張亞玲，李志剛，姚 芳，黃 歡

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

一種IGBT熱阻測試方法的研究

張亞玲，李志剛，姚 芳，黃 歡

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

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，這不僅會(huì)影響到其工作的可靠性，還會(huì)對其周圍的電路產(chǎn)生影響，降低整個(gè)系統(tǒng)的性能．因此對其進(jìn)行準(zhǔn)確的溫升和熱阻測量具有重要意義．論文闡述了利用直接測量結(jié)溫法測量IGBT熱阻的原理，介紹了熱阻測試系統(tǒng)的硬件構(gòu)成及測試流程,并測試了模塊在不同功率下的熱阻值，對測量結(jié)果進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)該熱阻測試系統(tǒng)具有測量簡單、對不同運(yùn)行條件適應(yīng)性強(qiáng)、測量結(jié)果重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，可作為測量IGBT溫升及熱阻的一種方法．

絕緣柵雙極晶體管；熱阻；硅凝膠灌封技術(shù)

0 引言

高頻化、大功率化和集成化是絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）不斷發(fā)展的方向[1]．功率和集成度的增加使得IGBT所承受的功率密度不斷升高，同時(shí)隨著工作頻率的不斷增大器件的發(fā)熱也愈加嚴(yán)重．由于電力電子器件工作性能與可靠性等都與其工作結(jié)溫直接相關(guān)，例如IGBT的硅芯片的正常工作結(jié)溫不能超150℃，最新一代器件不超過175℃，結(jié)溫過高時(shí)芯片性能會(huì)降低[2]，而電力電子器件的熱阻抗直接影響器件的結(jié)溫[3]，因此，IGBT傳熱特性的研究對于延長IGBT的使用壽命提高其應(yīng)用可靠性具有很重要的現(xiàn)實(shí)意義.

熱阻值是衡量器件熱性能好壞的重要參數(shù)，目前應(yīng)用的熱阻測試方法主要有熱敏參數(shù)法[4-5]、紅外掃描成像法[6-7]和熱電偶法[8-9]．熱敏參數(shù)法是利用小電流下模塊結(jié)電壓與溫度之間的線性關(guān)系，通過測試溫敏參數(shù)間接獲取熱阻參數(shù)的方法．此法靈敏度高、測量迅速，且不易對器件造成破壞，但是測量過程中引入的誤差較多，不能獲得較準(zhǔn)確的結(jié)溫及熱阻[10]．紅外掃描成像法是通過測量器件工作時(shí)芯片表面的紅外輻射得到芯片表面的二維溫度分布，進(jìn)而得到結(jié)溫及其熱阻．但這種方法只能在模塊開封情況下進(jìn)行，會(huì)對器件造成破壞，價(jià)格非常昂貴，對使用者的要求也高．熱電偶法是通過熱敏元件直接與芯片接觸，測量硅芯片表面某一點(diǎn)的溫度，同樣需要打開封裝且模塊內(nèi)部空間布局有限只能將熱傳感器盡量靠近芯片四周布設(shè)，從而會(huì)帶來較大的測量誤差．

而利用光纖傳感器實(shí)測結(jié)溫的熱阻測量法可以減少測量過程中引入的中間誤差并且占用空間小可以更準(zhǔn)確的測量IGBT的熱阻．光照到芯片表面的反射系數(shù)與芯片結(jié)溫相關(guān)，反射光子的濃度決定于結(jié)溫．對于像IGBT這樣的自發(fā)熱器件，可用單個(gè)光纖探頭來檢測反射光子濃度，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)溫測量．光纖探頭體積小同時(shí)測溫精度高，故可以打開IGBT封裝將光纖探頭置于IGBT芯片上實(shí)現(xiàn)結(jié)溫的測量．本文在IGBT封裝打開以后，利用硅凝膠灌封技術(shù)將光纖探頭植入模塊內(nèi)部，隨后再次將模塊封裝完好，最大程度減少開封對模塊熱傳導(dǎo)的影響．同時(shí)利用搭建的IGBT熱阻性能測試裝置對模塊的功率損耗和殼溫進(jìn)行測試，進(jìn)而得到IGBT的熱阻．

1 熱阻的計(jì)算與測量

1.1 熱阻的測量原理

根據(jù)電一熱比擬理論[11]，即溫度類比電壓、熱流量類比電流、熱阻類比電阻、結(jié)合電路中的歐姆定律和熱路中的傅里葉導(dǎo)熱定律可獲得IGBT模塊結(jié)殼間穩(wěn)態(tài)熱阻在工程上的計(jì)算公式如下

式中：TJ為模塊的結(jié)溫；TC為模塊的殼溫（銅底板溫度）；PIOSS為模塊的平均功率損耗．

測定IGBT的熱阻必須測量式(1)中的3個(gè)參數(shù)TJ，TC和PIOSS，而準(zhǔn)確地測量TJ則是測量熱阻的關(guān)鍵．如圖1所示的測試系統(tǒng)利用IGBT硅凝膠灌封技術(shù)使光纖傳感器與待測IGBT模塊內(nèi)部芯片相連，從而達(dá)到直接對模塊結(jié)溫進(jìn)行采集的目的．與電學(xué)法測熱阻相比，具有引入中間變量少，測量結(jié)果準(zhǔn)確、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)．

圖1 測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of the system hardwarearcritecture

2 測試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

2.1 測試裝置硬件設(shè)計(jì)

IGBT熱阻測試系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)電路，負(fù)載電路，溫度測試系統(tǒng)，散熱系統(tǒng)，溫度傳輸與儲(chǔ)存系統(tǒng)等組成，其中光纖傳感器利用硅凝膠灌封技術(shù)與待測IGBT模塊內(nèi)部芯片相連，從而達(dá)到直接對模塊結(jié)溫進(jìn)行采集的目的同時(shí)將溫度傳感器與溫控器相連，再分別與散熱風(fēng)扇和驅(qū)動(dòng)電路供電電源相連，達(dá)到對待測IGBT模塊進(jìn)行過溫保護(hù)的目的．設(shè)計(jì)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示．

系統(tǒng)中關(guān)鍵模塊是溫度測試及采集系統(tǒng)，用于準(zhǔn)確測量被測模塊的殼溫及結(jié)溫．

1）殼溫采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建

IGBT模塊一般應(yīng)用于風(fēng)電變流器等大功率場合且一般都在野外，為了盡可能地模擬實(shí)際工況下的試驗(yàn)，測溫系統(tǒng)的溫度信號(hào)采集模塊采用無線數(shù)據(jù)采集設(shè)備SZ06，其具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)．溫度信號(hào)傳輸模塊接收溫度信號(hào)采集模塊發(fā)出的開關(guān)量信號(hào)，并通過USB接口與PC相連，將接收到的開關(guān)量信號(hào)輸送至PC機(jī)上，然后利用串口調(diào)試工具對測溫系統(tǒng)的通信情況進(jìn)行調(diào)試，并將接收的溫度信號(hào)進(jìn)行顯示．如圖2所示為殼溫測試系統(tǒng)的串口調(diào)試軟件的界面圖．

2）結(jié)溫采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與搭建

實(shí)驗(yàn)室條件下，為了對模塊的結(jié)溫進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，采用光纖測溫系統(tǒng)對IGBT模塊的結(jié)溫進(jìn)行測試．光纖測溫技術(shù)屬于物理接觸法的范疇，為了將光纖置于芯片上而不對模塊產(chǎn)生任何損傷，故實(shí)驗(yàn)室利用硅凝膠灌封技術(shù)對IGBT模塊進(jìn)行了特殊處理，將OSP-A光纖溫度傳感器植入模塊內(nèi)部，以達(dá)到對芯片溫度進(jìn)行采集的目的．圖3為IGBT結(jié)溫測試實(shí)物．

圖2 殼溫測試系統(tǒng)的串口調(diào)試軟件界面圖Fig.2 Serialdebugging software interfaceof case temperature testing system

圖3 IGBT結(jié)溫測試實(shí)物Fig.3 Theobjectof junction temperature test

3 測量結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)測量結(jié)果

熱阻是器件的固有屬性，與器件材料、尺寸有關(guān)，因此在忽略模塊退化的條件下，測試環(huán)境不變時(shí)熱阻應(yīng)該不變．為了驗(yàn)證該熱阻測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，在周圍測試環(huán)境不變的前提下，測量IGBT在不同功率下的熱阻，測試結(jié)果如表1，其中m為試驗(yàn)序號(hào)；p為平均功率損耗（W）；TC殼溫（℃）；TJ為結(jié)溫（℃）；RJC為結(jié)殼熱阻（℃/W）．

式中：n=8為測量次數(shù)；RJC為結(jié)殼熱阻的平均值；RJCi為第i次測量的結(jié)殼熱阻值；S2為8個(gè)熱阻值的樣本方差；為樣本的標(biāo)準(zhǔn)差．

表1 不同功率下熱阻測量值 ℃Tab.1 The thermal resistance atdifferentpower

圖4為不同功率損耗下的熱阻測量值，由試驗(yàn)結(jié)果分析可知在8種不同功率下，熱阻值波動(dòng)較小，可近似認(rèn)為相等，這也從一方面驗(yàn)證了測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性．

圖4 熱阻測量值Fig.4 The thermal resistance in test

3.2 測量結(jié)果與出廠熱阻值的比較

由IGBT封裝結(jié)構(gòu)各層材料的參數(shù)特性可以利用熱傳導(dǎo)法對IGBT的出廠熱阻進(jìn)行計(jì)算．熱傳導(dǎo)法是基于對模塊的物理結(jié)構(gòu)、材料屬性以及熱傳導(dǎo)方式的研究對熱阻參數(shù)進(jìn)行提取的方法．由傳熱學(xué)的理論，而將熱流通道看成傳輸線，熱阻可以表示為

通過查閱資料分別獲得模塊內(nèi)部各層導(dǎo)熱材料的厚度L、導(dǎo)熱系數(shù)K，同時(shí)計(jì)算各層的有效導(dǎo)熱面積A，通過式 (5)可以計(jì)算出各層材料的熱阻，IGBT芯片、IGBT焊料層、DBC上銅層、DBC陶瓷層、DBC下銅層、DBC焊料層及銅底板的熱阻依次以R1、R2、R3、R4、R5、R6、R7標(biāo)記，表2即為模塊各層材料的熱阻．

由表2可知：總熱阻RJC=R1+R2+R3+R4+R5+R6+R7=0.16℃/W．

表2 模塊各層材料的熱阻Tab.2 The thermal resistance ofmodule differentelement

通過比較基于實(shí)測結(jié)溫獲取的熱阻值與基于熱傳導(dǎo)法獲取的出廠熱阻值，發(fā)現(xiàn)基于實(shí)測結(jié)溫的熱阻值較出廠熱阻大．這是由于IGBT已經(jīng)經(jīng)過了一段時(shí)間的調(diào)試及使用，模塊有所退化．

4 結(jié)論

基于實(shí)測結(jié)溫獲取熱阻參數(shù)法的優(yōu)點(diǎn)是能獲取任意時(shí)刻的結(jié)溫，并通過計(jì)算獲取工況下的熱阻，從而為其退化狀態(tài)做出評估．與其他熱阻測試的方法相比，此方法不僅測量方法簡便、測量結(jié)果準(zhǔn)確且具有實(shí)時(shí)性．但由于實(shí)測結(jié)溫法對IGBT的封裝有一定的破壞且光纖傳感器價(jià)格較貴，因此目前僅適用于對IGBT熱特性的研究還不能用作工業(yè)生產(chǎn)的在線監(jiān)測．

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[責(zé)任編輯 代俊秋]

Developmentof a IGBT thermal resistance testdevice

ZHANG Yaling，LIZhigang，YAO Fang，HUANG Huan

(Schoolof Electrical Engineering,HebeiUniversity of Technology,Tianjin 300130,China)

IGBT inworkingw illgenerate a lotof heatwhich notonly affect its reliability,butalso hasan impacton its surrounding circuitry,reducing the system performance.Therefore it is important tomeasure accurately its temperature riseand thermalresistance.Thispaperdescribesthemeasuring principleof IGBT thermal resistancewith directlymeasure junction temperature,and proves its feasibility.The paperalso introduces thehardware configuration and testing process of thermal testdevice,and tested thermal resistanceatvariouspower.Themeasurement resultswereanalyzed and found that the thermal resistance testdevice hasa lotofadvantagessuch assimple,strong adaptability to variousoperating conditionsand good reproducibility.Itcan be used asamethod ofmeasuring the IGBT junction temperature and thermal resistance.

IGBT;thermal resistance;siliconegelencapsulation technology

TM 930

A

1007-2373(2016)01-0001-04

10.14081/j.cnki.hgdxb.2016.01.001

2015-05-29

國家自然科學(xué)基金（51377044）；河北省科技支撐計(jì)劃（13214303D；14214503D）

張亞玲（1988-），女（漢族），碩士生．

數(shù)字出版日期：2016-01-22數(shù)字出版網(wǎng)址：http：//www.cnki.net/kcms/detail/13.1208.T.20160122.1118.004.htm l