據(jù)）Fig.8 The relationship between deviation and power loss（test data）

由圖8可以看出，偏差和功率呈現(xiàn)線性關(guān)系，斜率為0.009 3℃/W，即為芯片的熱阻值，符合式（5）的預(yù)測。個(gè)別數(shù)據(jù)存在微小的偏差，主要是不同功率下結(jié)溫不同，而芯片熱導(dǎo)率與溫度有關(guān)，導(dǎo)致偏差和功率本質(zhì)上并不是完美的線性關(guān)系，但是對結(jié)果的影響并不大，可以忽略。因此，兩種方法測得的結(jié)溫的偏差可以通過式（5）進(jìn)行校準(zhǔn)，以進(jìn)行公平的對比。

綜上所述，從靈敏度、測量難度和測得的結(jié)溫三個(gè)方面，對閾值電壓法和小電流下飽和壓降法兩種結(jié)溫測量方法的對比總結(jié)如表2所示，可以看出，前者的靈敏度更高，但是測量難度高，后者的靈敏度偏低，但是更容易實(shí)現(xiàn)，測試人員可以根據(jù)需求進(jìn)行選擇。然而需要注意的是，兩種測量方法測得的結(jié)溫的物理意義不同，數(shù)值上也存在偏差，不能直接進(jìn)行對比。

表2 兩種測量方法的綜合對比Tab.2 Comparison of the two measurement methods

4 結(jié)論

本文對IGBT熱阻測量標(biāo)準(zhǔn)中推薦的兩種溫敏電參數(shù)結(jié)溫測量方法進(jìn)行了對比和分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方法測得的結(jié)溫并不相等及等效。理論分析表明，閾值電壓法測得的結(jié)溫更傾向于IGBT發(fā)射極側(cè)的溫度，而小電流下飽和壓降法測得的結(jié)溫則更傾向于IGBT集電極側(cè)的溫度，由于芯片內(nèi)部存在溫度梯度，發(fā)射極側(cè)溫度一般會高于集電極側(cè)，實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果驗(yàn)證了理論猜想，且兩者差值與功率損耗呈線性關(guān)系。進(jìn)一步提出了簡易熱校準(zhǔn)模型用于計(jì)算兩者的誤差，使之可以公平對比。因此，在進(jìn)行結(jié)溫測量或熱阻測量時(shí)，需要注明所采用的結(jié)溫測量方法，這對測量結(jié)果會有直接的影響，對于高壓器件尤為如此，對于不同測量方法測得的結(jié)果，推薦采用本文提出的校準(zhǔn)模型進(jìn)行校準(zhǔn)。