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【摘要】下面分析常用结温测定方式：热敏参数测定、热成像、热电偶及IGBT模块以热敏参数为基准的结温工程测试方法，开展了热成像法测定分析，获取了IGBT工程温测能力：与常规热成像法获取的热阻值，无较大差异，能够控制结温偏差最大值在5摄氏度以内，顺应工程对器件热性能的测试需求。
【关键词】热敏参数;芯片;IGBT模块
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.25.218
IGBT器件的工况性能较为优异，在新能源电机控制程序中获得了广泛应用。然而，在器件开关程序中存在较大损耗问题，对运作环境产生一定不利作用，相应存在散热失效情况，形成较高结温现象。工况结温对于IGBT器件性能具有直接影响作用，如若结温高于一定程度，会引起IGBT器件功能失效问题。
1、常用结温测定方式
1.1热敏参数测定法
在半导体器件中，存在物理参数、温度相互对应的关系。因此，半导体材料在温度作用下，将会表现出一定特性，引起IGBT功率器件性能发生变化。热敏参数法以半导体性能特点，利用其温度作用的特性变化，探索在各类工况条件下，IGBT芯片可能发生的结温变化问题，获取相对应的电气参数。热敏参数法，获取各工况IGBT参数，继而反向分析IGBT芯片结温变化情况。
在IGBT结温测定活动中，使用热敏参数法，IGBT器件通常有两种状态：运行、测量。在测定器件IGBT状态进行切换时，比如运行转换至测量，应对大电流采取切断处理，在器件表面添加小电流，以此准确获取切断时刻的结电压参数，相应获取结温。然而，在切换状态器件，会产生切换延迟问题，由此造成测定结温结果失真性问题。如若在此期间，未加以任何处理，将会形成结温结果较大偏差现象[1]。
1.2热成像法
操作红外热成像设备，能够对IGBT器件温度情况，进行全面测定。在热成像检测前期，应采取特殊处理方法，操作待测IGBT器件。特殊处理的具体做法为：开启IGBT模块封装设施，去除期间表层涂用的透明硅脂;继而涂黑处理IGBT器件，以此提升輻射效果，保障温测结果真实性。
1.3热电偶法
热电偶测定方法，是采取与IGBT模块直接接触形式，以获取结温。热电偶在设计温测使用时，对于IGBT模块性能构成了一定威胁。温测结果，能够反映热电偶周边的温度情况，无法全面获取整个IGBT芯片温度。在热电偶与芯片形成接触时，引起结温偏差问题。
由此观之，在常用温测方式中，热敏参数法具有操作便利性，同时对器件结构无损伤作用，在实际使用时，具有较高的温测操作性。
2、IGBT模块结温工程测试方法
对IGBT热阻进行测试时，工程温测法使用的测定仪器是：热瞬态测试仪。此测定仪器，对于电气器件热性能，具有较高的测定能力。在国际测定标准JESD51-1中，指出了调整半导体器件功率输入大小，使器件形成温幅现象，使用热瞬态测试仪，准确获取器件瞬时温度变化情况，以此解析电子器件性能。
热瞬间热度测定方式，极具温测的高精准性、重复测定性等优势。在此种测定方式下，能够有效获取各类器件的热阻情况，获取器件全面热特性表现。
3、IGBT模块以热敏参数为基准的结温工程测试方法
以热敏参数为基础，针对IGBT模块开展温测活动，温测依据是IEC60747中含有的温测方法。在温测时，IGBT待测器件，确定规格为HPDrive系列。
如下为热敏基础的IGBT器件温测流程：
（1）确定热敏参数V、电流最小值I时的温测系数Xvi
在加热器表面，放置IGBT待测器件，对其开始加热处理，加热的目标温度为t1、t2，同时形成热平衡。在温度到达t1时，获取相应的I1、V1结果。在温度到达t2时，获取相应的I2、V2结果。温测系数Xvi=（V1-V2）/（t2-t1）。
（2）测定IGBT模块性能
在壳体表面完成IGBT器件的固定操作，测定IGBT器件表壳温度，测定结果为t3。在获取t3结果时，同时获取此时对应最小电流I的电压结果V3。开启开关S，让大电流I3处于流通状态。在热平衡状态时，器件壳表层温度tc=ti3，（ti3表示在大电流i3时的壳温度）。热平衡时电压为V4，存在V=V4。在此时，断开大电量I3，同时测定最小电流I位置的电压值V5。此时瞬时关系有：Tj=t3+（V3-V5）/Xvi;R3=（Tj-ti3）/（V4×I3）。Tj表示瞬时温度，R3表示在大电流I3状态时的电阻值。
在关闭大电流I3加热状态时，在关闭初期存在一定电子干扰问题，由此引起关闭时刻后短时间内信号测定失效问题。测定发现：在较短时间区间内，热阻不受外界条件的干扰[2]。因此，在初始关闭I3时的短时间内，即5ms内的热阻测定结果，可参考IGBT器件供货说明书。
4、热成像法测定分析
以热敏参数为背景，开展的IGBT温测活动，验证温测结果的真实性。采取热成像法，设定相同测定条件，进行温测结果真实性的验证。热成像法，完成了IGBT黑模块的定制。在测试期间，完成电流测试，再对热敏参数进行监测，继而输入大电流，加热处理IGBT芯片，使用热成像仪器，获取IGBT芯片温度。结合红外热成像仪获取的测定情况，能够确定IGBT芯片温度最大值，在热敏参数电压、电流共同作用下，确定损耗情况，判定IGBT热阻。如图1所示，为热成像测定分析图。
如图1可知：
（1）在两侧对比验证中发现：热成像与热敏参数的热阻测定结果并无较大差异，整体趋势与结果具有较大相似性。比如在左图中，当流速为4L/min时，热成像仪获取的热阻值为108，热敏参数法获取的热阻值为108.01;当流速为8L/min时，两个测定方法获取热阻值一致，均为105。
（2）在图1中，两种测试获取的热阻值，整体趋势一致。比如在右图中，热敏参数法获取的热电阻最小值为107，热成像法获取的热电阻最小值为110，两者相差3摄氏度，结温偏差最大值，控制在5摄氏度范围内，符合工程器件测温需求。
（3）对比温测结果可知：热敏参数法能够在IGBT器件结温测定中使用，具有热电阻测定结果准确、测定流程简单等优势，切实保障IGBT器件使用安全。
结论：
综上所述，以热敏参数为基础，针对IGBT模块结温问题，开展的工程测试，测试结果与热成像法进行对比时发现：两种测试获取的热阻值，具有较小差异，结温偏差控制在5摄氏度范围内，能够达成工程应用的基础需求。在后续工程规划时，可结合测试需求，完成IGBT性能测试，保障IGBT器件使用安全性，发挥IGBT模块结温工程测试方法的使用经济性、测定结果准确性、测定速度高效性等优势。
参考文献：
[1]张江勇.IGBT模块结温测量及电磁干扰研究[D].天津：天津理工大学，2019.
[2]文星.基于热敏感电参数的功率器件结温预测及故障诊断[D].天津：天津理工大学，2018.
【关键词】热敏参数;芯片;IGBT模块
【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.25.218
IGBT器件的工况性能较为优异，在新能源电机控制程序中获得了广泛应用。然而，在器件开关程序中存在较大损耗问题，对运作环境产生一定不利作用，相应存在散热失效情况，形成较高结温现象。工况结温对于IGBT器件性能具有直接影响作用，如若结温高于一定程度，会引起IGBT器件功能失效问题。
1、常用结温测定方式
1.1热敏参数测定法
在半导体器件中，存在物理参数、温度相互对应的关系。因此，半导体材料在温度作用下，将会表现出一定特性，引起IGBT功率器件性能发生变化。热敏参数法以半导体性能特点，利用其温度作用的特性变化，探索在各类工况条件下，IGBT芯片可能发生的结温变化问题，获取相对应的电气参数。热敏参数法，获取各工况IGBT参数，继而反向分析IGBT芯片结温变化情况。
在IGBT结温测定活动中，使用热敏参数法，IGBT器件通常有两种状态：运行、测量。在测定器件IGBT状态进行切换时，比如运行转换至测量，应对大电流采取切断处理，在器件表面添加小电流，以此准确获取切断时刻的结电压参数，相应获取结温。然而，在切换状态器件，会产生切换延迟问题，由此造成测定结温结果失真性问题。如若在此期间，未加以任何处理，将会形成结温结果较大偏差现象[1]。
1.2热成像法
操作红外热成像设备，能够对IGBT器件温度情况，进行全面测定。在热成像检测前期，应采取特殊处理方法，操作待测IGBT器件。特殊处理的具体做法为：开启IGBT模块封装设施，去除期间表层涂用的透明硅脂;继而涂黑处理IGBT器件，以此提升輻射效果，保障温测结果真实性。
1.3热电偶法
热电偶测定方法，是采取与IGBT模块直接接触形式，以获取结温。热电偶在设计温测使用时，对于IGBT模块性能构成了一定威胁。温测结果，能够反映热电偶周边的温度情况，无法全面获取整个IGBT芯片温度。在热电偶与芯片形成接触时，引起结温偏差问题。
由此观之，在常用温测方式中，热敏参数法具有操作便利性，同时对器件结构无损伤作用，在实际使用时，具有较高的温测操作性。
2、IGBT模块结温工程测试方法
对IGBT热阻进行测试时，工程温测法使用的测定仪器是：热瞬态测试仪。此测定仪器，对于电气器件热性能，具有较高的测定能力。在国际测定标准JESD51-1中，指出了调整半导体器件功率输入大小，使器件形成温幅现象，使用热瞬态测试仪，准确获取器件瞬时温度变化情况，以此解析电子器件性能。
热瞬间热度测定方式，极具温测的高精准性、重复测定性等优势。在此种测定方式下，能够有效获取各类器件的热阻情况，获取器件全面热特性表现。
3、IGBT模块以热敏参数为基准的结温工程测试方法
以热敏参数为基础，针对IGBT模块开展温测活动，温测依据是IEC60747中含有的温测方法。在温测时，IGBT待测器件，确定规格为HPDrive系列。
如下为热敏基础的IGBT器件温测流程：
（1）确定热敏参数V、电流最小值I时的温测系数Xvi
在加热器表面，放置IGBT待测器件，对其开始加热处理，加热的目标温度为t1、t2，同时形成热平衡。在温度到达t1时，获取相应的I1、V1结果。在温度到达t2时，获取相应的I2、V2结果。温测系数Xvi=（V1-V2）/（t2-t1）。
（2）测定IGBT模块性能
在壳体表面完成IGBT器件的固定操作，测定IGBT器件表壳温度，测定结果为t3。在获取t3结果时，同时获取此时对应最小电流I的电压结果V3。开启开关S，让大电流I3处于流通状态。在热平衡状态时，器件壳表层温度tc=ti3，（ti3表示在大电流i3时的壳温度）。热平衡时电压为V4，存在V=V4。在此时，断开大电量I3，同时测定最小电流I位置的电压值V5。此时瞬时关系有：Tj=t3+（V3-V5）/Xvi;R3=（Tj-ti3）/（V4×I3）。Tj表示瞬时温度，R3表示在大电流I3状态时的电阻值。
在关闭大电流I3加热状态时，在关闭初期存在一定电子干扰问题，由此引起关闭时刻后短时间内信号测定失效问题。测定发现：在较短时间区间内，热阻不受外界条件的干扰[2]。因此，在初始关闭I3时的短时间内，即5ms内的热阻测定结果，可参考IGBT器件供货说明书。
4、热成像法测定分析
以热敏参数为背景，开展的IGBT温测活动，验证温测结果的真实性。采取热成像法，设定相同测定条件，进行温测结果真实性的验证。热成像法，完成了IGBT黑模块的定制。在测试期间，完成电流测试，再对热敏参数进行监测，继而输入大电流，加热处理IGBT芯片，使用热成像仪器，获取IGBT芯片温度。结合红外热成像仪获取的测定情况，能够确定IGBT芯片温度最大值，在热敏参数电压、电流共同作用下，确定损耗情况，判定IGBT热阻。如图1所示，为热成像测定分析图。
如图1可知：
（1）在两侧对比验证中发现：热成像与热敏参数的热阻测定结果并无较大差异，整体趋势与结果具有较大相似性。比如在左图中，当流速为4L/min时，热成像仪获取的热阻值为108，热敏参数法获取的热阻值为108.01;当流速为8L/min时，两个测定方法获取热阻值一致，均为105。
（2）在图1中，两种测试获取的热阻值，整体趋势一致。比如在右图中，热敏参数法获取的热电阻最小值为107，热成像法获取的热电阻最小值为110，两者相差3摄氏度，结温偏差最大值，控制在5摄氏度范围内，符合工程器件测温需求。
（3）对比温测结果可知：热敏参数法能够在IGBT器件结温测定中使用，具有热电阻测定结果准确、测定流程简单等优势，切实保障IGBT器件使用安全。
结论：
综上所述，以热敏参数为基础，针对IGBT模块结温问题，开展的工程测试，测试结果与热成像法进行对比时发现：两种测试获取的热阻值，具有较小差异，结温偏差控制在5摄氏度范围内，能够达成工程应用的基础需求。在后续工程规划时，可结合测试需求，完成IGBT性能测试，保障IGBT器件使用安全性，发挥IGBT模块结温工程测试方法的使用经济性、测定结果准确性、测定速度高效性等优势。
参考文献：
[1]张江勇.IGBT模块结温测量及电磁干扰研究[D].天津：天津理工大学，2019.
[2]文星.基于热敏感电参数的功率器件结温预测及故障诊断[D].天津：天津理工大学，2018.