姚芳，王少杰，李志剛

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

0 引 言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）是一種由MOSFET和雙極型晶體管復(fù)合而成的新型功率半導(dǎo)體器件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、航空航天、通信系統(tǒng)、新能源系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)領(lǐng)域等［1］。IGBT模塊經(jīng)常由于過溫而失效，這已嚴(yán)重影響到其使用壽命，進(jìn)而影響其所在系統(tǒng)的可靠性［2］。目前，IGBT模塊的壽命預(yù)測、可靠性分析等研究多從器件結(jié)溫出發(fā)，探尋其失效與結(jié)溫歷史之間的關(guān)系［3］。因此，研究結(jié)溫的獲取方法對于指導(dǎo)IGBT模塊的壽命預(yù)測、優(yōu)化設(shè)計(jì)以及提高可靠性等研究有重要的意義。

由于IGBT模塊的封裝特性與工作環(huán)境，結(jié)溫不易獲取［4］，國內(nèi)外的許多學(xué)者已經(jīng)對結(jié)溫獲取方法進(jìn)行了廣泛的研究，但是還未有文獻(xiàn)對其進(jìn)行綜合分析。目前，IGBT模塊的結(jié)溫獲取方法主要分為兩大類，一類為模擬法獲取結(jié)溫，另一類為實(shí)際探測法獲取結(jié)溫，這兩類方法各有優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。本文對近年來國內(nèi)外學(xué)者們研究的IGBT結(jié)溫獲取方法進(jìn)行綜述，并討論各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)及適用范圍。

1 IGBT結(jié)溫模擬方法研究

1.1 電熱耦合模型法

電熱耦合模型是利用IGBT模塊電氣參數(shù)的熱相關(guān)性建立的一種用于結(jié)溫預(yù)測的模型。該模型主要分為兩類，一類是考慮到IGBT模塊內(nèi)部參數(shù)與溫度的關(guān)系，建立的帶有溫度參數(shù)的物理模型；另一類是由電氣模型和熱模型兩部分組成的溫度反饋模型。

1.1.1 帶溫度參數(shù)的物理模型

物理模型考慮了IGBT內(nèi)部的載流子運(yùn)動情況和器件的電氣行為，可以精確地仿真IGBT模塊的開關(guān)電壓、電流波形來計(jì)算損耗。文獻(xiàn)［5］考慮了器件內(nèi)部參數(shù)和半導(dǎo)體物理常數(shù)與溫度的關(guān)系，建立了IGBT模塊功耗與溫度的電熱模型，然后聯(lián)立結(jié)殼傳熱方程建立了求解結(jié)溫的物理模型，文獻(xiàn)［6-9］分別在Hefner模型和Kraus模型的基礎(chǔ)上考慮了半導(dǎo)體的自熱效應(yīng)，建立了耦合結(jié)溫參數(shù)的Hefner模型與Kraus模型，文獻(xiàn)［10］考慮了IGBT模塊焊料層、門極電壓及芯片退化造成的影響，建立了一種加入了退化參量的物理模型。

帶溫度參數(shù)的物理模型將半導(dǎo)體的物化機(jī)理與溫度結(jié)合起來，模型建立得較為精確，但是建模需要大量的參數(shù)，參數(shù)提取過程復(fù)雜，并且仿真步長很短，在計(jì)算過程中對每次開關(guān)過程均需求解一系列的偏微分方程組，計(jì)算量巨大，難以進(jìn)行長時間尺度的仿真，因此一般只用于需要獲得短期精準(zhǔn)參數(shù)的場合。

1.1.2 溫度反饋模型

溫度反饋模型如圖1所示。電氣模型計(jì)算的損耗輸入熱模型，熱模型計(jì)算結(jié)溫反饋回電氣模型，電氣模型與熱模型間建立了強(qiáng)耦合關(guān)系，能夠真實(shí)反映IGBT模塊內(nèi)部的電熱關(guān)系。

圖1 溫度反饋型電熱耦合模型Fig.1 Electro-thermalmodelwith temperature feedback

電氣模型用來計(jì)算器件損耗，分為數(shù)值模型和LUT模型兩種。（1）數(shù)值模型是分析IGBT模塊開關(guān)過程的電壓、電流波形后建立開關(guān)損耗模型與通態(tài)損耗模型，利用模型中的溫敏參數(shù)（集射極電壓VCE、集電極電流IC、柵極電阻RG等）將損耗與溫度耦合起來，建立具有溫度相關(guān)性的損耗模型［11-14］。該類模型計(jì)算結(jié)果不如物理模型精確但是參數(shù)容易提取，且模型較為簡單，所以加快了仿真速度，通常用于散熱系統(tǒng)和冷卻裝置的設(shè)計(jì)。（2）LUT模型是指提前建立IGBT模塊的開關(guān)損耗與通態(tài)損耗表（損耗表中的數(shù)值提前由一系列的開關(guān)實(shí)驗(yàn)、仿真實(shí)驗(yàn)或者查詢器件手冊得到［15］），仿真每一次開關(guān)過程時不必再計(jì)算損耗，可以通過查表法直接獲得某電流、電壓和溫度下的開關(guān)損耗與通態(tài)損耗，解耦了器件與系統(tǒng)間的仿真，大大加快了仿真速度，可以仿真長時間尺度的溫度歷史［16-21］。

電熱耦合模型中的熱模型分為熱網(wǎng)絡(luò)模型與解析計(jì)算模型兩類。（1）熱網(wǎng)絡(luò)模型根據(jù)電熱比擬理論建立［22］，分為Cauer模型和 Foster模型，如圖2所示。Cauer模型反映器件內(nèi)部的實(shí)際物理結(jié)構(gòu)，熱阻和熱容參數(shù)代表器件各層材料的實(shí)際熱阻和熱容，如圖2（a）所示，該模型中的物理參數(shù)難以獲得，并且在實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)上十分困難。Foster模型不反映器件內(nèi)部的傳熱結(jié)構(gòu)，但在反映器件的整體傳熱性能上與 Cauer模型等效，如圖2（b）所示［23-26］。（2）解析計(jì)算模型是用數(shù)值解析式的形式建立自定義的熱路模型，以環(huán)境溫度為初始條件迭代計(jì)算［11］。

電熱耦合模型法為目前最常用的一種結(jié)溫模擬方法，可以模擬多時間尺度的結(jié)溫歷史，并且可以通過編程實(shí)現(xiàn)結(jié)溫的在線測量，并且可以對老化后的IGBT模塊進(jìn)行開關(guān)試驗(yàn)，提取老化過程中的損耗參數(shù)，可以反映器件的老化狀態(tài)。但是由于在建立損耗表時考慮因素有限，該模型的計(jì)算結(jié)果不夠精確，只能用于對溫度精確度要求不高的場合，多用于壽命預(yù)測分析。

1.2 FEM數(shù)值計(jì)算法

FEM數(shù)值計(jì)算法首先在軟件中建立IGBT模塊的三維模型，利用基于網(wǎng)絡(luò)劃分的有限元分析法進(jìn)行溫度場熱仿真得到IGBT模塊精確的溫度分布情況［27-30］，如圖3所示。圖3中，溫度按紅橙黃綠青藍(lán)的分布逐漸降低，可以看出IGBT芯片的溫度較高，溫度最高點(diǎn)（圖中A點(diǎn)）即為結(jié)溫點(diǎn)。

圖3 IGBT芯片溫度場分布Fig.3 Temperature field distribution of IGBT chip

利用該方法可以得到IGBT模塊三維溫度場分布，并且可以準(zhǔn)確得知結(jié)溫點(diǎn)的位置，對研究功率半導(dǎo)體器件的失效機(jī)理及散熱設(shè)計(jì)等有較高的指導(dǎo)價值。但是，有限元計(jì)算法在建模過程中必須得知各層材料的屬性參數(shù)及尺寸參數(shù)，這些參數(shù)通常由器件手冊得知，退化后很難獲得屬性及尺寸參數(shù)的變化，因此不能反映器件的退化狀態(tài)，并且該仿真需要對大量的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)進(jìn)行迭代計(jì)算，求解過程繁瑣，不適合仿真長時間尺度的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，各層有效導(dǎo)熱面積為近似值，誤差較大。

1.3 迭代計(jì)算法

迭代計(jì)算法建立Foster熱模型的數(shù)學(xué)模型，在周期結(jié)溫計(jì)算的基礎(chǔ)上將上一周期的結(jié)溫值作為初始值帶入下一周期，不斷迭代計(jì)算［31］。

以一個模塊中包含IGBT芯片和反并聯(lián)二極管兩個熱源的情況為例，簡化RC熱網(wǎng)絡(luò)如圖4所示。

圖4 IGBT模塊簡化熱網(wǎng)絡(luò)模型Fig.4 Simplified thermal network of IGBT module

圖4中Ttj和 Tdj分別為 IGBT和 Diode的結(jié)溫，Rtjh和Rdjh分別為IGBT和Diode的結(jié)-散熱片熱阻，Ctjh和Cdjh分別為 IGBT和 Diode的結(jié)-散熱片熱容，Rha為散熱片-環(huán)境熱阻，Cha為散熱片-環(huán)境熱容，Pt和Pd為IGBT和Diode平均功耗。

引入計(jì)算周期Ts，一個計(jì)算周期包含n個開關(guān)周期，分別計(jì)算出IGBT模塊和Diode計(jì)算周期的平均損耗Pt和Pd（文獻(xiàn)［32］中介紹了Pt和Pd的計(jì)算方法），IGBT和 Diode的結(jié)溫 Ttj和 Tdj可以由 IGBT和Diode結(jié)-散熱器溫差ΔTtjh和ΔTdjh、散熱器-環(huán)境溫差ΔTha和環(huán)境溫度Ta求和得到。根據(jù)電熱比擬理論，IGBT結(jié)-散熱器一個計(jì)算周期結(jié)束時刻溫差ΔTtjh的計(jì)算方程如下：

式（1）中ΔTtjh0是上一個計(jì)算周期的溫差。

ΔTdjh和ΔTha的計(jì)算方法與ΔTtjh相同。在一個計(jì)算周期內(nèi)，將器件ic近似為恒值，且ΔTtj0可以通過ΔTha0和ΔTtjh0求和得到，則式（1）可以寫成下式：

式（2）中 atjh、aha、adjh和 btjh均為常系數(shù)。

為了便于編輯，以 ΔT1、ΔT2、ΔT3代替 ΔTtjh、ΔTtdh和ΔTha結(jié)溫計(jì)算從0s開始，計(jì)算周期為0.001s則第21個計(jì)算周期即0.021s時刻溫差計(jì)算方程式如下：

其他時刻的計(jì)算方法與式（3）類似，則利用Gauss-Seidel迭代法可以計(jì)算IGBT模塊結(jié)溫。

文獻(xiàn)［33］在利用該種方法計(jì)算時，建立的模型更為細(xì)致，將IGBT模塊內(nèi)部每層封裝材料的溫差建入模型中，則可以計(jì)算每層封裝材料的溫度曲線。文獻(xiàn)［34］利用該方法對IGBT模塊進(jìn)行了多時間尺度的壽命預(yù)測分析。

該方法計(jì)算速度快，可以計(jì)算長時間尺度下的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)。但是，文中所介紹的只是其簡化模型，真實(shí)模型更為復(fù)雜，需要設(shè)定的參數(shù)多，模型不易建立。

2 IGBT結(jié)溫探測方法研究

2.1 熱敏參數(shù)法

IGBT的許多電氣參數(shù)都具有溫度敏感性，如集射極飽和壓降 VCE、電壓變化率 d VCE／d t、門極電壓VGE等，利用這些參數(shù)作為溫度敏感參數(shù)（Temperature Sensitive Parameters-TSP）可以間接測量結(jié)溫，降低了結(jié)溫測量的難度。

2.1.1 集射極飽和壓降VCE

IGBT模塊導(dǎo)通時的集射極飽和壓降VCE與結(jié)溫Tj有著良好的線性關(guān)系，且與集電極電流IC有關(guān)，標(biāo)定不同電流下VCE與結(jié)溫Tj的關(guān)系，就可以通過測量時VCE的值推出結(jié)溫Tj的值。

在特定的小電流下（IC≤100mA），集射極飽和壓降VCE與結(jié)溫Tj呈負(fù)相關(guān)性，IEC 60767-92007給出了在小電流下測量結(jié)溫進(jìn)而計(jì)算熱阻的方法［35-36］；在大電流下由于IGBT模塊本身的產(chǎn)熱，VCE與結(jié)溫Tj呈正相關(guān)，文獻(xiàn)［37］標(biāo)定了某型IGBT模塊在81A-922A之間VCE與結(jié)溫Tj之間的關(guān)系曲線。實(shí)驗(yàn)室中對熱敏參數(shù)VCE做了一定的研究，分別測得小測量電流和單脈沖大電流下VCE與Tj的關(guān)系曲線如圖5、圖6所示。

圖5 小測量電流下VCE隨Tj的變化Fig.5 Typical changes of VCE and Tj in small measuring current

圖6 大電流下IGBT正向飽和壓降與溫度的關(guān)系Fig.6 Positive saturation voltage drop and temperature relation of IGBT under single pulse electrical flow

以VCE為熱敏參數(shù)的測量只需測量模塊外部電參量，不需改變模塊封裝，測量電路簡單，但是測量條件要求較高。標(biāo)定VCE與Tj的關(guān)系曲線時，需將IGBT模塊放置在恒溫箱內(nèi)保持內(nèi)外溫度一致，并且在大電流下進(jìn)行標(biāo)定時，需施加短時單脈沖大電流，以保證模塊芯片的產(chǎn)熱量很小，不改變結(jié)溫。在每次測量前均需對模塊VCE與Tj的關(guān)系曲線進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定的準(zhǔn)確性直接影響測量結(jié)果的準(zhǔn)確性，且小測量電流方法不能用于在線測量。

2.1.2 短路電流 ISCC

在IGBT模塊工作期間輸入短路脈沖會產(chǎn)生一個集電極電流脈沖，這個脈沖的峰值與集射極電壓呈線性關(guān)系，因此可以建立短路電流峰值與結(jié)溫的關(guān)系模型，如圖7所示。文獻(xiàn)［38］中研究了短路電流ISCC的峰值作為溫敏參數(shù)測量IGBT結(jié)溫的方法。

圖7 短路電流峰值與結(jié)溫關(guān)系模型Fig.7 Relation model of short-circuit current peak and junction temperature

該方法在測量過程中需向工作中的IGBT模塊通入短路脈沖電流，一些變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不允許施加短路脈沖，而且頻繁地施加短時脈沖會加劇器件的疲勞老化，降低器件使用壽命。

2.1.3 集射極電壓變化率 d VCE／d t

集射極電壓變化率d VCE／d t在不同的負(fù)載電流下與結(jié)溫呈線性關(guān)系，因此可以用作熱敏參數(shù)來測量結(jié)溫。文獻(xiàn)［39］通過分析結(jié)溫對空穴擴(kuò)散系數(shù)、雙極遷移率、基區(qū)摻雜濃度和基區(qū)載流子濃度的影響，建立了基于結(jié)溫的電壓變化率模型。文獻(xiàn)［40］指出電路中的雜散電感不會影響電壓最大變化率測量，電壓變化率除了受結(jié)溫的影響外還集電極電流的影響，不同集電極電流下電壓與結(jié)溫的關(guān)系如圖8所示。該測量方法同樣不受模塊封裝的影響，且受電路雜散電感影響很小，但是對測量電路的要求很高。

2.1.4 門極電壓 VGE、門極電阻電壓VRG

門極電壓VGE及門極電阻電壓VRG在關(guān)斷器件的波形會隨溫度發(fā)生變化（如圖9所示），因此可以作為熱敏參數(shù)測量結(jié)溫。

圖8 不同負(fù)載電流下d VCE／d t與Tj的關(guān)系Fig.8 Relationship of d VCE／d t and Tj in different load currents

圖9 門極關(guān)斷電壓隨溫度的變化Fig.9 VGE waveform at different temperatures

文獻(xiàn)［41］發(fā)現(xiàn)，門極電壓在關(guān)斷期間的密勒平臺的寬度會隨結(jié)溫的升高而加寬。為了研究其物理機(jī)制，文獻(xiàn)［41］還用TCAD仿真軟件模擬了單個IGBT模塊在不同溫度下關(guān)斷過程中的載流子分布情況，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高本征載流子的濃度和壽命都會增加，致使關(guān)斷過程中的門極電壓發(fā)生變化。文獻(xiàn)［42-43］發(fā)現(xiàn)，門極電阻上的電壓降VRG的振幅會隨溫度的升高而增大，因此門極電壓VGE與門極電阻電壓VRG都可以作為熱敏參數(shù)測量結(jié)溫。

該測量方法不用打開器件封裝，但是對與測量電路的要求同樣很高，需要用到高分辨率的示波器，并且很難在IGBT工作過程中進(jìn)行測量。

2.2 物理接觸法

物理接觸法是采用熱敏元件（如熱電阻、熱電偶、光纖等）直接與IGBT模塊的芯片接觸而獲取結(jié)溫的方法。文獻(xiàn)［44］打開IGBT模塊封裝，利用熱電偶作為溫敏元件測量硅芯片表面溫度，文獻(xiàn)［45］用硅凝膠灌封技術(shù)減少打開封裝對IGBT模塊的影響，用光纖溫度傳感器測量結(jié)溫，如圖10所式。

圖10 光纖測溫實(shí)物圖Fig.10 IGBT with optical fiber

物理接觸法測量原理簡單，能夠在實(shí)驗(yàn)室條件下直接獲取結(jié)溫，但是IGBT芯片表面布滿了用于通流的鍵和引線，不易放置熱敏元件，并且測溫時通常需要將IGBT的封裝打開，影響測溫精度。目前，市場上對于IGBT結(jié)溫測量方法的關(guān)注度逐漸升高，已經(jīng)出現(xiàn)了預(yù)埋溫度傳感器的模塊，如英飛凌的EconoPACX系列與EconoPIM系列等將溫度傳感器直接封裝在IGBT內(nèi)部，簡化了IGBT模塊溫度的測量。

2.3 紅外熱成像法

紅外熱成像法是利用紅外熱成像儀對IGBT模塊進(jìn)行高速攝像，根據(jù)圖像中點(diǎn)的顏色計(jì)算模塊各點(diǎn)溫度值，得出 IGBT二維溫度分布［46］，如圖11所示。

圖11 IGBT模塊溫度分布圖Fig.11 Temperature distribution diagram of IGBT

文獻(xiàn)［47］通過紅外測溫得到IGBT模塊穩(wěn)態(tài)溫度場分布，指出芯片高溫區(qū)域出現(xiàn)在芯片邊緣和芯片與鍵和引線連接位置，文獻(xiàn)［48］論述了紅外熱成像系統(tǒng)的測溫原理，指出由于IGBT芯片表面發(fā)射率不同，導(dǎo)致探測溫度分布與真實(shí)溫度分布不一致，通過修正發(fā)射率，提高了探測芯片溫度的準(zhǔn)確性。

紅外熱成像法是一種非接觸測量結(jié)溫的方法，實(shí)驗(yàn)室條件下能夠測量結(jié)溫的快速變化及IGBT芯片溫度場分布，但是測量需要打開模塊封裝并去除絕熱膠，探測溫度與實(shí)際溫度之間的誤差較大，并且紅外熱成像法每次測量前都要根據(jù)空氣中溫度、濕度、壓力的不同進(jìn)行校準(zhǔn)，因此只適用與實(shí)驗(yàn)室研究。

3 IGBT結(jié)溫實(shí)時探測方法探討

目前，長時間工況下IGBT模塊結(jié)溫的測量很難做到，因此常用仿真方法得到長時間尺度下的結(jié)溫值，用于壽命預(yù)測等研究。而結(jié)溫的實(shí)際探測法中的熱敏參數(shù)法因不需拆封模塊而被廣為接受。電熱參數(shù)映射關(guān)系的標(biāo)定，需要物理加熱模塊至熱平衡時才能進(jìn)行，故工況下的實(shí)時結(jié)溫探測尚有局限性。工況下，模塊疲勞引起電熱參數(shù)的變化映射模型退化，電熱參數(shù)映射關(guān)系需要實(shí)時定標(biāo)。但研究發(fā)現(xiàn)，IGBT模塊本身的疲勞老化，引起電熱參數(shù)映射關(guān)系模型的退化極其緩慢。對于風(fēng)電變流器這類周期性工作的電力電子設(shè)備，可以在停運(yùn)期利用環(huán)境溫差實(shí)現(xiàn)電熱參數(shù)映射關(guān)系標(biāo)定，用于下個運(yùn)行期的結(jié)溫探測。一方面，由于IGBT模塊老化會引起電熱關(guān)系退化，定標(biāo)又不能在運(yùn)行時進(jìn)行，而必須熱平衡下進(jìn)行；另一方面，電力電子電路受到雜散電感的影響，難以保證定標(biāo)試驗(yàn)線路和工況運(yùn)行線路雜散電感對應(yīng)一致，結(jié)溫探測準(zhǔn)確性難以保障。因此，基于熱敏參數(shù)結(jié)溫探測法，在結(jié)溫實(shí)時探測方面尚需進(jìn)一步研究。

近年來，出現(xiàn)了一種預(yù)埋溫度傳感器的IGBT模塊，可以實(shí)現(xiàn)模塊溫度探測，大大降低了對測量條件的要求，有望實(shí)現(xiàn)結(jié)溫的在線測量。但是，該類模塊預(yù)埋的溫度傳感器，沒有直接接觸IGBT芯片，測量得到的是IGBT模塊內(nèi)部的溫度，無法準(zhǔn)確測量結(jié)溫溫度。因此，期待有可測結(jié)溫的預(yù)埋溫度傳感器的新模塊產(chǎn)品出現(xiàn)。

4 結(jié)束語

文章闡述了獲取結(jié)溫的重要性，對各種結(jié)溫的獲取方法進(jìn)行了綜述，并總結(jié)出各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用場合。結(jié)溫獲取方法主要分為結(jié)溫模擬法和結(jié)溫探測法。

結(jié)溫的模擬法中的電熱耦合模型法與迭代計(jì)算法計(jì)算速度快可以仿真長時間尺度的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，且電熱耦合模型法還可以反映器件的退化狀態(tài)，但是在建模時都需提前計(jì)算一些參數(shù)，建模過程較為復(fù)雜，F(xiàn)EM計(jì)算法可以仿真IGBT芯片表面的溫度場分布，但是求解過程繁瑣，誤差較大，且不能反映器件的退化狀態(tài)。

結(jié)溫探測法中的熱敏參數(shù)法可以對全封裝的器件進(jìn)行測量，但是多數(shù)對硬件要求高，測量易受電路雜散參數(shù)影響，且只能測量器件的平均結(jié)溫，物理接觸法和紅外熱成像法測量原理簡單，可以多點(diǎn)測量并可以反映二維溫度分布，但是均需打開器件封裝，測量誤差較大。

最后，針對結(jié)溫在線測量的發(fā)展進(jìn)行了探討，指出熱敏參數(shù)法與預(yù)埋溫度傳感器法是目前結(jié)溫在線測量的發(fā)展趨勢，并且指出了需要解決的關(guān)鍵問題，以促進(jìn)該領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展。