摘要
IGBT模块的芯片温度是电力电子系统非常重要的参数。由于无法直接测量系统运行时的芯片温度，所以得要借助其它的温度传感器，比如IGBT模块内置的NTC电阻，根据NTC电阻的实时数值，通过查询预先测量的芯片温度-NTC电阻温度关系曲线，间接预估芯片温度。所以提前确定芯片温度和温度传感器的关系曲线是非常重要的工作。本文基于特定的实验装置，介绍了一种简易可靠的测量方法，以获取芯片温度和NTC电阻的对应关系。
介绍
在设计电力电子系统的初始阶段，通常会做电气仿真和热仿真。对于热仿真来说，尽可能准确的确定IGBT芯片温度对于预测模块寿命至关重要。虽然JEDEC标准[1]定义了in-site结温测量方法，但是此方法的设备使用困难并且很难在实际运行的系统中进行测量。另外一种估计芯片温度的简易方法如图1左侧的实验平台所示。
(a) (b)
图1：(a)-测温试验台，由IGBT模块，电源，数据采集系统，冷却设备和测温设备组成
(b)-被测IGBT模块的红外图像，只加热二极管芯片
被测器件是英飞凌公司的一款PrimePACK模块FF1000R17IE4(1000A/1700V)，固定在风冷散热器上并且冷却风速可调。通过测量保证散热器风量和实际系统的工况相同。芯片的温度用红外热成像仪测量(IR-Camera)，芯片下方的基板壳温用贴在基板上的热电偶测量。NTC电阻值通过数据采集器记录并且根据IGBT模块数据手册中的电阻-温度曲线将电阻值转换成对应的温度值，同时用红外热成像仪直接测量NTC电阻的温度。被测器件通过低压直流源供电，当大电流通过芯片时，在芯片上产生压降和损耗，从而为芯片加热。图1中的右图是被测器件的热成像图，通过调节直流源的输出电流，可以改变芯片的加热功率，进而得到不同发热功率下的芯片温度。待芯片温度稳定后，记录数据采集器和热成像仪的测量结果，如表1所示：
表1 基于强迫风冷试验台的热测量结果
借助数据处理工具，比如Excel，对测量的NTC电阻[Ω]和二极管温度[℃]进行校正，便可得到两者的对应关系tdiode=f(RNTC)，见图2，其中还包括相应的多项式插值公式。
图2 芯片温度和NTC电阻值的实测关系曲线(基于特定的测试台)
图2 中的非线性曲线需要用3次多项式插值才能准确描述。NTC电阻的特性参数通常由半导体的规格书给出，所以可以很容易的把NTC电阻值转换成对应的温度值。用NTC电阻的温度替换图2中的NTC电阻值，便可得到NTC电阻温度和芯片温度的线性对应关系tdiode=f(TNTC)，如图3所示。
图3 芯片温度和NTC电阻温度的实测关系曲线(基于特定的测试台)
系统的冷却方式对散热的影响也比较大。在风冷系统中，模块产生的热量在基板和散热器上横向传播，能充分的加热NTC电阻。如果采用高效的水冷系统，热量在基板水平方向的扩散程度较低，从而减弱了与NTC电阻的热耦合。所以，在水冷系统中，芯片和NTC电阻之间的温差会增加。与风冷系统相同的热测试(相同的模块，相同的热负载)也在水冷系统上进行了重复试验，如图4所示。
图4 ：(a)水冷试验台;(b)被测IGBT模块的红外图像，只加热二极管芯片
表2是水冷系统的热测试结果，包括低流速(5.6L/min)和高流速(12.8L/min)两种水冷工况。在每种工况下，通过调节芯片的电流，使芯片的稳态温度尽量一致。
表2 基于水冷试验台的热测量结果
为了便于对比，图5列出了上述风冷和水冷系统的NTC电阻温度和芯片温度之间的关系曲线。
图5 ：不同冷却条件下的芯片—NTC电阻温度曲线
热测试结果表明，芯片和NTC电阻之间的温度差随冷却系统性能的提升而增加，所以对于不同的系统应用工况，无法给出通用的芯片-NTC电阻温度曲线。
2 模型的局限
本文的热测试方法简要介绍了获取模块内部芯片温度与NTC电阻(电阻值、温度值)之间的关系曲线。如果想获得更加精确的关系曲线，则需要仔细考虑测试过程中每一步的细节，尤其是当确定过载保护的触发值时，必须更加准确的测量温度。
2.1 本方法的有效性
本文的所有测试数据均是在被测系统热稳定后测量的，忽略了系统热时间常数(热容)的影响，所以测量结果仅在稳态工况下有效。强迫风冷系统的热时间常数大约为几分钟，水冷系统的热时间常数大约为30到60秒，NTC电阻需要较长的时间才能响应系统负载工况变化，所以用它来监控系统的瞬态工况是不可能的。导致系统过载的工况较多，比如水冷散热器被腐蚀引起的冷却系统性能降低、冷却风扇故障或者冷却水泵损坏等。以上故障通常是逐渐加剧的，NTC电阻有足够的响应时间，所以可以用来做系统的过载保护。建议在系统实际工况下测试芯片和NTC电阻的关系曲线，通过设置合适的触发值，就可以用NTC电阻来过载保护。
2.2 最热点vs Tvj,max
在测量系统热模型时，需要用芯片的最大温度点作为参考。当用热成像设备比如红外热成像仪测量芯片温度时，测得的最热点与芯片表面的最高温度Tvj,max不同。标准中的in-situ测温方法考虑了模块内部的所有芯片，得到的是芯片最大平均温度，这个值可以用来预测模块的PC寿命[4]。本试验中的红外热成像仪能探测芯片表面的最热点，但是根据这个最热点得到的热模型相当保守。尤其是对于大功率模块，用in-situ方法测得的温度是所有芯片温度的平均值。为了使红外测温的热模型接近in-situ方法测温的热模型，需要考虑模块的所有发热芯片并仔细分析热测试数据，对所测数据取平均值。如图6所示，热成像数据得到的最高温度在绑定线上，为104℃。芯片表面的最高温度比绑定线稍微低一点，大约为100℃，而芯片表面的平均温度。
图6 单个芯片的红外热成像图及详细的温度分布
2.3 直流源vs交流源
在实际系统中，模块中的IGBT芯片和二极管芯片同时发热，芯片之间有热耦合。为了便于操作，本实验采用直流源加热被测模块的二极管芯片，忽略了芯片之间的热耦合。为了使芯片发热和彼此之间的耦合更接近实际工况，可以采用交流源代替直流源。参考文献[5]详细介绍了交流源加热芯片的方法。
3 结论
对于内置NTC电阻的功率模块来说，芯片和NTC电阻之间没有通用的关联模型(热阻或者温度关系)。在特定的系统中进行热测试，是精确获得两者相互关系的必然手段。本实验基于特定的实验平台，通过对稳态热测试数据进行拟合，得到了NTC电阻和芯片温度之间的关系曲线。红外热成像方法的测温数据非常全面，包括芯片的热梯度和最热点等信息，同时还可以借助这种测温方法总体考虑整个系统的热设计。
参考文献：
[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
