姚芳，王少杰，李志剛，陳盛華

（河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130）

溫度循環(huán)下IGBT瞬態(tài)熱阻抗退化模型的研究

姚芳，王少杰，李志剛，陳盛華

（河北工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，天津 300130）

瞬態(tài)熱阻抗是表征IGBΤ模塊熱特性的重要參數(shù)，瞬態(tài)熱阻抗的退化可以反映模塊材料的退化，因此研究IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗的退化模型對IGBΤ狀態(tài)評估、壽命預(yù)測等研究有重大意義。利用溫度循環(huán)老化實驗裝置對IGBΤ進行溫度循環(huán)沖擊老化，再利用瞬態(tài)熱阻抗測試平臺測試老化進程中IGBΤ的瞬態(tài)熱阻抗曲線，得到模塊的退化情況。最后分析實驗結(jié)果建立IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗退化數(shù)學(xué)模型，得到瞬態(tài)熱阻抗的退化規(guī)律。

退化模型；瞬態(tài)熱阻抗；溫度循環(huán)；絕緣柵雙極型晶體管

隨著功率半導(dǎo)體器件向高頻化、集成化、大功率化發(fā)展，由于自身產(chǎn)熱情況產(chǎn)生的熱損傷會嚴重影響到功率半導(dǎo)體器件的使用壽命。由于功率半導(dǎo)體器件經(jīng)常應(yīng)用于電力系統(tǒng)比較關(guān)鍵的部位，一旦失效會危及到整個電力系統(tǒng)的安全性［1-2］。在實際應(yīng)用中，有一半以上的功率器件失效是由熱相關(guān)問題引起的［3-4］，穩(wěn)態(tài)熱阻以及瞬態(tài)熱阻抗為表征IGBΤ熱特性的重要參數(shù)。IGBΤ模塊在整個壽命周期內(nèi)是不斷退化的，處于不同階段健康狀態(tài)下的模塊的熱特性不同［5］，IGBΤ模塊退化的時間歷程中，退化程度會不斷加重，其退化程度是關(guān)于時間累積的函數(shù)，因此，研究瞬態(tài)熱阻抗的退化規(guī)律，對預(yù)測模塊壽命以及對模塊的健康狀態(tài)進行評估均有十分重要的科學(xué)意義［6-7］。

1 基本原理

1.1 瞬態(tài)熱阻抗定義

IGBΤ模塊在工作過程中將會交替出現(xiàn)熱穩(wěn)態(tài)與熱瞬態(tài)2種狀態(tài)，IGBΤ處于熱穩(wěn)態(tài)時，各點溫度保持不變，輸入電功率P(t)等于熱耗散功率Ploss(t)，模塊整體表現(xiàn)出的阻熱性質(zhì)可以用穩(wěn)態(tài)熱阻來描述，其定義為

其中，結(jié)溫Tj、殼溫Tc及平均電功率P均為常數(shù)，功率P等于平均熱耗散功率Ploss。

IGBΤ處于熱瞬態(tài)的過程中，熱阻會隨時間變化，模塊整體表現(xiàn)出阻熱和儲熱的性質(zhì)，可以用結(jié)殼瞬態(tài)熱阻抗Zth(j-c)(t)來表示，其定義為

式中：Tj(t),Tc(t)，Ploss(t)分別為任意時刻t的結(jié)溫、殼溫和功率損耗［8］。

功率損耗Ploss(t)部分用于熱量向空氣和散熱片的耗散，部分作用于芯片和封裝使之儲存熱量。

IGBΤ的穩(wěn)態(tài)熱阻只能反映模塊整體的阻熱性質(zhì)，而瞬態(tài)熱阻抗可以同時反映出模塊的儲熱和阻熱性質(zhì)，如果模塊出現(xiàn)熱疲勞損傷，瞬態(tài)熱阻抗將能夠同時反映模塊阻熱和儲熱能力的變化情況，因此，瞬態(tài)熱阻抗參數(shù)能夠更精確地表征IGBΤ模塊的熱特性。

1.2 電熱比擬理論

電熱比擬理論將IGBΤ的熱特性用RC電路來描述，用電流比擬功率損耗，電阻比擬熱阻，電容比擬熱容，用電壓值來比擬溫度值［9］。RC熱網(wǎng)絡(luò)模型有Foster結(jié)構(gòu)和Cauer結(jié)構(gòu)2種，如圖1所示［10］。

圖1 RC熱網(wǎng)絡(luò)模型Fig.1 RC thermal network model

圖1a所示的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型不反映器件內(nèi)部實際的物理結(jié)構(gòu)，只反映器件整體的熱特性，參數(shù)易于從瞬態(tài)熱阻抗曲線中提取出來，故一般的器件手冊常使用該結(jié)構(gòu)。圖1b所示的Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型能夠反映器件實際物理結(jié)構(gòu)中各層的熱阻、熱容，因此計算可以得到各物理層的溫度值，并可以用仿真驗證，但是其參數(shù)較難獲得，并且難以用實驗進行驗證。Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型和Cauer熱網(wǎng)絡(luò)模型在反映器件整體的熱特性時是等效的。

本文采用Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型表征IGBΤ的熱特性，F(xiàn)oster熱網(wǎng)絡(luò)模型的表達式為

式中：ri為第i層熱網(wǎng)絡(luò)模型中的熱阻；τi為第i層熱網(wǎng)絡(luò)模型中的時間常數(shù)［11-12］。

2 瞬態(tài)熱阻抗測試平臺及實驗方案

2.1 瞬態(tài)熱阻抗測試平臺

根據(jù)式（2）中IGBΤ結(jié)殼瞬態(tài)熱阻抗的定義式可以看出瞬態(tài)熱阻抗測試的難點是對于結(jié)殼溫度的實時準(zhǔn)確探測。本文選用DS182B20熱電偶傳感器實時測量IGBΤ殼溫，采用埋入光纖的方法實時測量IGBΤ的結(jié)溫。

埋入光纖法屬于物理接觸測量法的范疇。IGBΤ由于芯片面積小，內(nèi)部密布鍵和引線以及電力電流容量大等特點，很難將溫度傳感器放置在結(jié)溫點上進行結(jié)溫的測量。本文選用OSP-A型光纖溫度傳感器對IGBΤ模塊的結(jié)溫進行測試，該產(chǎn)品的主要參數(shù)為：檢測溫度范圍-50～+250℃，精度±0.1℃，探頭直徑0.23 mm，裸光纖長度9 mm，可以滿足將傳感器放入IGBΤ結(jié)溫點進行結(jié)溫測量的要求。并且，為了不對模塊產(chǎn)生任何損傷，可以利用硅凝膠灌封技術(shù)對IGBΤ模塊進行特殊處理，避免封裝打開對測溫精度的影響。

利用DS182B20熱電偶傳感器和OSP-A型光纖溫度傳感器可以同步采集IGBΤ的結(jié)溫和殼溫，利用數(shù)據(jù)采集卡可以同步采集到IGBΤ的集射極電壓Uce和集電極電流Ic,可以獲得同步的功率損耗，瞬態(tài)熱阻抗可以由式（2）逐點計算得到。

2.2 試驗方案

本文采用加速老化壽命實驗。加速老化壽命實驗一般分為功率循環(huán)實驗和溫度循環(huán)實驗，選用第2種來對IGBΤ進行疲勞老化。

溫度循環(huán)加速老化實驗是對模塊通入較大的工作電流，產(chǎn)生的功率損耗使芯片發(fā)熱，達到溫度上限后將電流切斷，使試品冷卻，達到溫度下限后再通入電流，使試品發(fā)熱，如此引起溫度循環(huán)波動，利用熱沖擊對模塊進行疲勞老化［13］。溫度循環(huán)實驗的電路原理如圖2所示。

圖2 溫度循環(huán)實驗電路圖Fig.2 Temperature cycle experiment circuit diagram

具體實驗過程如下：

1）利用瞬態(tài)熱阻抗測試平臺對未使用過的IGBΤ進行瞬態(tài)熱阻抗測試，通入恒定電流分別測量其結(jié)溫Tj、殼溫Tc以及集射極電壓Uce和集電極電流Ic，并計算其瞬態(tài)熱阻抗曲線；

2）對IGBΤ模塊進行溫度循環(huán)老化實驗，設(shè)置通入的集電極電流Ic=50A，殼溫上限為90℃，下限為40℃，每循環(huán)1 000次重復(fù)步驟1），測量IGBΤ在不同老化進程中的瞬態(tài)熱阻抗，規(guī)定IGBΤ穩(wěn)態(tài)熱阻上升20%時器件失效，實驗進行至模塊老化失效后停止；

3）對實驗測得的瞬態(tài)熱阻抗進行去噪擬合，得到多條退化進程中的瞬態(tài)熱阻抗曲線。

3 實驗結(jié)果及分析

根據(jù)上述試驗方案首先測量某型未老化IGBΤ的瞬態(tài)熱阻抗曲線，如圖3所示。

圖3 未老化IGBT瞬態(tài)熱阻抗曲線Fig.3 IGBT transient thermal impedance curve before aging

對圖3所示的曲線進行去噪平滑處理后，分別用一階、二階、三階Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型對其進行擬合，擬合后的均方根誤差分別為RMSE1= 1.312×10-2℃/W，RMSE2=4.75×10-3℃/W，RMSE3= 3.89×10-3℃/W。擬合階數(shù)越多則擬合精度越高，二階與三階擬合后的均方根誤差相差很小，并且二階熱網(wǎng)絡(luò)模型能夠滿足擬合精度的要求，因此本文選用二階Foster模型來擬合瞬態(tài)熱阻抗曲線。未老化的IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗曲線的二階Foster模型擬合得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線如圖4所示，擬合函數(shù)表達式為

進行試驗步驟2），3）后得到老化進程中IGBΤ的瞬態(tài)熱阻抗曲線如圖5所示。

圖5 老化進程中IGBT瞬態(tài)熱阻抗曲線Fig.5 IGBT transient thermal impedance curve in the process of aging

圖5中從下到上老化次數(shù)依次為0次、1 000次、2 000次、3 000次、4 000次、5 000次、6 000次，到6 000次時穩(wěn)態(tài)熱阻增加21%，判定模塊失效，老化實驗結(jié)束。

由圖5所示的老化進程中IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗曲線可以看出，老化后IGBΤ熱阻增大，熱容減小。將圖5中的瞬態(tài)熱阻抗曲線分別用Foster二階熱網(wǎng)絡(luò)模型進行擬合，熱阻和熱時間常數(shù)的變化分別如圖6、圖7所示。

圖6 熱阻退化趨勢Fig.6 Thermal resistance degradation trend

圖7 熱時間常數(shù)退化趨勢Fig.7 Thermal time constant degradation trend

通過分析圖6、圖7中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)熱阻隨老化次數(shù)的增加成指數(shù)形式上升，熱時間常數(shù)基本不變。將熱阻進行歸一化處理，即將老化進程中瞬態(tài)熱阻抗曲線擬合得到的第1層、第2層熱阻分別除以其未退化時的初始值，如圖8所示。

圖8 熱阻歸一化處理后退化趨勢圖Fig.8 Thermal resistance degradation trend chart after normalized processing

由圖8可以看出，兩層熱阻歸一化處理后退化趨勢基本相同，對其進行指數(shù)形式的擬合，得到下式：

式中：Tr為各層熱阻歸一處理后的退化值；x為老化次數(shù)。

擬合后的均方根誤差為RMSE=1.58×10-4，說明擬合程度良好，IGBΤ熱阻在功率循環(huán)下的退化模型符合指數(shù)規(guī)律。

由于熱時間常數(shù)不變，F(xiàn)oster熱網(wǎng)絡(luò)模型的兩層熱阻按式（5）所示的指數(shù)形式退化，則可推斷出將式（4）所示擬合得到的瞬態(tài)熱阻抗曲線的Foster模型進行歸一化處理后，退化趨勢與各層熱阻退化趨勢相同，即仍符合式（5）所示的指數(shù)退化規(guī)律。

瞬態(tài)熱阻抗曲線二階Foster模型的退化模型為

取進行了3 500次溫度循環(huán)實驗后的IGBΤ模塊，即x=3 500，利用瞬態(tài)熱阻抗測試平臺測量其瞬態(tài)熱阻抗曲線，并進行去噪擬合處理，再用式（6）所示的二階Foster退化模型計算其瞬態(tài)熱阻抗曲線，測量結(jié)果與計算結(jié)果如圖9所示。

圖9 測量結(jié)果與退化模型計算結(jié)果對比圖Fig.9 Comparison of measurement resultsand the degradation model calculation results

由圖9可以看出，測量結(jié)果與退化模型的計算結(jié)果吻合度很高，說明式（6）建立的Foster退化模型較為精確。將式（6）的結(jié)果擴展到n階的Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型，則能夠反映退化情況的n階Foster熱網(wǎng)絡(luò)模型的表達式為

4 結(jié)論

隨著熱循環(huán)沖擊的不斷累積，模塊的焊料層會出現(xiàn)疲勞損傷，外部特征表現(xiàn)為熱阻增大，熱容減小。對測得的IGBΤ瞬態(tài)熱阻抗曲線的退化特征進行分析，建立了瞬態(tài)熱阻抗的退化模型。利用瞬態(tài)熱阻抗曲線的退化模型可以根據(jù)溫度沖擊的次數(shù)得到退化后的瞬態(tài)熱阻抗曲線，而不用再去進行測量。由于測量瞬態(tài)熱阻抗曲線過程繁瑣，所用時間長，此方法可以提供很大的便利。但是，本文中所建立的瞬態(tài)熱阻抗曲線退化模型僅為溫度循環(huán)老化實驗下的退化模型，IGBΤ模塊工況下的退化模型仍需要進行探索研究。

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Research on Transient Thermal Impedance Degradation Model Under Temperature Cycling of IGBT Power Module

YAO Fang，WANG Shaojie，LI Zhigang，CHEN Shenghua
（School of Electrical Engineering，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China）

Transient thermal impedance is an important parameter of IGBT module thermal characterization，the degradation of transient thermal impedance can reflect the module material degradation.So the research on degradation model of IGBT transient thermal impedance has great significance to state evaluation and life prediction.Temperature cycle aging experiment device was used to do the temperature cycle impact to IGBT modules aging，and then transient thermal impedance test platform was used to test the IGBT transient thermal impedance curve under aging process，so as to get the degradation situation.Finally analyzed results and set up the transient thermal impedance degradation mathematical model and got the degradation rule of transient thermal impedance.

degradation model；transient thermal impedance；temperature cycle；insulated gate bipolar transistor

TN32

A

10.19457/j.1001-2095.20170217

2016-01-14

修改稿日期：2016-05-27

國家自然科學(xué)基金資助項目（51377044）；2012年度高校博士點專項科研基金（20121317110008）

姚芳（1972-），女，教授，博士，Email：yaofang@hebut.edu.cn