摘要
IGBT模塊的芯片溫度是電力電子系統非常重要的參數。由于無法直接測量系統運行時的芯片溫度，所以得要借助其它的溫度傳感器，比如IGBT模塊內置的NTC電阻，根據NTC電阻的實時數值，通過查詢預先測量的芯片溫度-NTC電阻溫度關系曲線，間接預估芯片溫度。所以提前確定芯片溫度和溫度傳感器的關系曲線是非常重要的工作。本文基于特定的實驗裝置，介紹了一種簡易可靠的測量方法，以獲取芯片溫度和NTC電阻的對應關系。
介紹
在設計電力電子系統的初始階段，通常會做電氣仿真和熱仿真。對于熱仿真來說，盡可能準確的確定IGBT芯片溫度對于預測模塊壽命至關重要。雖然JEDEC標準[1]定義了in-site結溫測量方法，但是此方法的設備使用困難并且很難在實際運行的系統中進行測量。另外一種估計芯片溫度的簡易方法如圖1左側的實驗平臺所示。
(a) (b)
圖1：(a)-測溫試驗臺，由IGBT模塊，電源，數據采集系統，冷卻設備和測溫設備組成
(b)-被測IGBT模塊的紅外圖像，只加熱二極管芯片
被測器件是英飛凌公司的一款PrimePACK模塊FF1000R17IE4(1000A/1700V)，固定在風冷散熱器上并且冷卻風速可調。通過測量保證散熱器風量和實際系統的工況相同。芯片的溫度用紅外熱成像儀測量(IR-Camera)，芯片下方的基板殼溫用貼在基板上的熱電偶測量。NTC電阻值通過數據采集器記錄并且根據IGBT模塊數據手冊中的電阻-溫度曲線將電阻值轉換成對應的溫度值，同時用紅外熱成像儀直接測量NTC電阻的溫度。被測器件通過低壓直流源供電，當大電流通過芯片時，在芯片上產生壓降和損耗，從而為芯片加熱。圖1中的右圖是被測器件的熱成像圖，通過調節直流源的輸出電流，可以改變芯片的加熱功率，進而得到不同發熱功率下的芯片溫度。待芯片溫度穩定后，記錄數據采集器和熱成像儀的測量結果，如表1所示：
表1 基于強迫風冷試驗臺的熱測量結果
借助數據處理工具，比如Excel，對測量的NTC電阻[Ω]和二極管溫度[℃]進行校正，便可得到兩者的對應關系tdiode=f(RNTC)，見圖2，其中還包括相應的多項式插值公式。
圖2 芯片溫度和NTC電阻值的實測關系曲線(基于特定的測試臺)
圖2 中的非線性曲線需要用3次多項式插值才能準確描述。NTC電阻的特性參數通常由半導體的規格書給出，所以可以很容易的把NTC電阻值轉換成對應的溫度值。用NTC電阻的溫度替換圖2中的NTC電阻值，便可得到NTC電阻溫度和芯片溫度的線性對應關系tdiode=f(TNTC)，如圖3所示。
圖3 芯片溫度和NTC電阻溫度的實測關系曲線(基于特定的測試臺)
系統的冷卻方式對散熱的影響也比較大。在風冷系統中，模塊產生的熱量在基板和散熱器上橫向傳播，能充分的加熱NTC電阻。如果采用高效的水冷系統，熱量在基板水平方向的擴散程度較低，從而減弱了與NTC電阻的熱耦合。所以，在水冷系統中，芯片和NTC電阻之間的溫差會增加。與風冷系統相同的熱測試(相同的模塊，相同的熱負載)也在水冷系統上進行了重復試驗，如圖4所示。
圖4 ：(a)水冷試驗臺;(b)被測IGBT模塊的紅外圖像，只加熱二極管芯片
表2是水冷系統的熱測試結果，包括低流速(5.6L/min)和高流速(12.8L/min)兩種水冷工況。在每種工況下，通過調節芯片的電流，使芯片的穩態溫度盡量一致。
表2 基于水冷試驗臺的熱測量結果
為了便于對比，圖5列出了上述風冷和水冷系統的NTC電阻溫度和芯片溫度之間的關系曲線。
圖5 ：不同冷卻條件下的芯片—NTC電阻溫度曲線
熱測試結果表明，芯片和NTC電阻之間的溫度差隨冷卻系統性能的提升而增加，所以對于不同的系統應用工況，無法給出通用的芯片-NTC電阻溫度曲線。
2 模型的局限
本文的熱測試方法簡要介紹了獲取模塊內部芯片溫度與NTC電阻(電阻值、溫度值)之間的關系曲線。如果想獲得更加精確的關系曲線，則需要仔細考慮測試過程中每一步的細節，尤其是當確定過載保護的觸發值時，必須更加準確的測量溫度。
2.1 本方法的有效性
本文的所有測試數據均是在被測系統熱穩定后測量的，忽略了系統熱時間常數(熱容)的影響，所以測量結果僅在穩態工況下有效。強迫風冷系統的熱時間常數大約為幾分鐘，水冷系統的熱時間常數大約為30到60秒，NTC電阻需要較長的時間才能響應系統負載工況變化，所以用它來監控系統的瞬態工況是不可能的。導致系統過載的工況較多，比如水冷散熱器被腐蝕引起的冷卻系統性能降低、冷卻風扇故障或者冷卻水泵損壞等。以上故障通常是逐漸加劇的，NTC電阻有足夠的響應時間，所以可以用來做系統的過載保護。建議在系統實際工況下測試芯片和NTC電阻的關系曲線，通過設置合適的觸發值，就可以用NTC電阻來過載保護。
2.2 最熱點vs Tvj,max
在測量系統熱模型時，需要用芯片的最大溫度點作為參考。當用熱成像設備比如紅外熱成像儀測量芯片溫度時，測得的最熱點與芯片表面的最高溫度Tvj,max不同。標準中的in-situ測溫方法考慮了模塊內部的所有芯片，得到的是芯片最大平均溫度，這個值可以用來預測模塊的PC壽命[4]。本試驗中的紅外熱成像儀能探測芯片表面的最熱點，但是根據這個最熱點得到的熱模型相當保守。尤其是對于大功率模塊，用in-situ方法測得的溫度是所有芯片溫度的平均值。為了使紅外測溫的熱模型接近in-situ方法測溫的熱模型，需要考慮模塊的所有發熱芯片并仔細分析熱測試數據，對所測數據取平均值。如圖6所示，熱成像數據得到的最高溫度在綁定線上，為104℃。芯片表面的最高溫度比綁定線稍微低一點，大約為100℃，而芯片表面的平均溫度。
圖6 單個芯片的紅外熱成像圖及詳細的溫度分布
2.3 直流源vs交流源
在實際系統中，模塊中的IGBT芯片和二極管芯片同時發熱，芯片之間有熱耦合。為了便于操作，本實驗采用直流源加熱被測模塊的二極管芯片，忽略了芯片之間的熱耦合。為了使芯片發熱和彼此之間的耦合更接近實際工況，可以采用交流源代替直流源。參考文獻[5]詳細介紹了交流源加熱芯片的方法。
3 結論
對于內置NTC電阻的功率模塊來說，芯片和NTC電阻之間沒有通用的關聯模型(熱阻或者溫度關系)。在特定的系統中進行熱測試，是精確獲得兩者相互關系的必然手段。本實驗基于特定的實驗平臺，通過對穩態熱測試數據進行擬合，得到了NTC電阻和芯片溫度之間的關系曲線。紅外熱成像方法的測溫數據非常全面，包括芯片的熱梯度和最熱點等信息，同時還可以借助這種測溫方法總體考慮整個系統的熱設計。
參考文獻：
[1] Electronic Industries Association, EIA/JESD51-1, Integrated Circuits Thermal Measurement, Method-Electrical Test Method (Single Semiconductor Device)
[2] Infineon Technologies, Data sheet, FF1000R17IE4
[3] Nils Kerstin, Martin Schulz, The Challenge of Accurately Measuring Thermal Resistances, PCIM 2014 Nuremberg, Germany in May 2014
[4] Infineon Technologies, Application Note AN2010-02, Use of Power Cycling Curves for IGBT4, www.infineon.com
[5] Zheng Ziqing et.al, Analysis of temperature correlation on IGBT modules, PCIM 2015 Shanghai, China, June 2015
