无需额外传感器的芯片温度测量

Dr. Uwe Scheuermann, Manager Product Reliability, SEMIKRON

热循环所带来的应力导致电力电子系统使用寿命有限。为了估算使用寿命，需要知道给定工作条件下芯片内部发热量的准确信息。本文讨论如何在无需特别改装模块情况下确定温度分布。

设计电力电子系统时，开发工程师们不仅需要考虑功能方面，而且还要考虑预期使用寿命因素。然而，为了估计系统的使用寿命，需要知道系统在预期运行时间之外运行时所必须承受的热循环的准确数据。

一维热网络可以以足够的精度来模拟电力电子系统的热行为。通过向该网络提供特征功率损耗信息，可以计算出温度分布或“任务历程”。从任务历程中提取热循环次数使得可以在一个适当的寿命模型基础上估算预期使用寿命。

每个工作点所产生的功率损耗可以相对容易地从数据表值中获得的同时，确定正确的热等效电路更加困难。虽然很多功率模块的生产商以Foster等效电路的形式给出其模块的热电路参数，该等效网络显然不能考虑用户特定的冷却条件。Foster网络是一种并联电阻/电容对的串联电路，是作为渐增式恒功率脉冲传递函数系统理论的成果。由于这种一维网络可以被解析计算，因此一个任意功率脉冲序列的温度曲线可以很容易地得到。然而，必须强调的是，这种传递函数不能串联。

因此，为了确保合适的热设计，作为整体的系统（包括模块、热接口、散热器和风扇）的传递行为不得不通过一个精确的热等效模型来仿真。为此，芯片温度必须通过完整系统的时间分辨测量方式来确定。

使用外部温度传感器是有问题的，原因在于模块中的电力电子芯片表面通常无法触及。因此，使用与温度相关的芯片参数，把芯片本身当作传感器是有利的。 对于IGBT来说，与温度相关的小感应电流正向压降是一个特别合适的方法，因为如今普遍使用的组件具有几乎线性的负温度系数。对于100mA的恒定感应电流，典型的温度相关性为~-2mV/K。在进行测量前，每个组件必须进行校准，因为由于技术原因，每批产品的温度系数存在差异。

一旦绘制出了校准曲线，负载电流关断后的芯片温度可通过为组件提供感应电流并测量电压降来确定。这个简单的过程通常称为Vce(T)方法。然而，需要注意的是在进行温度测量之前，组件首先必须达到电平衡状态。这被称为复合时间，较先进IGBT的复合时间约为50μs。因此，关断后的温度测量可能少于0.1ms。采用外部传感器几乎是不可能实现这样的时间分辨率。如果在负载脉冲关闭之前，IGBT处于热平衡状态，则可以在100μs至几秒钟之间测量出冷却曲线，由此也可以派生出一个正确的Foster网络。

校准是通过在熔炉或加热板中均匀加热设备来进行的。然而，在实际运行中，功率芯片并不是被均匀加热，显示出具有横向温度梯度（图1）。为了有效的冷却和大芯片尺寸，这种非均匀加热可能会引起40°C及以上的温差。现在的问题是使用V_CE(T)方法确定的温度实际具有什么样的几何意义。

图1：电流150A 的Trench IGBT（SIGC158T120R3）SEMiX^®模块（SEMiX703GB126D）置于9°C的水冷散热器上的红外相机图像。

有一项研究更加密切地探讨这了个问题[1]。对于图1所描述的情况，图中IGBT加载了273W的恒定功耗，采用V_CE(T)方法进行测量，得到108.5°C的虚拟结温。为了说明几何术语下温度读数的意义，生成了一个包含散热器的模块的三维模型。通过调整导热涂层的有效厚度及散热器和冷却水之间的热传递系数，可获得对真实系统热行为的良好近似值。图 2对比了通过芯片中心沿斜截面测量和模拟出的芯片温度。对功耗没有影响的栅极区和可以在测量观察到的由键合线所导致的芯片温度阴影，在模拟中并没有予以考虑。

图 2：从模拟中所获得的相应温度分布，沿芯片对角线所拍摄红外照片的对比。此处也给出了对所有结果的一个概述。

然而，模拟中考虑到的是测量电流的分布。由于测量电流的负温度系数，温度越高的芯片区域电流密度越大。与电流相关的平均温度读数为108.9°C。从仿真中得到的与区域相关的温度分布平均值为108.1°C。106.6°C时，由红外相机所得到的与区域相关的读数由于键合线所导致的阴影而显得略低。

这些结果表明的V_CE(T) 方法提供了一个与芯片内电流相关温度分布平均值相对应的虚拟结温。如图3所示，还得到了瞬态热阻抗的正确描述。这些值与通过区域相关平均获得的温度值同时获得的事实表明V_CE(T) 方法是一种为比较测量和仿真结果的理想步骤。

图3：由电流相关平均法模拟计算出的阻抗特性与采用V_CE(T)方法测量出的阻抗曲线几乎相同。

资料来源：

[1]   U.Scheuermann, R.Schmidt: Investigations on the V_CE(T)-Method to Determine the Junction Temperature by Using the Chip Itself as Sensor, Proc. PCIM09, CD-ROM, Nuremberg, 2009.

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