智能功率模塊IPM的結(jié)溫評估

作者 英飛凌工業(yè)功率控制事業(yè)部大中華區(qū)應(yīng)用工程師 王剛 田斌

引言

IPM模塊是電機(jī)驅(qū)動變頻器的最重要的功率器件, 近些年隨著IPM模塊的小型化使模塊Rth(j-c)變大，從而對溫升帶來了越來越多的挑戰(zhàn)；雖然芯片技術(shù)的進(jìn)步會降低器件損耗，能一定程度緩解小型化的溫升問題，但不斷成熟的控制技術(shù)和成本控制也需要更有效的利用結(jié)溫評估結(jié)果進(jìn)行靈活保護(hù)。在實(shí)際應(yīng)用中，工程師最直接也是最常見的一個問題就是：我檢測到了IPM的NTC的溫度，那么里面IGBT&MOSFET真實(shí)的結(jié)溫是多少？本文詳細(xì)敘述了實(shí)際使用時(shí)對IPM模塊的各種結(jié)溫的計(jì)算和測試方法，從直接紅外測試法，內(nèi)埋熱敏測試，殼溫的測試方法，都進(jìn)行詳細(xì)說明，以指導(dǎo)技術(shù)人員通過測量模塊自帶的Tntc的溫度估算或測試IPM變頻模塊的結(jié)溫，然后利用開發(fā)樣機(jī)測試結(jié)果對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)溫估算標(biāo)定，評估IPM模塊運(yùn)行的可靠性。

實(shí)際產(chǎn)品中IPM結(jié)溫評估的重要性和評估條件

很顯然在實(shí)際產(chǎn)品中，我們能檢測的溫度信息有Tntc，Ta，以及其他信息有系統(tǒng)功率（或相電流，母線電壓），散熱風(fēng)速（影響熱阻）等，而在開發(fā)樣機(jī)階段除了Tntc，Ta，還能通過一定手段檢測Tc，IPM的耗散功率等，從而能根據(jù)實(shí)際功率，熱阻參數(shù)，Tc來估算Tj。

實(shí)際產(chǎn)品與開發(fā)樣機(jī)需要保證負(fù)載功率，IPM參數(shù)，系統(tǒng)熱阻模型都一致，才能通過開發(fā)測試樣機(jī)的定標(biāo)測試結(jié)果來設(shè)定實(shí)際產(chǎn)品不同工況的保護(hù)限值，所以實(shí)際產(chǎn)品需要利用的定標(biāo)參數(shù)包括：實(shí)際的負(fù)載信息，Ta，Tntc，散熱風(fēng)速等。

IPM的熱阻模型

在準(zhǔn)備評估結(jié)溫前，我們先復(fù)習(xí)一遍IPM的熱阻模型，如下圖以英飛凌自帶NTC的Mini系列IPM模塊散熱器安裝結(jié)構(gòu)為例：

圖1.IPM的熱阻模型

如圖2，P1是IGBT晶圓到模塊底部和散熱器的散熱路徑，P2是IGBT晶圓到模塊上部的散熱路徑，由于Rthch+Rthha<，所以P1為主要的功率耗散通道。同時(shí)我們要注意散熱風(fēng)量會影響Rthha跟Rthc2a。

圖2.IPM的簡化熱阻模型

IPM的結(jié)溫計(jì)算

IPM的損耗是由IGBT的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗組成，驅(qū)動芯片的損耗可以忽略不計(jì)，計(jì)算原理和分立IGBT的損耗計(jì)算是一樣的，英飛凌在相關(guān)文檔都有很詳細(xì)的論述。

這里只簡要提及計(jì)算過程，先利用規(guī)格書上圖3的I-V曲線找到不同電流條件下的Vcesat和Vf，通過跟實(shí)時(shí)電流的積分計(jì)算IGBT跟diode的導(dǎo)通損耗。然后利用雙脈沖測試平臺測試不同電流條件下的Eon，Eoff，Erec損耗, 再通過積分計(jì)算得到開關(guān)損耗。當(dāng)然，因?yàn)橐?guī)格書參數(shù)本身會存在范圍誤差，為了得到更準(zhǔn)確地?cái)?shù)值，實(shí)際操作時(shí)可能需要更準(zhǔn)確的實(shí)測數(shù)據(jù)得到Ptotal。

得到Ptotal后，我們可以通過以下公式來計(jì)算單顆晶圓上的結(jié)溫Tj：

Tj=Tc+Ptotal*Rthj-c

Tj：IGBT的結(jié)溫

Tc：模塊晶圓正下方的表面溫度

Ptotal：IGBT開關(guān)和導(dǎo)通損耗

Rthj-c：IGBT芯片和到封裝表面之間的熱阻

圖3.IGBT和二極管的I-V曲線

對于英飛凌IPM產(chǎn)品來說，我們有一個更簡便的方法，如圖4可以利用仿真工具輸入實(shí)際使用的系統(tǒng)條件就可以直接算出對應(yīng)IPM在指定條件下的損耗和結(jié)溫。

圖4.英飛凌IPM仿真工具

結(jié)溫的檢測方法

通常我們能想到兩種最直接的辦法，一種紅外測溫儀直接檢測，一種是預(yù)埋熱電藕測試。

如圖5第一種方法是將模塊在最熱的晶圓處開口，露出晶圓并將其涂黑，用紅外測溫儀測量晶圓溫度。這種方法通常在工程研究上做參考評估用，實(shí)際產(chǎn)品測試時(shí)因空間結(jié)構(gòu)所限往往并不可取。

圖5.紅外測溫儀測試結(jié)溫

第二種方法需要IPM廠家提供預(yù)埋熱電偶的樣品，在最熱晶圓處開孔至晶圓外露，預(yù)埋熱電藕于晶圓上方足夠近但又不接觸到晶圓的地方，樣機(jī)測試時(shí)可以通過數(shù)據(jù)采集儀讀取芯片溫度。

預(yù)埋熱電偶的測量方法建議通過測量IPM的直流非開關(guān)工作狀態(tài)來模擬等損耗條件的實(shí)際工作狀況；直接進(jìn)行動態(tài)負(fù)載測試建議采用手持式測溫儀減小干擾，并對測量引線及設(shè)備的布放進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)際操作時(shí)難度還是非常大的。

利用結(jié)殼熱阻法測量模塊結(jié)溫是比較常見并且有效的一種方法：先測試殼溫Tc，通過結(jié)殼熱阻Rthj-c，然后利用我們上述計(jì)算出來的Ptotal功耗來計(jì)算得到結(jié)溫（Tj=Tc+Ptotal*Rthj-c）。

Tc殼溫指的是最高結(jié)溫晶圓正對散熱器的殼的溫度，要測得此點(diǎn)溫度需要在散熱器鉆孔或者開槽布防熱電藕，如圖6的兩種開槽方式：

圖6.Tc測試熱電偶安裝的開槽方式

結(jié)溫標(biāo)定

在實(shí)際的項(xiàng)目開發(fā)時(shí)，我們只需要在開發(fā)前期測試各種不同極限條件下的Tc和Tntc溫度，擬合出Ta 、Vs、Tntc、Vs、Tj的對應(yīng)曲線關(guān)系。

實(shí)現(xiàn)利用開發(fā)樣機(jī)測試結(jié)果對實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)溫估算標(biāo)定，必須滿足下面的條件：

二者的負(fù)載功率以及控制方法完全相同。

二者的系統(tǒng)熱阻參數(shù)必須相同，包括散熱器，散熱器與模塊接觸熱阻，散熱風(fēng)扇的風(fēng)量等。

二者的IPM必須相同。

實(shí)際產(chǎn)品的上述任何參數(shù)發(fā)生了改變，理論上都要通過樣機(jī)測試進(jìn)行重新標(biāo)定，圖7為例我們先標(biāo)定散熱器尺寸和風(fēng)速模型。

圖7.散熱器熱阻模型標(biāo)定

然后需要實(shí)測散熱器的熱阻，下圖以風(fēng)冷散熱器為例，取幾個典型的風(fēng)速點(diǎn)，待熱平衡后，測量散熱器表面溫度和進(jìn)風(fēng)口溫度，并計(jì)算散熱器熱阻。

圖8.散熱器熱阻Vs風(fēng)速曲線

在相同條件下，通過讀取Tntc的溫度值，同時(shí)考慮到風(fēng)速對散熱器熱阻的影響，我們可以得到圖9的Tj 、VS、Tntc的擬合關(guān)系如下：

最低風(fēng)速 中等風(fēng)速 最高風(fēng)速

圖9.Tj VS Tntc在不同風(fēng)速下的擬合曲線

同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)負(fù)載，可以得到如圖10對應(yīng)不同Ta條件下的受限于Tjmax的輸出功率值（或者負(fù)載相電流值），以及Po-limit（Io-limit）vs.Tntc的曲線。

圖10.Po-limit（Io-limit）vs. Tntc的曲線

結(jié)束語

利用測試樣機(jī)的結(jié)溫估算結(jié)果，可以在批量生產(chǎn)的產(chǎn)品中針對估算得到的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在不同Ta條件下，根據(jù)Tntc檢測結(jié)果的變化，來設(shè)定不同的功率限制值，從而控制Tj不要超過設(shè)定Tjmax值，保護(hù)IPM不會過熱而損壞。

功率達(dá)到限制值后的另外選擇：提高散熱風(fēng)扇的風(fēng)速，同時(shí)提升輸出功率限值到新風(fēng)速下的新限值，后期我們就可以直接采用Tntc溫度來合理評估溫度保護(hù)何限頻（電機(jī)轉(zhuǎn)速頻率）點(diǎn)。