IGBT結溫與飽和壓降耦合機理研究

厲 孟，王俊炎，杜會卿，梁 帥

IGBT結溫與飽和壓降耦合機理研究

厲 孟1，王俊炎2，杜會卿3，梁 帥3

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

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）結溫是影響變流器系統壽命、評估其可靠性的重要參數，而集-射極飽和壓降是實現結溫在線監測的關鍵熱敏電參數。為深入研究IGBT結溫與集-射極飽和壓降間的耦合關系，本文從物理結構層面構建了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溫的關系機理，通過搭建IGBT靜態特性測試平臺，進一步探究了飽和壓降與結溫之間存在近似線性關系，進而基于動態特性測試平臺，驗證了理論分析的正確性。實驗結果表明，在一定集電極電流條件下，IGBT飽和壓降與結溫呈現近似線性關系。在此基礎上，對IGBT結溫在線監測方法提出了建議。

IGBT；飽和壓降；結溫；特性測試

0 引言

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

現有結溫監測技術可歸類為物理接觸法、光學法、熱阻網絡法和溫敏電參數法4種方法[5,6]。物理接觸法原理簡單，通過在模塊內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，測量結果與芯片實際結溫相差較大。光學法利用物體的熱輻射性能來測量物體表面溫度場，但是光學方法測量結溫時需要拆封功率模塊，對功率模塊造成不可恢復的破壞。熱阻網絡法基于芯片到殼的等效熱阻網絡，但熱阻網絡受環境影響大，散熱調節或工況變化都會影響測量精度。溫敏電參數法是利用芯片自身作為溫度傳感器，通過建立結溫與外部電氣信號的映射關系來測量結溫，是最具有工業應用潛質的結溫監測方法。而集-射極飽和壓降作為IGBT的重要電氣信號，探究其與結溫之間的關系尤為重要[7,8]。

本文從IGBT物理結構層面出發，通過構建數學模型分析了IGBT集-射極飽和壓降與結溫之間的理論關系，并基于IGBT靜態特性測試平臺和動態特性測試平臺，通過實驗驗證了理論分析的正確性。在此基礎上，提出了IGBT結溫在線監測方法建議，為變流器系統狀態監測和可靠性評估奠定基礎。

1 IGBT飽和壓降溫度特性模型構建

IGBT是目前應用最為廣泛的中大功率、全控型電力電子器件，其內部結構相當于在N溝道MOSFET上增加了一個P+襯底，分析IGBT通態特性時，IGBT結構可簡化為：1個P-i-N整流器串聯1個工作在線性區的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，以MOSFET溝道壓降為主。圖1為IGBT內部結構和簡化通態模型。

圖1 IGBT內部結構和簡化通態模型

P-i-N整流器的飽和壓降的計算公式為：

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

式中，M為漂移區電壓降。

MOSFET部分工作在線性區時，溝道電阻飽和壓降的計算公式為：

式中，為元胞節距，CH為溝道長度，ni為溝道遷移率；OX為柵極氧化層電容，G為柵極驅動電壓，TH為柵極閾值電壓。

IGBT結構的飽和壓降等于P-i-N和MOSFET壓降之和：

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

由此可見，飽和壓降與結溫的關系在此處發生變化，且飽和壓降測量結溫的靈敏度最低。

2 IGBT靜態溫度特性測試與分析

如圖2所示，本文搭建了IGBT靜態溫度特性測試平臺，采用導熱硅脂將IGBT模塊與加熱臺連接，通過調節加熱臺溫度逐步改變模塊溫度，進而通過環境溫度近似模擬IGBT芯片結溫。每次調節測量溫度后停留一段時間，待溫度穩定后通過功率器件靜態參數測試儀對IGBT進行飽和壓降的測量。

圖2 IGBT靜態溫度特性測試平臺

由于IGBT飽和壓降同時隨結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，測量結果如圖3所示。

圖3 不同電流下的飽和壓降與結溫關系（靜態特性）

可以看出，在不同集電極電流下，飽和壓降與結溫近似呈現線性關系。

3 IGBT動態溫度特性實驗驗證

3.1 動態特性測試原理

圖4 雙脈沖測試電路

在IGBT動態特性的測試中，測試電路釆用二極管鉗位的感性負載電路，即雙脈沖測試電路，常用于功率半導體器件測試，如圖4所示。

圖4中包含充放電回路與實驗回路兩部分，其中二極管采用快恢復二極管，直流母線電壓采用高壓直流電源實現，利用薄膜電容設計母排作為直流支撐電容，保證實驗過程中母線電壓的穩定。利用繼電器對充放電過程進行控制，并通過充放電電阻限制充電的電流和速度大小。實驗回路通過調節驅動觸發源的脈沖寬度來獲得雙脈沖實驗波形，波形示意圖如圖5所示。

圖5 雙脈沖波形圖

3.2 動態特性測試實驗驗證

如圖6所示，本文搭建了動態溫度特性測試平臺，包括肖特基二極管、用于產生雙脈沖信號的觸發板、負載電感、直流母線電容、放電電阻等，平臺參數如表1所示。

圖6 雙脈沖測試平臺

表1 雙脈沖測試平臺參數設置

以某1700 V/1400 A IGBT模塊為例，將IGBT模塊置于加熱臺基板上，調節加熱臺溫度，以℃為起始溫度，以℃為間隔，逐漸增加至℃，在溫度穩定后進行雙脈沖實驗。實驗取多組集電極電流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。通過加熱臺設置溫度，測得結溫j如圖7所示。

圖7 不同電流下的飽和壓降與結溫關系（動態特性）

根據飽和壓降、集電極電流和結溫的曲線可知，當集電極電流為固定值時，飽和壓降與結溫近似為一次函數關系，在不同的集電極電流下，一次函數的斜率和截距不同。

對不同集電極電流下的飽和壓降與結溫進行一次函數擬合，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?？梢钥闯?，結溫擬合曲線線性度較好，在IGBT實際運行過程中，通過將實時集-射極飽和壓降數據代入結溫擬合曲線來估算結溫的方法簡單有效，但同時也要注意集電極電流的影響。

表2 飽和壓降與結溫關系曲線一次擬合

圖8 飽和壓降與結溫關系曲線一次擬合

4 結論

本文從IGBT物理結構角度出發分析了集-射極飽和壓降與結溫之間的關系機理，通過靜態特性測試實驗，進一步探究了IGBT飽和壓降與結溫之間存在近似線性關系。為進一步驗證理論分析的正確性，搭建了動態特性測試平臺，在不同集電極電流下，改變IGBT模塊結溫并獲取飽和壓降，實驗結果表明，在一定集電極電流情況下，IGBT飽和壓降與結溫近似呈現線性關系?？梢钥闯?，結溫擬合曲線線性度較好，在考慮IGBT集電極電流影響的前提下，通過將實時集-射極飽和壓降數據代入結溫擬合曲線來估算結溫的方法可行有效，為變流器系統狀態監測和可靠性評估提供了參考。

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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：動力系統。E-mail：huiqingdu@126.com