电机（八）——IGBT结温估算

huangguang

一、IGBT概述


GTR和GTO是双极型电流驱动器件，由于具有电导调制效应，其通流能力很强，但开关速度较慢，所需驱动功率大，驱动电路复杂。

电力MOSFET是单极型电压驱动器件，开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小而且驱动电路简单。将这两类器件相互取长补短适当结合而成的符合器件，通常称为Bi-MOS器件。

绝缘栅双极晶体管（Insulatedgate Bipolar Transistor， IGBT或IGT）综合了GTR和MOSFET的优点，因而具有良好的特性。因此自从1986年开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，目前已经取代了原来GTR和GTO的市场，成为中、大功率电力电子设备的主导器件，并在继续努力提高电压和电流容量。

【来源：电力电子技术】

1.1IGBT的结构和工作原理

IGBT也是三端器件，具有栅极G、集电极C和发射极E。下图1（a）给出了一种由N沟道VDMOSFET与双极型晶体管组合而成的IGBT的基本结构。IGBT比VDMOSFET多一层P+注入区，因而形成一个大面积的P+N结J1.这样使得IGBT导通时由P+注入区向N-漂移区发射少子，从而实现对漂移区电导率进行调制，使得IGBT具有很强的通流能力，解决了在电力MOSFET中无法解决的N-漂移区追求高耐压与追求低通态电阻之间的矛盾。其简化电路如图1（b）所示，由图可以看出，这是用双极性晶体管与MOSFET组成的达林顿结构，相当于一个由MOSFET驱动的厚基区PNP晶体管。图中RN为晶体管基区内的调制电阻。因此，IGBT的驱动原理与电力MOSFET基本相同，是一种场控器件。其开通和关断是有栅极和发射集间的电压uCE决定的，当uCE为正且大于开启电压UCE(th)时，MOSFET内形成沟道，并为晶体管提供基极电流进而使IGBT导通。由于前面提到的电导调制效应，使得电阻RN减小，这样高耐压的IGBT也具有很小的通态压降。当栅极与发射极间施加反向电压或不加信号时，MOSFET内的沟道消失，晶体管的基极电流被切断，使得IGBT关断。



图1.IGBT结构、简化等效电路和电气图形符号

1.2IGBT的基本特性

1）静态特性

转移特性

集电极电流IC与栅极电压UCE之间的关系



图2.IGBT转移特性

输出特性（伏安特性）

IGBT输出特性曲线划分为3个区域：正向阻断区、有源区、饱和区。



图3.IGBT输出特性

2）动态特性

这一部分网上资料很多，做了个整理及概述。

开通过程

图4.IGBT开通过程（图源：是与非懂也不通）

阶段1：栅极电流Ig提供正向电流对Cge充电将Vge抬升至阈值电压，Ig的大小与驱动功率以及Rg（栅极电容、外接栅极电阻、模块内部、芯片上电阻）都强相关。Ig根据模块大小不同尖峰电流可以达到几安培到十几安培；

阶段2：对Cge & Cgc同时充电，Vge继续上升至米勒平台，IGBT开启并达到负载电流Ic。在这个过程中如果是理想电路电压不会下降，但测试模块系统不可避免的存在杂散电感，所以电压会出现平台图中三角形位置。

阶段3：FRD反向恢复电流会与负载电流叠加形成电流尖峰Irm+Ic。如果di/dt由快变慢过程中甚至会出现Vcc的弹起。

阶段4：持续给Cge充电直至Vge达到15V，Vce持续下降。

阶段5：Vge达到15V平台电压，Vce下降至Vcesat水平

【来源：是与非懂也不通】

关断过程

图5.IGBT关断过程（图源：是与非懂也不通）

阶段1：栅极电流Ig提供负向电流对Cge，Cgc进行电流抽取，Vge降低至米勒平台，因为mos管在该阶段仍然处于导通状态，所以对应的电流电压仍未有明显变化。此阶段对应tdoff也就是关断延时，受电容与Rg（芯片、衬板、模块所有等效电阻）影响。

阶段2：到达米勒平台，此时Vc电压开始上升，由于Cgc影响（位移电流Igc=Cgc*dv/dt 对Vge充电，Vg=Ig*（Rgint+Rgdrive））会出现Vge不下降甚至Vge尖峰导致误开通。

阶段3：Vge继续下降到达到阈值电压，阈值电压一般是在mA级测量，而IGBT导通都是几十至几百安培，所以在这个过程中尽管沟道未完全关断，Ic还是会因为基极电流下降而快速下降。如果是理想电路无杂散电感，器件也就这么平静的升到母线电压，但是因为Ls杂感的存在，注定要有一个尖峰（红色三角形）。△Vce=Ls*di/dt。

阶段4：Vge下降至阈值电压以下或负压，此时MOS完全关断。空间电荷区建立，但是IGBT不同于MOS是两种载流子导电，背面空穴迁移率低只能通过复合消失所以电流存在一个拖尾，现在低压IGBT的快速器件基本可以将拖尾控制的很好，高压这个拖尾仍然不可避免的存在。这就是为什么IGBT关断损耗比MOS大的原因。

阶段5：Vge到达设置负压，IGBT完全关断，阻断耐压等于母线电压，空间电荷区扩展至buffer层，Ic趋近于0。

【来源：是与非懂也不通】



图6.IGBT开关过程

如图6所示，IGBT开关参数的定义如下：

开通延迟时间（td on）：IGBT开通时，从栅极电压为Vge的10%开始,到集电极电流上升至Ic的10%为止，这一段时间被定义为开通延迟时间。

开通上升时间（tr）：IGBT开通时，从集电极电流上升至Ic的10%开始,到集电极电流上升至Ic的90%为止，这一段时间被定义为开通上升时间。

关断延迟时间（td off）：IGBT关断时，从栅极电压为Vge的90%开始,到集电极电流下降到Ic的90%为止，这一段时间被定义为关断延迟时间。

关断下降时间（tf）：IGBT关断时，集电极电流从Ic的90%下降到Ic的10%为止，这一段时间被定义为关断下降时间。

开通损耗（Eon）：IGBT在一个单脉冲开启过程中内部耗散的能量。即对时间的积分，积分时间自集电极电流上升至Ic的10%的时刻起,至集电极-发射极电压下降至Vce的2%为止（不同厂商对该百分比有不同定义，这里参照英飞凌标准）。

关断损耗（Eoff）：IGBT在一个单脉冲中，关断过程中内部耗散的能量。即对时间的积分，积分时间自集电极-发射极电压上升至Vce的10%的时刻起,至集电极电流下降至Ic的2%为止（不同厂商对该百分比有不同定义，这里参照英飞凌标准）。

【来源：橘子说IGBT】

二、IGBT结温估算


功率器件是电力电子装置的核心，其可靠性和安全性决定着整个电力电子系统是否高效运行。相对于其他功率器件，绝缘栅双极型晶体管 (Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT) 具有高输入阻抗和高导通电流的特点，并且耐压值也较高，在电力电子系统中发挥着举足轻重的作用。随着电力电子技术的发展，IGBT 模块在提高功率等级、开关频率的同时，其可靠性受结温的影响越来越大，自身产生的电磁干扰对其他电子系统也造成影响。IGBT 在工作时产生的功率损耗造成器件结温的升高与波动，造成内部芯片的温度分布不均匀。就最高结温而言，硅功率器件的额定温度高达 175°C，宽禁带功率器件的预期工作温度 Tj 可高达 300°C。据统计，约有 60%的功率器件失效是由结温过高引起的，且温度每上升 10 度，器件失效概率提高 1 倍。随着负载和运行工况的变动，IGBT 芯片温度波动较大。芯片散发的热量由上到下传导至冷却系统。IGBT 功率模块内部每层材料之间的热膨胀系数不匹配会导致热应力及机械应力的产生，加速模块的老化进程，造成焊料层疲劳、键合线裂纹甚至脱落, 最终导致 IGBT 模块失效。因此，结温是 IGBT 等功率器件状态监测的关键参数。

2.1IGBT结温监测方法概述

总体来说，IGBT 结温监测方法有很多，各有各的有优点，这些方法主要包括热传感器法、红外热成像仪法、RC 热阻网络法以及热敏感电参数法等等。

1）热传感器法


热传感器法是将热敏元件（热敏电阻等）放置在 IGBT 模块内部，通过热敏元件参数的变化推算出 IGBT 芯片的温度。采用这种方法的模块与普通功率器件模块相比，在结构上有一定的变化，需要器件在封装设计时加入热敏元件。另外，该方法所得到的温度为模块内部的单点温度，热敏元件安装位置不同，所得到的温度值也会不一样。在实际工作过程中，IGBT 芯片表面温差梯度较大，最大可达到40 摄氏度。因此，这种方案很容易引起较大的测量误差。除此之外，由于热敏元件的响应速度在毫秒级左右，此方法响应时间太长，很难实时监测模块内部的结温。目前，市面上已有不少 IGBT 功率模块集成了热敏元件，以英飞凌公司为例，如图7所示。根据模块的不同，热敏电阻或者与硅基片安装在同一块基板上，或者单独地安装在靠近硅芯片的地方。



图7.集成了热敏电阻的IGBT模块

2）红外热成像仪法


红外热成像仪通过反射光子的能量确定 IGBT 芯片的温度。图 1.5 利用热成像仪对 IGBT 芯片表面进行拍摄得到热成像图，该方法最大的优点就是能够准确地获取芯片整体的温度分布情况。但是这种方法需要打开模块封装，以及移除模块内的塑封硅胶脂，不适用于成品的 IGBT 模块。对于实际运行的 IGBT 模块而言，该方法具有一定的破坏性，由于硅胶以及金属表面热能量散失等原因，导致热成像仪不能精准测量，不具备可操作性。同时，性能较好的热成像仪造价较高，不适合IGBT模块结温的实时监测。



图8.IGBT芯片红外热成像图

3）RC热阻网络法


在精准地确定了 IGBT 模块的实时损耗模型以及瞬态热阻抗网络模型的前提下，RC 热阻网络法通过仿真等方式获取 IGBT 的实时结温。图1.1.3.1为含散热条件的变换器热阻网络模型图，通过对其热特性分析，即可通过实验或者建模方式将含散热系统的变换器热阻网络模型提出来，然后根据变换器的工况进行分析计算出变换器在运行工况下的功耗。最终，结合参考点的温度，以及热阻网络模型可实时地反推出 IGBT 模块内部的温度分布情况。然而，随着器件的老化，损耗模型与热阻抗模型的参数都将发生一定的改变，并且器件的瞬时热阻抗不易准确获得。因此，该方法在实时监测结温的应用中具有一定的局限性。



图9.等效热网络模型

4）热敏感电参数法


半导体器件内部物理参数与温度有着一一对应关系，并且受温度影响的特性将会使得IGBT 器件的工作电气特征呈现单调变化的趋势。这种受温度影响而变化的电气特性参数称为热敏感电参数（Temperature Sensitive Electrical Parameter，TSEP）。热敏感电参数法利用 IGBT 自身作为温度传感器件，将 IGBT 芯片温度信息间接地反映在部分电气参数上。作为最有可能在工业现场实现对 IGBT 结温实施在线监测的技术，热敏感电参数法具有硬件成本低，响应速度快等特点。利用该方法实时监测结温的步骤如下：

① 通过离线的方式获得不同工况下热敏感电参数与芯片温度的对应关系。

② 在 IGBT 模块的实际运行工况下，实时测量热敏感参数，然后利用已得到的对应关系，实时反推得到结温。