CN104848961A - 基于饱和导通压降测量igbt结温的温度定标平台及实现igbt结温测量的方法 - Google Patents

Abstract

基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台及实现IGBT结温测量的方法，涉及半导体测试领域。本发明是为了解决现有的IGBT结温测量电路的安装平台对芯片封装和安装空间有一定要求，并对测量环境要求较高，无法实现大电流工况下的结温在线监测的问题。本发明IGBT驱动设备连接到IGBT温度定标电路的驱动端，大电流稳压电源串联大功率电阻连接IGBT温度定标电路集电极和发射极两端，PXI测试机箱上的数字万用表模块连接到温度定标电路的测试端，温度定标平台均位于恒温箱中，恒温箱用于实现对IGBT温度定标电路的温度定标。该平台用于测量给定IGBT结温与饱和导通压降的关系。

Description

基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台及实现IGBT结温测量的方法

技术领域

本发明涉及一种IGBT结温的测量平台及方法。属于半导体测试领域。

背景技术

结温是IGBT模块的一个状态参量，模块运行时的结温水平对模块运行安全至关重要，IGBT模块本身具有一个最高工作结温限制，硅芯片的正常结温不能超过150℃，最新一代的器件不能超过175℃，如果模块的工作结温超过此限定值，则模块的安全会受到严重威胁。同时，IGBT的工作特性受温度影响很大，IGBT的半导体物理特性与器件内部参数，包括载流子迁移率、本征激发浓度、过剩载流子寿命、门槛电压以及跨导等都会随温度的变化而发生改变，从而导致IGBT的通态压降、关断电压尖峰、电流拖尾时间、开通、关断速度和损耗等性能指标都发生变化，同时工作寿命也会随温度的升高而降低。因此如果能在线测量出模块的结温状态，就能及时知道模块目前的结温波动状况，便于采取相应的控制措施来减小结温波动，增加模块的使用寿命。

目前比较成熟的结温测量方法主要有三种，分别是热传感器法、红外热探测法和TSP法。其中，热传感器法需要直接的物理接触，对于封装和芯片安装空间有一定要求，实际应用中难以达到安装要求；红外探测法需要光学仪器与芯片发热面正对，同样对于芯片封装和安装空间有一定要求；TSP法则不需要打开封装或安装外部设备，只需监测温敏电气参数即可，但一般只能在小电流下进行，因此其应用局限在实验室环境内。以上方法由于各自特点，均无法实现在线监测，而TSP法相对实现难度最小，对电路板空间要求不高，只需解决大电流下自发热的问题即可。因此提出一种可以适用于大电流工况的TSP法。

发明内容

本发明是为了解决现有的IGBT结温测量电路的安装平台对芯片封装和安装空间有一定要求，并对测量环境要求较高，无法实现大电流工况下的结温在线监测的问题，现提出基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台及实现IGBT结温测量的方法。

基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台，它包括恒温箱、IGBT温度定标电路、IGBT驱动设备、PXI测试机箱上的数字万用表模块、大电流稳压电源和大功率电阻，

IGBT温度定标电路包括IGBT、一号二极管D1、二号二极管D3、电阻R1和电感L1，

IGBT的栅极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端作为IGBT驱动设备的驱动脉冲信号输出端，

IGBT的漏极同时连接二号二极管D3的阴极、电感L1的一端和一号二极管D1的阳极，二号二极管D3的阳极同时连接IGBT的源极和电源地，IGBT的漏极和IGBT的源极作为PXI测试机箱上的数字万用表模块的两个测量端，

电感L1的另一端连接大功率电阻的一端，

一号二极管D1的阴极同时连接大功率电阻的另一端和大电流稳压电源的正极，大电流稳压电源的负极连接电源地，

IGBT温度定标电路、IGBT驱动设备、PXI测试机箱上的数字万用表模块、大电流稳压电源和大功率电阻均位于恒温箱中，

恒温箱用于实现对IGBT温度定标电路的温度控制。

根据基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台及实现IGBT结温测量的方法，它包括以下步骤：

步骤一、将基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台放入恒温箱内，通过恒温箱设定内部起始温度为A℃，随后以B℃为间隔，逐渐增加到X℃；A为工作环境初始温度；B为测量温度间隔，根据工作环境适当选择；X为该型号芯片结温上限；

步骤二、在每个测量温度A+nB℃下停留10分钟至30分钟，根据恒温箱上的温度显示面板确认恒温箱内部温度已经达到稳定，n为大于等于0的整数；

步骤三、温度稳定后接通大电流稳压电源，同时将设定的IGBT驱动设备的驱动脉冲信号输出给IGBT的栅极，用PXI测试机箱上的数字万用表模块采集IGBT的漏极和源极两端的信号，通过Labview记录下瞬态饱和导通电压V_CE的值，

步骤四、断开大电流稳压电源和IGBT驱动设备的驱动脉冲信号，调节大功率电阻的阻值来改变电流I_C值，在每个温度下的电流I_C的值由电压源除以功率电阻得到；

步骤五、重复步骤一至步骤四获得每个温度下的电流I_C值和该电流I_C值所对应的瞬态饱和导通电压V_CE的值，将获得每个温度下的电流I_C值和该电流I_C值所对应的瞬态饱和导通电压V_CE的值输入matlab程序中进行线性拟合，获得结温T_j、饱和导通压降V_CE和集电极电流I_C的线性关系平面；

步骤六、在大电流稳压电源接通下，给IGBT的栅极输入驱动脉冲信号，采用PXI测试机箱上的数字万用表模块对IGBT的集电极和发射极两端的信号进行采集，通过Labview记录下瞬态饱和导通电压V_CE的值，并通过步骤四获得该V_CE的值对应电流I_C的值，然后带入步骤五中的结温T_j、饱和导通压降V_CE和集电极电流I_C的线性关系平面，获得结温T_j。

本发明的有益效果为：将同型号的IGBT放入温度定标电路中，置于恒温箱环境内，以实现该型号IGBT温度定标，通过恒温箱设定内部不同的温度，并且通过接通大电流稳压电源，将IGBT驱动设备的驱动脉冲信号输出给IGBT的栅极，对每个温度下的瞬态饱和导通电压V_CE采样，并且在每个温度下测量完V_CE的值后，断开大电流稳压电源和IGBT驱动设备的驱动脉冲信号，调节大功率电阻的阻值来改变每个温度下的电流I_C值，在每个温度下的电流I_C的值由电压源除以功率电阻得到，将每个温度下V_CE值和I_C值进行拟合，获得可供查询的结温-饱和导通压降的关系曲面，再次对应用电路中的IGBT输入短脉冲驱动信号，采用PXI测试机箱上的数字万用表模块对IGBT的集电极和发射极两端的信号进行采集，通过Labview记录下瞬态饱和导通电压V_CE的值，并通过得该V_CE的值获得对应电流I_C的值，带入结温T_j、饱和导通压降V_CE和集电极电流I_C的线性关系平面，获得结温T_j，通过该方法对IGBT结温进行测量，对芯片空间安装没有要求，并且该平台仅包括恒温箱、IGBT温度定标电路、IGBT驱动设备、PXI测试机箱上的数字万用表模块、大电流稳压电源和大功率电阻，硬件平台简单且安装也简单，且应用该平台可以在任何环境下进行IGBT结温测量。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台的原理示意图，

图2为具体实施方式一所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台的电路图，

图3为本发明所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台中Labview程序图，

图4为本发明所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台中Labview前面板，图中，STOP为停止键，停止正在执行的程序，

图5为具体实施方式六所述的温度定标测量结果拟合平面示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台，它包括恒温箱3、IGBT温度定标电路、IGBT驱动设备、PXI测试机箱上的数字万用表模块4、大电流稳压电源2和大功率电阻1，

IGBT温度定标电路包括IGBT、一号二极管D1、二号二极管D3、电阻R1和电感L1，

IGBT的栅极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端作为IGBT驱动设备的驱动脉冲信号输出端，

IGBT的漏极同时连接二号二极管D3的阴极、电感L1的一端和一号二极管D1的阳极，二号二极管D3的阳极同时连接IGBT的源极和电源地，IGBT的漏极和IGBT的源极作为PXI测试机箱上的数字万用表模块4的两个测量端，

电感L1的另一端连接大功率电阻1的一端，

一号二极管D1的阴极同时连接大功率电阻1的另一端和大电流稳压电源2的正极，大电流稳压电源2的负极连接电源地，

IGBT温度定标电路、IGBT驱动设备、PXI测试机箱上的数字万用表模块4、大电流稳压电源2和大功率电阻1均位于恒温箱3中，

恒温箱3用于实现对IGBT温度定标电路的温度控制。

本实施方式中，首先选择工况，大电流稳压电源串联大功率电阻以提供足够大的功率循环电流，连接到IGBT的集电极和发射极两端，从而模拟IGBT常用的大电流大功率的工况。相对于功率电阻的分压，IGBT饱和导通压降在电流的计算上可以近似忽略不计。

I_C＝V_O/R_C                  (1)

式中，I_C为集电极电流，V_O为稳压电源输出电压，R_C为大功率电阻阻值。根据具体芯片型号和工作环境，电流最小值一般选为mA级别，最大值参考IGBT芯片手册。工况选择完成。

IGBT驱动设备采用信号发生器实现，信号发生器输出端连接到IGBT温度定标电路的驱动接口上，即IGBT的栅极和发射极之间，提供驱动IGBT的窄脉冲。100mA以下的小电流工况下脉冲宽度可以任意选择，100mA以上工况需首先查询所用IGBT型号的芯片手册，查询该型号IGBT在该工况下结和壳之间的瞬态热阻值R_jc和导通压降V_CE，计算不同脉宽下的温升：

△T_jc＝V_CEI_CR_jct_on         (2)

其中△T_jc为IGBT瞬态自发热温升值，t_on为驱动脉冲宽度，即IGBT导通时间。根据具体应用需求选择合适的温升，进而确定驱动脉冲宽度。具体实施方法为：

1)确定工况和负载大小，设定工作电流I_C；

2)参考该型号IGBT芯片手册，查询该电流大小工况下的导通压降V_CE和结与壳之间的瞬态热阻R_jc；

3)设定可接受的最大自发热温升值△T_jc-max；

4)利用式(2)反推出脉冲宽度最大值；

5)通过信号发生器设定脉冲宽度。

PXI测试机箱上的数字万用表模块4连接到IGBT温度定标电路的信号采集接口上，即IGBT的集电极和发射极之间。连接好的IGBT温度定标电路置于恒温箱内。信号采集部分通过Labview编程进行控制，程序框图如图3所示，前面板如图4所示。

在本设计中，LabVIEW图形化编程软件承担着模拟信号输入、数学运算、逻辑关系编辑、数据存储等任务，使信号与实际的功能和物理意义得到了转换。通过Labview软件控制，程序可将采样设备采集到的多路电压信号分别存储为电压和可信的温度值，并且可在前面板上显示，每一个值都记录对应的时间。程序具体工作方式如下：

1)程序框图：

选定DAQmx创建数据采集通道，定义信号的形式。可以操作的信号种类有模拟输入/输出、数字输入/输出、计数器输入/输出，本设计中选用“模拟输入—电压输入”。之后还需要设定接受模拟信号的最大值、最小值，配置输入接线端，选定采集信号的物理通道。

创建通道之后连接DAQmx开始采集任务，使任务处于运行状态。

由于在采样的过程中，需要设定记录数据的时间间隔，并以间隔时间段内的采样数据为单位，进行接下来的操作。故将DAQmx读取控件放在一个while循环内，并将任务读取方式设定成为模拟一维数组多通道1采样。至此为止，接入的模拟信号就变成了一维数组，并可以实时显示在前面板上。

利用“索引数组”功能，将采集到的3路数据进行拆分，在前面板上分别进行显示：Uce、Uge和热敏电阻电压。通过一个“拟合公式节点”，利用之前热敏电阻定标实验得到的热敏电阻电压与温度的拟合公式，转换为热敏电阻的温度，也显示在前面板上。

为保证得到的数据不丢失，在While循环上启用索引，即得到每次循环出来的数据，将数据写入电子表格文件。与此同时，记录每个数据对应的时间。数据保存路径以及文件名在程序框图的输出端进行设置。

写入数据后，在While循环外连接一个DAQmx清除任务控件，避免分配不必要的内存。

另外，通过设置“等待时钟”控制记录数据的时间间隔，这里设置为2秒。

2)前面板：

前面板如图4所示，STOP为停止键，停止正在执行的程序。

Error in与Error out，分别为“错误输入”和“错误输出”，用于传递Labview代码运行期间的出错信息。当error in携带有错误信息时，对应的函数就会不做任何操作，直接将错误传递给error out输出，节省不必要的时间和内存。与此同时，可以在error out的窗口看到错误的类型，便于更改。

Status为表示“状态”的布尔变量，即显示程序是否有错，当程序出错是，显示为“×”，无错显示“√”。

Code译为“代码”，当程序运行出现错误时，在其下面的框里显示相应32位整形变量的错误的代码信息。Source是一字符串变量，给出出错原因的描述性信息。Uce表示C、E之间的电压，Uge表示G、E之间的电压，为测量量。在本实验中前面板主要用于显示和控制程序终止运行。

显示的内容有：已用的时间、Uce、Uge、热敏电阻电压、热敏电阻温度，以及程序可能出现的错误内容。还有按钮用来控制程序终止，与菜单栏中“中止执行”不同的是，按下改按钮可以保存采集到的数据。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台作进一步说明，本实施方式中，大电流稳压电源(2)的电流值为大于等于10A。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台作进一步说明，本实施方式中，大功率电阻(1)的功率范围为大于等于500W。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台作进一步说明，本实施方式中，IGBT驱动设备的驱动脉冲信号采用窄脉冲。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台作进一步说明，本实施方式中，IGBT驱动设备采用信号发生器或者PXI测试机箱实现。

具体实施方式六：参照图5具体说明本实施方式，根据具体实施方式一、二、三、四或五所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台实现的测量IGBT结温的方法，它包括以下步骤：

步骤一、将基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台放入恒温箱3内，通过恒温箱3设定内部起始温度为A℃，随后以B℃为间隔，逐渐增加到X℃；A为工作环境初始温度；B为测量温度间隔，根据工作环境适当选择；X为该型号芯片结温上限；

步骤二、在每个测量温度(A+nB℃)下停留10分钟至30分钟，根据恒温箱3上的温度显示面板确认恒温箱3内部温度已经达到稳定，n为大于等于0的整数；

步骤三、温度稳定后接通大电流稳压电源2，同时将设定的IGBT驱动设备的驱动脉冲信号输出给IGBT的栅极，用PXI测试机箱上的数字万用表模块4采集IGBT的漏极和源极两端的信号，通过Labview记录下瞬态饱和导通电压V_CE的值，

步骤四、断开大电流稳压电源2和IGBT驱动设备的驱动脉冲信号，调节大功率电阻1的阻值来改变电流I_C值，在每个温度下的电流I_C的值由电压源除以功率电阻得到；

步骤五、重复步骤一至步骤四获得每个温度下的电流I_C值和该电流I_C值所对应的瞬态饱和导通电压V_CE的值，将获得每个温度下的电流I_C值和该电流I_C值所对应的瞬态饱和导通电压V_CE的值输入matlab程序中进行线性拟合，获得结温T_j、饱和导通压降V_CE和集电极电流I_C的线性关系平面；

步骤六、在大电流稳压电源2接通下，给IGBT的栅极输入驱动脉冲信号，采用PXI测试机箱上的数字万用表模块4对IGBT的集电极和发射极两端的信号进行采集，通过Labview记录下瞬态饱和导通电压V_CE的值，并通过步骤四获得该V_CE的值对应电流I_C的值，然后带入步骤五中的结温T_j、饱和导通压降V_CE和集电极电流I_C的线性关系平面，获得结温T_j。

本实施方式中，利用基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台确定结温和导通压降的关系，通过在大电流工况，脉冲驱动条件下，测量其导通压降即可利用定标曲面查询得到该工况下的结温。

本实施方式中，温度-饱和导通压降关系曲线定标步骤如下：

1)将实验电路连接好电源、信号发生器和PXI机箱信号采集板卡，置于恒温箱内，恒温箱温度设定起始值为A℃，随后以B℃为间隔，逐渐增加到X℃；A为工作环境初始温度，一般可设为20；B为测量温度间隔，根据工作环境适当选择，一般可设为10；X为该型号芯片结温上限，通过查询芯片手册获取；

2)在每个测量温度(A+nB℃)下停留15分钟以上，通过温度显示面板确认内部温度已经达到稳定；n为大于等于0的整数；

3)温度稳定后接通直流电源，同时将设定好的驱动脉冲输出给IGBT，用采集板卡采样，通过Labview记录下瞬态饱和导通电压V_CE的值；

4)随后断开直流电源和驱动脉冲，调节电阻值改变电流大小，每个温度下的电流I_C的值由电压源除以功率电阻得到，例如针对常用的IRG4BC30K型IGBT其电流设定的值可分别选为50mA、1A、5A、10A、15A、20A；

5)一个温度下各种I_C所对应的V_CE均测量完成后，将恒温箱设置到下一个温度，即增加B℃，重复步骤1)到4)。

该型号IGBT温度定标步骤完成后，将所得数据输入matlab程序中进行线性拟合，得到结温T_j和饱和导通压降V_CE以及集电极电流I_C的线性关系平面如图5所示。该拟合平面及其线性关系公式可供后续测量过程进行查询。

具体实施方式七：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台实现的测量IGBT结温的方法作进一步说明，本实施方式中，A为20℃，B为10℃。

具体实施方式八：本实施方式是对具体实施方式一所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台实现的测量IGBT结温的方法作进一步说明，本实施方式中，步骤二中，在每个测量温度A+nB℃下停留15分钟以上。

在线测量过程：

1)IGBT驱动设备驱动为高频PWM驱动信号，脉冲宽度足够窄，则可以直接对IGBT的饱和导通压降VCE进行采样测量，测量结果结合工作电流IC查询该工况下的结温Tj；

IGBT驱动设备工作在低频PWM驱动下，脉冲宽度较宽，容易产生IGBT内部自发热现象，因此在采样过程中需要给IGBT外加一高频短脉冲信号，并在瞬间对IGBT饱和导通压降进行采样，以保证不影响电路的正常工作。

Claims (8)

1.基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台，其特征在于，它包括恒温箱(3)、IGBT温度定标电路、IGBT驱动设备、PXI测试机箱上的数字万用表模块(4)、大电流稳压电源(2)和大功率电阻(1)，

IGBT温度定标电路包括IGBT、一号二极管D1、二号二极管D3、电阻R1和电感L1，

IGBT的栅极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端作为IGBT驱动设备的驱动脉冲信号输出端，

IGBT的漏极同时连接二号二极管D3的阴极、电感L1的一端和一号二极管D1的阳极，二号二极管D3的阳极同时连接IGBT的源极和电源地，IGBT的漏极和IGBT的源极作为PXI测试机箱上的数字万用表模块(4)的两个测量端，

电感L1的另一端连接大功率电阻(1)的一端，

一号二极管D1的阴极同时连接大功率电阻(1)的另一端和大电流稳压电源(2)的正极，大电流稳压电源(2)的负极连接电源地，

IGBT温度定标电路、IGBT驱动设备、PXI测试机箱上的数字万用表模块(4)、大电流稳压电源(2)和大功率电阻(1)均位于恒温箱(3)中，

恒温箱(3)用于实现对IGBT温度定标电路的温度控制。

2.根据权利要求1所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台，其特征在于，

大电流稳压电源(2)的电流值为大于等于10A。

3.根据权利要求1所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台，其特征在于，大功率电阻(1)的功率范围为大于等于500W。

4.根据权利要求1所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台，其特征在于，IGBT驱动设备的驱动脉冲信号采用窄脉冲。

5.根据权利要求1所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台，其特征在于，IGBT驱动设备采用信号发生器或者PXI测试机箱实现。

6.根据权利要求1、2、3、4或5所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台实现的测量IGBT结温的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

步骤一、将基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台放入恒温箱(3)内，通过恒温箱(3)设定内部起始温度为A℃，随后以B℃为间隔，逐渐增加到X℃；A为工作环境初始温度；B为测量温度间隔，X为IGBT的结温上限；

步骤二、在每个测量温度A+nB℃下停留10分钟至30分钟，根据恒温箱(3)上的温度显示面板确认恒温箱(3)内部温度已经达到稳定，n为大于等于0的整数；

步骤三、温度稳定后接通大电流稳压电源(2)，同时将设定的IGBT驱动设备的驱动脉冲信号输出给IGBT的栅极，用PXI测试机箱上的数字万用表模块(4)采集IGBT的漏极和源极两端的信号，通过Labview记录下瞬态饱和导通电压V_CE的值，

步骤四、断开大电流稳压电源(2)和IGBT驱动设备的驱动脉冲信号，调节大功率电阻(1)的阻值来改变电流I_C值，在每个温度下的电流I_C的值由电压源除以功率电阻得到；

步骤五、重复步骤一至步骤四获得每个温度下的电流I_C值和该电流I_C值所对应的瞬态饱和导通电压V_CE的值，将获得每个温度下的电流I_C值和该电流I_C值所对应的瞬态饱和导通电压V_CE的值输入matlab程序中进行线性拟合，获得结温T_j、饱和导通压降V_CE和集电极电流I_C的线性关系平面；

步骤六、在大电流稳压电源(2)接通下，给IGBT的栅极输入驱动脉冲信号，采用PXI测试机箱上的数字万用表模块(4)对IGBT的集电极和发射极两端的信号进行采集，通过Labview记录下瞬态饱和导通电压V_CE的值，并通过步骤四获得该V_CE的值对应电流I_C的值，然后带入步骤五中的结温T_j、饱和导通压降V_CE和集电极电流I_C的线性关系平面，获得结温T_j。

7.根据权利要求6所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台实现的测量IGBT结温的方法，其特征在于，A为20℃，B为10℃。

8.根据权利要求6所述的基于饱和导通压降测量IGBT结温的温度定标平台实现的测量IGBT结温的方法，其特征在于，步骤二中，在每个测量温度A+nB℃下停留15分钟以上。