CN108682672A - 适用于内部功率开关芯片在短路工况下均热的大功率半导体模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于内部功率开关芯片在短路工况下均热的大功率半导体模块，其利用功率半导体器件导通电阻受门极电压控制的原理，对每一个并联的器件或者模块内部并联的芯片添加自主热平衡控制电路，通过热敏元件检测器件温度，并自动根据热敏元件参数调整加到器件门极两端的电压；热敏元件可由具有负温度系数的热敏电阻或者稳压二极管充当。在短路工况下，并联芯片温度升高，热敏电阻自动反馈，加到该芯片门极两端电压下降，器件导通电阻上升，自动降低流过芯片的短路电流。本发明采用的无源热平衡控制电路结构简单，易于集成到器件驱动板上或者大功率模块内部，使得并联器件热均衡，进而提高功率器件的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种适用于内部功率开关芯片在短路工况下均热的大功率半导体模块。
背景技术
功率半导体器件在大功率场合应用范围越来越广，其可靠安全运行问题得到了越来越多的重视；由于单个器件容量有限，大功率应用场合通常采用多个内部芯片并联封装成的功率模块，起到电流扩容作用。在采用大容量功率模块的情况下，并联芯片内外工作环境不能完全一致，导致并联芯片的发热不均衡；尤其是在短路的极端工况下，芯片温度急剧升高，整个模块工作的可靠性取决于最热的芯片。因此，寻求短路工况下的芯片热平衡方法和短路电流限流方法对于提高大功率模块的短路电流耐受能力具有十分重要的意义。
影响并联芯片热不平衡的因素有很多，主要有以下4点：①门极驱动信号不同步，由门极回路面积，走线不一致等导致；②器件热阻不一样，由于并联芯片处于不同位置，其热阻不一样，即使在相同的功率损耗条件下，其温度也不一致；③器件内部参数，如临界开通电压，导通电阻等不一样；④不同芯片位置不同，受外在电磁环境影响不同，导致电流不均。
解决并联热不平衡常用的方法主要有三种：(1)通过优化并联器件的电路或者模块内部封装，使得并联器件外围电路参数尽量一致，从而保证并联均流特性，然而实际电路参数不能够完全保证一致，因此该方案不能够消除并联器件工作时存在的热不平衡缺点；(2)门极驱动信号主动同步方法，该方法检测并联器件驱动信号的延时差，通过在驱动信号中添加补偿信号的方法来实现并联器件的同时开通关断，该方案实现比较复杂，成本较高；(3)目前主流的大功率IGBT或者SiC芯片其导通电阻都为正温度系数，当温度上升时，导通电阻增加，并联分流电流下降，从而缓解温度不平衡的问题。然而，由于大功率模块实际运行工况复杂，紧靠并联芯片自身的温度系数难以达到更优的热平衡效果。
在短路工况下，流过芯片电流急剧上升，模块内部芯片温度急剧上升，很快就接近器件安全工作极限，此时限制短路电流大小、平衡各个并联芯片的发热具有十分重要的意义。传统的短路保护方式通过检测整个功率模块导通状态下的饱和导通压降，当过流发生时，导通压降上升，超过阈值时关断驱动信号。该方法受电压检测电路响应时间的影响，同时不能够顾及并联芯片之间的温度，具有一定的局限性。
另外，对于大容量功率模块，所有芯片共用一个外部的门极信号，从模块外面很难实现内部芯片的短路均热功能，因此，模块内部并联芯片短路状态下的无源热平衡方法主要从模块内部实现。为了提升电路可靠性和降低成本，器件均热电路要求结构简单，易于实现，同时附加电路要求不能影响功率模块正常工况下的工作。
发明内容
鉴于上述，本发明提供了一种适用于内部功率开关芯片在短路工况下均热的大功率半导体模块，该模块电路仅采用无源器件，结构简单，能够自主实现短路工况下并联芯片的热平衡，提高器件可靠性。
一种适用于内部功率开关芯片在短路工况下均热的大功率半导体模块，包括有多个并联的功率开关芯片，每个功率开关芯片均连接有驱动电阻以及热敏元件；其中，驱动电阻的一端与功率开关芯片的门极以及热敏元件的一端相连，驱动电阻的另一端接外部设备提供的门极驱动信号，热敏元件的另一端与功率开关芯片的发射极或漏极相连，所述热敏元件紧贴功率开关芯片的表面以感应芯片的温度。
进一步地，所述功率开关芯片采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)模块或SiC MOSFET(碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管)模块。
进一步地，当所述功率开关芯片采用IGBT模块时，热敏元件的另一端与IGBT模块的发射极相连；当所述功率开关芯片采用SiC MOSFET模块时，热敏元件的另一端与SiCMOSFET模块的漏极相连。
进一步地，所述热敏元件采用负温度系数的热敏电阻。
进一步地，所述热敏元件由热敏开关与分压电阻串联组成；其中，热敏开关的一端与功率开关芯片的门极相连，热敏开关的另一端与分压电阻的一端相连，分压电阻的另一端与功率开关芯片的发射极或漏极相连，热敏开关紧贴功率开关芯片的表面以感应芯片的温度。
进一步地，所述驱动电阻以及热敏元件构成了驱动电压具有负温度特性的无源驱动及均流控制电路。
对于热敏电阻，在短路工况下，当系统中某一个芯片的结温急剧上升，该芯片表面热敏电阻的温度上升，阻值下降，芯片的驱动电压降低，芯片的导通电阻上升，流过芯片的短路电流下降，使得系统中并联的芯片在短路工况下热应力更均衡。
对于热敏开关，其在低温时常开，短路工况下，当系统中某一个芯片的结温急剧上升，该芯片表面热敏开关的温度上升，超过一定阈值时热敏开关闭合，芯片的驱动电压即分压电阻上的并联分压值，开关闭合驱动电压降低，芯片的导通电阻上升，流过芯片的短路电流下降，使得系统中并联的芯片在短路工况下热应力更均衡。
本发明利用功率半导体器件导通电阻受门极电压控制的原理，对每一个并联的器件或者模块内部并联的芯片添加自主热平衡控制电路，通过热敏元件检测器件温度，并自动根据热敏元件参数调整加到器件门极两端的电压；热敏元件可由具有负温度系数的热敏电阻或者稳压二极管充当。在短路工况下，并联芯片温度升高，热敏电阻自动反馈，加到该芯片门极两端电压下降，器件导通电阻上升，自动降低流过芯片的短路电流。本发明采用的无源热平衡控制电路结构简单，易于集成到器件驱动板上或者大功率模块内部，使得并联器件热均衡，进而提高功率器件的可靠性。
附图说明
图1为本发明功率模块内部芯片并联均热的电路原理图。
图2为采用热敏电阻作为热敏元件的IGBT模块内部芯片并联均热的电路原理图。
图3为采用热敏电阻作为热敏元件的SiC MOSFET模块内部芯片并联均热的电路原理图。
图4(a)为采用热敏电阻作为热敏元件的IGBT模块驱动电压波形图。
图4(b)为采用热敏电阻作为热敏元件的IGBT模块短路电流波形图。
图5为采用热敏开关作为热敏元件的IGBT模块内部芯片并联均热的电路原理图。
图6为采用热敏开关作为热敏元件的SiC MOSFET模块内部芯片并联均热的电路原理图。
图7(a)为采用热敏开关作为热敏元件的IGBT模块驱动电压波形图。
图7(b)为采用热敏开关作为热敏元件的IGBT模块短路电流波形图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明大功率半导体模块内部除并联芯片以外，还包括门极驱动电阻，热敏元件，其中并联的每个芯片配置单独的门极驱动电阻Rg，Rg一端外接门极驱动信号，另一端与芯片的门极连接。并联的每个芯片配置独立的热敏电路，热敏电路由热敏元件和辅助元件构成，热敏电路与芯片的门极，发射极(或漏极)并联，构成驱动电压具有负温度特性的无源驱动电路。热敏元件紧贴在器件表面，其参数直接反映器件温度。由于导线的非理想特性，实际模块中线路包含多个寄生参数，Lσn(n＝1,2,3…),Rσn(n＝1,2,3…),Lgσn(n＝1,2,3…),Lσwn(n＝1,2,3…)分别表示器件功率环流回路的等效寄生电感、功率回路的等效寄生电阻、门极驱动回路的等效寄生电感、热敏元件并联回路的寄生电感。由于实际电路的电路，热路及外部散热条件完全一致，因此并联芯片的温度也有所差异。在短路工况下，器件内部损耗急剧上升，损耗的大小受寄生参数影响比正常工况更大，因此，并联芯片的热不均衡也更加严重。紧贴在芯片表面的热敏元件通过检测芯片的温度，对功率器件的驱动电压进行调节，使过热芯片的电流减小，降低损耗，从而实现整个模块的可靠工作。
实施例1采用负温度系数热敏电阻作为热敏元件的IGBT模块并联芯片短路工况下的均热电路，如图2所示，热敏电阻RNTC和IGBT芯片的G(门极)和E(发射极)端并联，并与器件门极驱动电阻Rg构成并联芯片热平衡控制电路。RNTC直接反映器件温度，具有负温度系数。在外部短路情况下，当并联芯片中某个芯片的温度过高时，该芯片表面的RNTC温度上升，阻值下降，加到IGBT的驱动电压降低，IGBT的发射极、集电极间电阻上升，流过IGBT芯片的电流降低，使得并联芯片在短路工况下热应力更均衡。
实施例2采用热敏电阻作为热敏元件的SiC MOSFET功率模块短路工况下的均热电路，如图3所示，热敏电阻RNTC和SiC MOSFET功率模块内部芯片的G(门极)和E(发射极)端并联，并与门极驱动电阻Rg构成均流电路。在外部短路情况下，当并联中某个器件的温度过高，该器件旁边的RNTC温度上升，阻值下降，加到MOSFET的门极驱动电压降低，MOSFET的发射极、集电极间电阻上升，使流过MOSFET芯片的电流降低，使得并联芯片在短路工况下热应力更均衡。
上述实施方式中采用负温度系数热敏电阻作为热敏元件，热敏电阻阻值随温度变化关系为：
其中：R25和B为与温度无关测常数。以某厂商大功率IGBT模块(1700V/1000A)为例，在芯片温度为0～125℃，芯片处于正常工作状态，要求此时负温度系数热敏电阻对门极电压的大小没有影响，门极电压为15V，在短路状态，芯片温度短时间急剧上升，可设定芯片温度阈值，如当芯片温度超过125℃时，门极驱动电压降低为14V。设IGBT芯片门极驱动电阻Rg＝5Ω，选取R25＝10kΩ，B＝5890的热敏电阻，则：
在芯片温度为25℃时，门极驱动电压：
在芯片温度为125℃时，门极驱动电压：
图4(a)和图4(b)给出了该器件内部两个参数不一致芯片在短路状态下的门极驱动电压与短路测试电流的对比波形图，t0时刻发生短路故障，芯片温度急剧上升，与芯片门极并联的热敏电阻阻值下降，两个芯片的驱动电压vg1，vg2同时下降。由于芯片参数不对称，两个芯片的短路电流不一致，及对外的热阻抗不一致，导致芯片2的温度高于芯片1的温度，热敏电阻阻值下降更加迅速，使得门极驱动电压vg2下降更加迅速。
以MOSFET为例，其短路电流大小受到门极电压的控制，存在如下关系：
Is＝KDevice(Vg-Vth)2
其中：Is为短路电流，KDevice为器件内部参数，Vg为门极驱动电压，Vth为IGBT芯片开通阈值电压。上式表明，芯片的短路电流受到门极驱动电压的直接控制，由于热敏元件检测电路的存在，驱动电压下降，对应地短路电流随着驱动电压的下降而下降，起到限流及均热的作用。
实施例3采用热敏开关作为热敏元件的IGBT模块并联芯片短路工况下的均热电路，如图5所示，热敏开关与分压电阻Rp串联，然后与IGBT芯片的G(门极)和E(发射极)端并联，与门极驱动电阻Rg构成并联芯片均流控制电路。热敏开关在低温时常开，温度超过阈值时闭合；短路工况下，当并联芯片温度超过阈值时，热敏开关闭合，驱动电压等于电阻Rp上面的并联分压值，电压降低，导通电阻加大，从而起到限制短路电流及均流作用。
实施例4采用热敏开关作为热敏元件的SiCMOSFET模块并联芯片短路工况下的均热电路，如图6所示，热敏开关与分压电阻Rp串联，然后与SiCMOSFET芯片的G(门极)和E(发射极)端并联，与门极驱动电阻Rg构成并联芯片均流控制电路。热敏开关在低温时常开，温度超过阈值时闭合；短路工况下，当并联芯片温度超过阈值时，热敏开关闭合，驱动电压等于电阻Rp上面的并联分压值，电压降低，导通电阻加大，从而起到限制短路电流及均流作用。
上述实施方式中采用热敏开关作为热敏元件，若设计热敏开关温度阈值为125℃，芯片的门极驱动电压下降。在短路状态下，结温迅速升高，超过125℃，热敏开关闭合，门极电压下降，如图7(a)和图7(b)所示，对应的输出阻抗也加大，并联芯片分流电流下降，同时也能够限制短路电流大小。
上述对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种适用于内部功率开关芯片在短路工况下均热的大功率半导体模块，包括有多个并联的功率开关芯片，其特征在于：每个功率开关芯片均连接有驱动电阻以及热敏元件；其中，驱动电阻的一端与功率开关芯片的门极以及热敏元件的一端相连，驱动电阻的另一端接外部设备提供的门极驱动信号，热敏元件的另一端与功率开关芯片的发射极或漏极相连，所述热敏元件紧贴功率开关芯片的表面以感应芯片的温度。
2.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于：所述热敏元件由热敏开关与分压电阻串联组成；其中，热敏开关的一端与功率开关芯片的门极相连，热敏开关的另一端与分压电阻的一端相连，分压电阻的另一端与功率开关芯片的发射极或漏极相连，热敏开关紧贴功率开关芯片的表面以感应芯片的温度。
3.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于：所述热敏元件采用负温度系数的热敏电阻。
4.根据权利要求1所述的功率半导体模块，其特征在于：所述驱动电阻以及热敏元件构成了驱动电压具有负温度特性的无源驱动及均流控制电路。
5.根据权利要求1或2所述的功率半导体模块，其特征在于：所述功率开关芯片采用IGBT模块或SiC MOSFET模块。
6.根据权利要求5所述的功率半导体模块，其特征在于：当所述功率开关芯片采用IGBT模块时，热敏元件的另一端与IGBT模块的发射极相连；当所述功率开关芯片采用SiCMOSFET模块时，热敏元件的另一端与SiC MOSFET模块的漏极相连。
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