引言
IGBT 失效的机理通常都与一个参量有很大的关系,就是"热"。在较大功率的情况下,由于 IGBT 的各种损耗产生大量的热,这将直接影响器件的温升和热应力,导致其工作寿命缩减,同时还会对周围的器件产生影响。所以,IGBT 工作的温升和热阻是影响其寿命,评估其可靠性的重要参数之一,也是我们设计时比较关注的重要参数。


之前也简单聊过热阻的一些概念:


何谓“热阻”?
目前,基于电学法测量 IGBT 热阻的方法有:


①IGBT 工作在线性区或者饱和区时,以集电极电压 Vce 作为热敏感参数的测量方法;


②调整栅极控制 IGBT 工作区域,并以集电极电压作为热敏感参数的测量方法,如 TH 系列热阻测试仪所采样的方法;


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温升和热阻的测量原理

小电流下半导体 PN 结电压随温度变化具有非常好的线性,利用这一点测量器件的工作温升和热阻,即通过半导体器件结电压随温度的线性变化作为温敏参数,测量其工作条件下温敏参数的变化,进而来测量温升和热阻。


利用温敏参数测量温升前,需要对其进行校准。即将被测器件(DUT)设置在两个或多个已知温度下,测量相应温度下温敏参数,可得温度系数α=(u2-u1)/(T2-T1)。

 

测量温升时将器件放置在一个恒温平台上,器件工作之后,电功率将产生热量使得器件内部温度升高,由于恒温平台的温度保持不变,只要测出结电压前后变化量Δu,再除以温度系数α变能够得到器件的工作温升,即ΔT=Δu/α,进而得到器件的热阻 RT=ΔT/P。
 

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热敏感参数的选取

当选取不同的参数时,我们测得的热阻值可能会有所不同,实验时应当合理地选取热敏参数。初步选取可选取的热敏参数有:


①栅 - 集电极短路时,集电极电流为恒定电流时的集射极电压 uce;


②栅 - 集电极短路时,集射极电压恒定时的发射极电流 ie。

 

下面我们针对这两种热敏参数进行对比:


➤如下图:

 

 

将 IGBT 的栅 - 集电极短路,在发射极串联一个电流表,并在短路点α加一个直流电压源。将 5 个器件固定好放入温箱中,在 20~125℃范围内设置 5 个温度点,电压源分别设置为 3V,4V,5V,观察并记录电流 ie,绘制其随温度变化的曲线:

 

 

可见,当电压恒定时,电流 ie 随温度变化呈非线性,且 ie 数字较小,易受到外界的干扰。


➤如下图:

 

 

将 IGBT 的栅 - 集电极短路,在短路点 a 加一个直流电流源,并在 a 点与发射极之间并联一个电压表。将 5 个器件固定好放入温箱中,在 20~125℃范围内设置 6 个温度点,电流源分别设置为 0.1mA,1mA,观察并记录 uce,绘制其随温度变化的曲线:

 

 

可见,当电流恒定时,uce 随温度变化的线性度较好,所以选取栅 - 集电极短路,集电极电流为小电流时的 uce 作为热敏感参数较为合理。


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IGBT 温升和热阻的测量
测试电流的选取

测试温度系数前,首先要选定合适的测试电流 im,而检验 im 是否合适的简易方法就是快速重复的进行测试。若正向电压降保持稳定没有发生漂移,则说明已经克服了漏电流的影响,而其值没有持续下降,则说明芯片的发热可以忽略不计。我们假设就选取 0.1mA 和 1mA。


校准曲线的测量
测量时,将被测器件放在温箱中,保持一定的温度,在栅 - 集电极短路端加 im,测量各温度下的 uce,每一温度点的平衡时间为 20min,以保证器件与温箱达到很好的热平衡。根据 uce 绘制的曲线便是我们所需的校准曲线,进而可以得到温度系数α。所得到的校准曲线我们可以通过软件进行拟合,得到线性函数,以减小实验中的各种误差。实验中,我们可以改变测试电流 im,得到不同电流下的 uce 校准曲线作为对比。


下图是某规格 IGBT 在测试电流 0.1mA 和 1mA 下,30~120℃范围内测得的校准曲线:

 

 

我们对测试电流为 0.1mA 时的校准曲线做拟合,得到线性函数曲线,以此作为结温计算的依据,如下图:

 

 

热阻测试电路如下:

 

 

这里我们定义开关闭合为 t1 时刻,断开为 t2 时刻。在栅 - 集电极短路端同时施加测试电流 im 和加热电流 ic,并闭合开关,测得 t1 时刻 uce1,由于 ic 远大于 im,所以我们可以认为器件的功率近似为 P=ic*uce1。


20min 后,器件壳温趋于温度,测量壳温 Tc,并断开 ic,同时示波器测量 uce,并记录其变化曲线,如下图:

 

 

读取曲线数值,根据半导体器件冷响应曲线,取时间轴 t 的平方根√t,如下图:

 

 

由得到的函数曲线外推至断开加热电流 Ic 时,t2 时刻的 uce2,根据之前的校准曲线的拟合曲线推出此时刻的结温 Tj,则ΔT=Tj-Tc,并于 R=ΔT/P 得到该型号 IGBT 的热阻。


最后,上述测量热阻的方式比较适合分立式 IGBT 热阻的测量。为分立式器件的结构相对比较简单,IGBT 模块的话,存在芯片并联,以及芯片之间的热耦合的影响,需要采取另外的测试方式。