厲 孟，王俊炎，杜會卿，梁 帥

IGBT結(jié)溫與飽和壓降耦合機(jī)理研究

厲 孟1，王俊炎2，杜會卿3，梁 帥3

（1. 海裝駐北京地區(qū)第四軍事代表室，北京 100094；2. 海裝駐武漢地區(qū)第三軍事代表室，武漢 430070；3. 中國船舶集團(tuán)有限公司系統(tǒng)工程研究院，北京 100094）

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結(jié)溫是影響變流器系統(tǒng)壽命、評估其可靠性的重要參數(shù)，而集-射極飽和壓降是實(shí)現(xiàn)結(jié)溫在線監(jiān)測的關(guān)鍵熱敏電參數(shù)。為深入研究IGBT結(jié)溫與集-射極飽和壓降間的耦合關(guān)系，本文從物理結(jié)構(gòu)層面構(gòu)建了IGBT飽和壓降溫度特性模型，分析了不同電流面密度下飽和壓降與結(jié)溫的關(guān)系機(jī)理，通過搭建IGBT靜態(tài)特性測試平臺，進(jìn)一步探究了飽和壓降與結(jié)溫之間存在近似線性關(guān)系，進(jìn)而基于動(dòng)態(tài)特性測試平臺，驗(yàn)證了理論分析的正確性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定集電極電流條件下，IGBT飽和壓降與結(jié)溫呈現(xiàn)近似線性關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，對IGBT結(jié)溫在線監(jiān)測方法提出了建議。

IGBT；飽和壓降；結(jié)溫；特性測試

0 引言

近年來，大功率IGBT模塊應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展，處理的功率等級不斷提升，在航空航天、交通運(yùn)輸、高端制造和國防軍工等高安全需求的領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用[1]，而IGBT在長期運(yùn)行中的可靠性、狀態(tài)監(jiān)測和健康管理等方面問題逐漸成為業(yè)界關(guān)注的重點(diǎn)。其中，作為重要的熱表征指標(biāo)，結(jié)溫的監(jiān)測尤為關(guān)鍵，大幅的結(jié)溫驟變和極高的結(jié)溫峰值均可直接導(dǎo)致器件熱失效[2-4]。

現(xiàn)有結(jié)溫監(jiān)測技術(shù)可歸類為物理接觸法、光學(xué)法、熱阻網(wǎng)絡(luò)法和溫敏電參數(shù)法4種方法[5,6]。物理接觸法原理簡單，通過在模塊內(nèi)部放置溫敏電阻或熱電偶測溫元件直接測量溫度，但此方法只能測量芯片附件基板的溫度，測量結(jié)果與芯片實(shí)際結(jié)溫相差較大。光學(xué)法利用物體的熱輻射性能來測量物體表面溫度場，但是光學(xué)方法測量結(jié)溫時(shí)需要拆封功率模塊，對功率模塊造成不可恢復(fù)的破壞。熱阻網(wǎng)絡(luò)法基于芯片到殼的等效熱阻網(wǎng)絡(luò)，但熱阻網(wǎng)絡(luò)受環(huán)境影響大，散熱調(diào)節(jié)或工況變化都會影響測量精度。溫敏電參數(shù)法是利用芯片自身作為溫度傳感器，通過建立結(jié)溫與外部電氣信號的映射關(guān)系來測量結(jié)溫，是最具有工業(yè)應(yīng)用潛質(zhì)的結(jié)溫監(jiān)測方法。而集-射極飽和壓降作為IGBT的重要電氣信號，探究其與結(jié)溫之間的關(guān)系尤為重要[7,8]。

本文從IGBT物理結(jié)構(gòu)層面出發(fā)，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型分析了IGBT集-射極飽和壓降與結(jié)溫之間的理論關(guān)系，并基于IGBT靜態(tài)特性測試平臺和動(dòng)態(tài)特性測試平臺，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了理論分析的正確性。在此基礎(chǔ)上，提出了IGBT結(jié)溫在線監(jiān)測方法建議，為變流器系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和可靠性評估奠定基礎(chǔ)。

1 IGBT飽和壓降溫度特性模型構(gòu)建

IGBT是目前應(yīng)用最為廣泛的中大功率、全控型電力電子器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在N溝道MOSFET上增加了一個(gè)P+襯底，分析IGBT通態(tài)特性時(shí)，IGBT結(jié)構(gòu)可簡化為：1個(gè)P-i-N整流器串聯(lián)1個(gè)工作在線性區(qū)的MOSFET。IGBT的總飽和壓降可以等效于MOSFET溝道電壓和P-i-N整流器壓降之和。在小電流范圍，以P-i-N整流器壓降為主；在大電流時(shí)，以MOSFET溝道壓降為主。圖1為IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)和簡化通態(tài)模型。

圖1 IGBT內(nèi)部結(jié)構(gòu)和簡化通態(tài)模型

P-i-N整流器的飽和壓降的計(jì)算公式為：

式中：為玻爾茲曼系數(shù)；為結(jié)溫；為元電荷量；C為集電極電流面密度；N為漂移區(qū)寬度；a為雙極擴(kuò)散系數(shù)；i為本征載流子濃度；a為雙極擴(kuò)散長度；函數(shù)可表示為

式中，M為漂移區(qū)電壓降。

MOSFET部分工作在線性區(qū)時(shí)，溝道電阻飽和壓降的計(jì)算公式為：

式中，為元胞節(jié)距，CH為溝道長度，ni為溝道遷移率；OX為柵極氧化層電容，G為柵極驅(qū)動(dòng)電壓，TH為柵極閾值電壓。

IGBT結(jié)構(gòu)的飽和壓降等于P-i-N和MOSFET壓降之和：

當(dāng)電流面密度C小于其飽和壓降測量結(jié)溫的拐點(diǎn)電流面密度時(shí)，IGBT的飽和壓降隨結(jié)溫j的上升而下降，且C越小，飽和壓降受結(jié)溫的影響（靈敏度）越明顯；當(dāng)電流面密度C大于其飽和壓降測量結(jié)溫的拐點(diǎn)電流面密度時(shí)，IGBT的飽和壓降隨結(jié)溫的上升而上升，且C越大，飽和壓降受結(jié)溫影響（即靈敏度）越明顯。則飽和壓降測量結(jié)溫的拐點(diǎn)電流面密度為：

由此可見，飽和壓降與結(jié)溫的關(guān)系在此處發(fā)生變化，且飽和壓降測量結(jié)溫的靈敏度最低。

2 IGBT靜態(tài)溫度特性測試與分析

如圖2所示，本文搭建了IGBT靜態(tài)溫度特性測試平臺，采用導(dǎo)熱硅脂將IGBT模塊與加熱臺連接，通過調(diào)節(jié)加熱臺溫度逐步改變模塊溫度，進(jìn)而通過環(huán)境溫度近似模擬IGBT芯片結(jié)溫。每次調(diào)節(jié)測量溫度后停留一段時(shí)間，待溫度穩(wěn)定后通過功率器件靜態(tài)參數(shù)測試儀對IGBT進(jìn)行飽和壓降的測量。

圖2 IGBT靜態(tài)溫度特性測試平臺

由于IGBT飽和壓降同時(shí)隨結(jié)溫和集電極電流的變化而變化，因此需綜合考慮溫度和電流對飽和壓降的影響。本文以某1 700 V/1 400 A IGBT模塊為例，取多組（50 A，100 A，150 A，200 A，250 A，300 A，350 A，400 A，450 A，500 A）集電極電流c，并通過加熱臺設(shè)置溫度，分別在30℃，50℃，75℃，100℃，125℃，150℃下測得不同集電極電流、溫度下的飽和壓降，測量結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同電流下的飽和壓降與結(jié)溫關(guān)系（靜態(tài)特性）

可以看出，在不同集電極電流下，飽和壓降與結(jié)溫近似呈現(xiàn)線性關(guān)系。

3 IGBT動(dòng)態(tài)溫度特性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 動(dòng)態(tài)特性測試原理

圖4 雙脈沖測試電路

在IGBT動(dòng)態(tài)特性的測試中，測試電路釆用二極管鉗位的感性負(fù)載電路，即雙脈沖測試電路，常用于功率半導(dǎo)體器件測試，如圖4所示。

圖4中包含充放電回路與實(shí)驗(yàn)回路兩部分，其中二極管采用快恢復(fù)二極管，直流母線電壓采用高壓直流電源實(shí)現(xiàn)，利用薄膜電容設(shè)計(jì)母排作為直流支撐電容，保證實(shí)驗(yàn)過程中母線電壓的穩(wěn)定。利用繼電器對充放電過程進(jìn)行控制，并通過充放電電阻限制充電的電流和速度大小。實(shí)驗(yàn)回路通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)觸發(fā)源的脈沖寬度來獲得雙脈沖實(shí)驗(yàn)波形，波形示意圖如圖5所示。

圖5 雙脈沖波形圖

3.2 動(dòng)態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

如圖6所示，本文搭建了動(dòng)態(tài)溫度特性測試平臺，包括肖特基二極管、用于產(chǎn)生雙脈沖信號的觸發(fā)板、負(fù)載電感、直流母線電容、放電電阻等，平臺參數(shù)如表1所示。

圖6 雙脈沖測試平臺

表1 雙脈沖測試平臺參數(shù)設(shè)置

以某1700 V/1400 A IGBT模塊為例，將IGBT模塊置于加熱臺基板上，調(diào)節(jié)加熱臺溫度，以℃為起始溫度，以℃為間隔，逐漸增加至℃，在溫度穩(wěn)定后進(jìn)行雙脈沖實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)取多組集電極電流c，分別為100 A，190 A，300 A，400 A，500 A，600 A，700 A，800 A，900 A，1 000 A。通過加熱臺設(shè)置溫度，測得結(jié)溫j如圖7所示。

圖7 不同電流下的飽和壓降與結(jié)溫關(guān)系（動(dòng)態(tài)特性）

根據(jù)飽和壓降、集電極電流和結(jié)溫的曲線可知，當(dāng)集電極電流為固定值時(shí)，飽和壓降與結(jié)溫近似為一次函數(shù)關(guān)系，在不同的集電極電流下，一次函數(shù)的斜率和截距不同。

對不同集電極電流下的飽和壓降與結(jié)溫進(jìn)行一次函數(shù)擬合，所得每條曲線的斜率、截距和擬合平方值如表2所示，擬合后的各條曲線如圖8所示。可以看出，結(jié)溫?cái)M合曲線線性度較好，在IGBT實(shí)際運(yùn)行過程中，通過將實(shí)時(shí)集-射極飽和壓降數(shù)據(jù)代入結(jié)溫?cái)M合曲線來估算結(jié)溫的方法簡單有效，但同時(shí)也要注意集電極電流的影響。

表2 飽和壓降與結(jié)溫關(guān)系曲線一次擬合

圖8 飽和壓降與結(jié)溫關(guān)系曲線一次擬合

4 結(jié)論

本文從IGBT物理結(jié)構(gòu)角度出發(fā)分析了集-射極飽和壓降與結(jié)溫之間的關(guān)系機(jī)理，通過靜態(tài)特性測試實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步探究了IGBT飽和壓降與結(jié)溫之間存在近似線性關(guān)系。為進(jìn)一步驗(yàn)證理論分析的正確性，搭建了動(dòng)態(tài)特性測試平臺，在不同集電極電流下，改變IGBT模塊結(jié)溫并獲取飽和壓降，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在一定集電極電流情況下，IGBT飽和壓降與結(jié)溫近似呈現(xiàn)線性關(guān)系?？梢钥闯觯Y(jié)溫?cái)M合曲線線性度較好，在考慮IGBT集電極電流影響的前提下，通過將實(shí)時(shí)集-射極飽和壓降數(shù)據(jù)代入結(jié)溫?cái)M合曲線來估算結(jié)溫的方法可行有效，為變流器系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測和可靠性評估提供了參考。

[1] 楊媛, 文陽, 李國玉. 大功率IGBT模塊及驅(qū)動(dòng)電路綜述[J]. 高電壓技術(shù), 2018, 44(10): 3207-3220.

[2] 陳杰, 鄧二平, 趙雨山, 等. 高壓大功率器件結(jié)溫在線測量方法綜述[J]. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào), 2019, 39(22): 6677-6687.

[3] 姚芳, 胡洋, 李錚, 等. 基于結(jié)溫監(jiān)測的風(fēng)電IGBT熱安全性和壽命耗損研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(9): 2024-2033.

[4] 岳亞靜, 杜明星, 文星, 等. 基于結(jié)溫補(bǔ)償?shù)腎GBT模塊鍵合線失效監(jiān)測方法[J]. 電力電子技術(shù), 2019, 53(2): 66-69.

[5] Avenas Y, Dupont L, Khatir Z. Temperature measurement of power semiconductor devices by thermo-sensitive electrical parameters-a review[J]. IEEE Trans Power Electron, 2012, 27(6): 3081-3092.

[6] Baker N, Liserre M, Dupont L, et al. Improved reliability of power modules: a review of online junction temperature measurement methods[J]. IEEE Ind Electron M, 2014, 8(3): 17-27.

[7] 曾曉彤, 王榮茂. 基于Vth和Vce的IGBT結(jié)溫測量方法對比研究[J]. 電氣傳動(dòng), 2022, 52(11): 24-28.

[8] 寧圃奇, 鄭丹, 康玉慧, 等. 基于大電流導(dǎo)通壓降法的車用IGBT結(jié)溫監(jiān)測方法綜述[J]. 電源學(xué)報(bào), 2022, 20(2): 161-172.

Study on coupling mechanism of IGBT junction temperature and saturation voltage drop

Li Meng1, Wang Junyan2, Du Huiqing3, Liang Shuai3

(1. The Fourth Navy Representative Office in Beijing, Beijing 100094, China; 2. The Third Navy Representative Office in Wuhan, Wuhan 430070, China; 3. China Shipbuilding Industry System Engineering Research Institute, Bejing 100094, China)

TN322

A

1003-4862（2024）03-0023-04

2023-04-11

厲孟（1985-），男，工程師，研究方向：動(dòng)力系統(tǒng)。E-mail：huiqingdu@126.com