逆变焊机应用中IGBT芯片结温直接测试方法

0 引言

1.当前在功率器件诸如IGBT或者MOSFET等器件的实际应用领域中，结温Tvj是最受关注也是最重要的一个参考因素，但是目前大部分都是通过内置NTC电阻来间接获取近似的IGBT结温。应用领域包含工业变频、家用电子和新能源等行业。

2.学术界以及工程应用领域目前已经提出若干种可以较为准确的测试IGBT结温的方法，但是多数受限于测试条件严苛或者对测试设备要求较高，某些测试方法涉及到的测试成本也比较高，局限于此，本文提出一种在工程阶段可以在较低成本控制的情况下，可以较为准确的直接测试结温的方法，经过验证，方法可行，且易于推广，在工程设计阶段可以获取IGBT的工作结温。

3.本文采用的是物理接触测量，单点提取，利用热电偶的热电效应，选取IGBT应用的逆变焊机拓扑，采用温度检测的方法，结合仿真软件的热模型仿真对比，以及特殊结构的应用拓扑（可以直接通过热成像仪测量芯片结温）验证本文提出的方法的精确度。

4.根据仿真的结果和实际测试显示的数据，发现本文提出的测试手段，可以实现直接测试IGBT结温的目的，且得到的测试结果精确度在应用领域的接受度内。该方法可以在工程阶段为研发设计提供可靠的参考数据，为合理的设计器件的选型，裕量控制提供帮助。

在主流逆变焊机应用中，由于焊机过载工况较多，IGBT的结温Tvj波动较大，常规设计中利用温度传感器来测量散热器温度，以此来估算IGBT的结温Tvj，并根据最大结温来设定整机的温度保护点。实际中上述方法存在较大漏洞，首先温度传感器有一定的误差，而且测量结果与传感器在散热器上所处的位置关系较大，其次是估算IGBT结温时，通常采用的是经验值估算，精确度有限，所以上述温度保护的方法存在一定的缺陷。鉴于上述情况，本文提出一种在焊机应用中，可以精确测试IGBT结温Tvj的方法，使得在研发设计过程中，可以准确的获取IGBT工作的结温，为设计者提供设计所需的重要参数。

1 背景

目前行业内存在的几种测试IGBT工作结温Tj的方法及优缺点[4]如表1：

表1（不同测试方法及优缺点）

以上四种测试方法，均存在不同程度的优缺点，难以普及在系统级应用中精确的监控IGBT结温。本文章提出一种可以在系统级上直接测试IGBT结温的普适方法，可以在整机产品设计时，非常准确的测量不同工况下的IGBT结温，为器件选型参考以及系统级保护准位提供重要的参数。不仅保障IGBT工作在安全稳定的范围内，而且可以提升整个系统的设计裕量、降低成本等。具体方法为通过在去胶IGBT单管（或者模块）发射极表面用温升胶水贴热电偶的方式，再使用PC（功率循环平台）验证贴点准确性，最后安装在整机应用端，在不同工况下观察IGBT的结温变化情况。

2 IGBT发射极表面热电偶测试原理

2.1 IGBT正常工作在开关状态时，IGBT发射极处于低电位，因此可以采用K型热电偶贴点在去胶的单管IGBT芯片表面，且采用带测温功能的万用表进行温度测量，可以准确的监控IGBT的结温Tvj。由于IGBT作为功率器件，工作的开关频率远低于信号电路的开关管频率，因此温升点接触区域不会产生噪声干扰。

热电偶测温原理：当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0 ，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电动势”，热电偶测温的基本原理是两种不同成份的材质导体组成闭合回路，当两端存在温度梯度时，回路中就会有电流通过，此时两端之间就存在电动势——热电动势，这就是所谓的塞贝克效应(Seebeck effect）。两种不同成份的均质导体为热电极，温度较高的一端为工作端，温度较低的一端为自由端，自由端通常处于某个恒定的温度下。根据热电动势与温度的函数关系，制成热电偶分度表；分度表是自由端温度在0℃时的条件下得到的，不同的热电偶具有不同的分度表。

单管IGBT去胶：在对IGBT单管做特殊应用时，大部分是需要去除灌封硅凝胶的，去除的方法主要是化学方法。1. 材料与器具，化学试剂：Ardrox 系列溶剂，试验器具：耐腐蚀容器，老虎钳，镊子，化学防护器材，设施：通风橱，温控加热炉2. 操作步骤：在化学容器中倒入适量的Adrox 2312，将模块浸入液体中，中间进行检查，以确认溶解程度。一般常温的溶解时间在5 ~15小时，当然取决于模块大小以及凝胶的厚度等。当所有的硅凝胶已经溶解，将模块取出，立即用纯水冲洗，之后用气枪吹干。如果需要加快溶解速度，可以进行加热处理，将容器放置在加热炉上面，温度控制在100度以内。溶解完成后需要将废液倒入废液收集容器并做好标识。如果为了缩短溶解时间，可以预先用物理方式去除部分表面的硅胶，但需要有较好的控制，以免对键合引线或者芯片造成损伤，如果是较小的模块不建议物理去除。溶解硅胶的溶剂不仅限于Adrox 2312，Adrox也有多种型号的溶剂可供选择，可以根据产品的特点和硅胶的类型进行试验评估。

          图1（待测IGBT）                 图2(IGBT表面温度分布)

          Fig.1(Test IGBT)                 Fig.2（IGBT surface 

                                                  temperature distribution）

2.2 为了保证测量结果的精确度，需要在贴点完成后，使用PC（功率循环）平台进行验证。在待测IGBT中通入额定电流，达到稳态后，使用热成像仪进行测温（待测芯片表面需涂黑），观察其与热电偶测温数值是否一致，一般认为误差4℃以内为准确的。该检测方法也可以避免因为热电偶贴点本身带来的温度干扰。

2.3 待测IGBT安装完成后，可以辅助性的增加其他部位的热电偶贴点，如IGBT壳温，散热器采温点，观察不同工况下的IGBT结温Tj、壳温Ta和散热器Th之间的关系。

3 测试过程：（以40A1200V TO247 单管为例，应用平台为逆变焊机ZX7-400）

3.1热电偶贴点：

图3（贴点IGBT）               图4（测温万用表）

Fig.3（Sticker IGBT）        Fig4.（Temperature multimeter）

3.2 PC平台验证精确度：

  方法：通过PC平台（如图5所示）对待测IGBT通入不同电流，使用热电偶平台（如图6所示）和热成像仪同时测温，观察二者误差范围，通常认为🔺T在4℃以内为准确。

图5（PC平台）                                     图6（热电偶平台）                                  

Fig5.(PC platform)                               Fig.6（Thermocouple

                                                                   platform）   

结果：对比结果热成像仪结果（表2）和热电偶结果（表3），符合要求[6]。

表2（热成像仪结果）

Vge=+15V，热成像仪结果：

表3（热电偶结果）

Vge=+15V，热电偶测试结果：

    

4 系统级验证测试

4.1 PLECS热仿真：

4.1.1等效拓扑图（如图10所示），参数设置：Vdc=550V，f=20KHz，Tc=75℃，D=0.33，Ic=36.6A。

图10（焊机等效模型）

Fig10(Welder equivalent model)

4.1.2热模型搭建：IGBT的关断损耗Eoff（如图11所示）,导通Econ（如图12所示）和热阻参数（如图13所示）

图11（Eoff模型）                       图12 （Econ模型）                     

Fig.11（Eoff model）                Fig12.（Econ model）

图13（Rth模型）            

Fig13.（Rth model）

4.1.3仿真结果：Tvjmax=94.9℃。（如图14所示）

图14（仿真结果）

Fig.14（Simulation results）

4.2 实验验证：

4.2.1实验平台：ZX7-400 逆变焊机（如图15所示）， 待测IGBT（如图16所示）

图15 （测试平台）                  图16（待测IGBT）

Fig15.（Test platform）         Fig.16（Test IGBT）

同时对散热器和全桥对称位置的IGBT进行贴点测温，观察其与结温Tvj的差异。

4.2.2实验结果：

热稳态条件下，热电偶测试的IGBT结温热成像仪测试结温接近，因此可以认定为IGBT实际工作时的结温。（如表4所示）

表4（对比测试结果）

Tab4（Compare test results）

全桥逆变焊机，ZX7-400A，满载输出400A

图17 （万用表温度）                图18（热成像仪温度）

Fig17（Multimeter                 Fig18.（IR temperature）

         temperature）

5 总结

参考文献：

[1] 李玲玲;齐福东;孙进;;一种新型IGBT结温计算模型[J];微电子学学;2019年03期

[2] 吴奎;曹艺;杨士保;;基于热敏参数的IGBT模块结温工程测试方法[J];电子世界;2020年16期

[3] 吴军科;周雒维;孙鹏菊;杜雄;;功率变流器中IGBT模块的结温管理策略研究[A];第七届中国高校电力电子与电力传动学术年会论文集[C];2013年

[4] 张军;IGBT模块热参数准在线监测方法研究[D];重庆大学;2019年

[5] 杨旭;基于饱和压降测量的IGBT功率模块状态评估方法研究[D];重庆大学;2012年

[6] 毛培烨;IGBT模块结温测量与预测研究[D];天津理工大学;2021年

[7] 齐福东;IGBT模块结温预测模型的建模研究[D];河北工业大学;2019年

[8] 樊鹏;IGBT电力电子系统的电热建模及结温控制方法研究[D];湖南大学;2020年

[9] 许亚惠;李玲玲硕士论文：河北工业大学，IGBT模块结温计算及其状态评估方法研究;2018年

原文始发于微信公众号（银茂微电子）：逆变焊机应用中IGBT芯片结温直接测试方法