Tvj - IGBT元宇宙中的結(jié)溫

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在IGBT應(yīng)用中，結(jié)溫是經(jīng)常使用的一個(gè)參數(shù)，大部分讀者應(yīng)該都很熟悉這個(gè)概念，但是這和元宇宙有什么關(guān)系呢？

我想先請(qǐng)大家考慮一個(gè)問題：

IGBT結(jié)溫到底是指具體哪兒的溫度？。。。

你們是不是已經(jīng)開始上百度搜索答案了？

我在百度百科以及維基百科搜索出結(jié)溫的解釋大概是這樣的：晶體管結(jié)溫，簡(jiǎn)稱結(jié)溫，是指半導(dǎo)體芯片內(nèi)的最高工作溫度，通常芯片的結(jié)溫會(huì)比芯片的外殼高。。。

原來結(jié)溫就是芯片內(nèi)部最高點(diǎn)的溫度，但是溫度最高點(diǎn)具體是在哪兒呢？怎么測(cè)量出這個(gè)點(diǎn)的溫度？

聊到這里，就呼應(yīng)上了文章標(biāo)題提到的元宇宙概念。

“

元宇宙本質(zhì)上是對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的虛擬化、數(shù)字化過程。大家平時(shí)常說的IGBT結(jié)溫其實(shí)是現(xiàn)實(shí)世界IGBT芯片虛擬化后的溫度，大家是否注意到在IGBT器件datasheet里的結(jié)溫代號(hào)是Tvj，這里的”v”是什么意思？其實(shí)v是指virtual，Tvj就是virtual junction temperature——虛擬的結(jié)溫。

為什么要用虛擬結(jié)溫來描述IGBT的芯片溫度呢？真實(shí)的溫度是多少就多少唄，干嘛要玩虛的？

原因很簡(jiǎn)單，就是IGBT芯片的溫度并不是均勻的。

IGBT模塊里的一個(gè)芯片，芯片導(dǎo)通電流發(fā)熱時(shí)，通過紅外成像儀拍攝出的照片可以看出芯片表面的溫度分布情況。我們可以看出芯片中部溫度高，四周溫度低，并且芯片上綁定線的溫度比芯片表面更高。還需要注意一點(diǎn)，就是綁定線和芯片表面的溫差并不是固定不變的，而是隨著電流增加而升高的。

在實(shí)際應(yīng)用中IGBT模塊或分立器件內(nèi)部的芯片并不是裸露出來的，我們無法用紅外成像儀實(shí)際的測(cè)試芯片溫度。此外在芯片上貼溫度傳感器（熱電偶）的辦法也不靠譜，因?yàn)闊犭娕荚谛酒煌恢脮?huì)測(cè)出不同的溫度，并且粘合點(diǎn)的緊密程度會(huì)影響測(cè)溫結(jié)果。

還有就是一個(gè)IGBT模塊里有很多芯片并聯(lián)，當(dāng)IGBT模塊在發(fā)熱時(shí)，每個(gè)芯片的實(shí)測(cè)溫度也是不同的，那一個(gè)IGBT模塊的Tvj到底是指哪個(gè)芯片的溫度呢？

要理解Tvj的定義，首先我們要了解IGBT模塊或分立器件的熱阻Rth是如何測(cè)量的。

關(guān)于IGBT模塊熱阻測(cè)量有一篇史前權(quán)威文獻(xiàn)，就是Dr. Reinhold Bayerer 在1989年PICM上發(fā)表的論文“Measuring the Thermal Resistance of IGBT Modules”.

這篇文章介紹了IGBT在流過一確定的電流時(shí)，IGBT的Vcesat值是隨芯片溫度線性變化的。如下圖所示，抱歉史前文獻(xiàn)的畫質(zhì)欠佳。

利用這個(gè)特點(diǎn)可以幫助我們測(cè)量IGBT模塊的熱阻，具體測(cè)量辦法在英飛凌的應(yīng)用手冊(cè)“AN2015-10 Transient Thermal Measurements and thermal equivalent circuit models”里也有更詳細(xì)的介紹。

首先需要用加熱設(shè)備把被測(cè)IGBT模塊均勻的加熱到一個(gè)確定的溫度，然后用1/1000 Ic_nominal的電流作為基準(zhǔn)電流I_ref，測(cè)量這個(gè)被測(cè)IGBT模塊在此溫度下流過I_ref時(shí)的Vcesat。在各個(gè)溫度下這么測(cè)一次，就可以描出如下圖所示的結(jié)溫和Vcesat標(biāo)定線。

首先需要用加熱設(shè)備把被測(cè)IGBT模塊均勻的加熱到一個(gè)確定的溫度，然后用1/1000 Ic_nominal的電流作為基準(zhǔn)電流I_ref，測(cè)量這個(gè)被測(cè)IGBT模塊在此溫度下流過I_ref時(shí)的Vcesat。在各個(gè)溫度下這么測(cè)一次，就可以描出如下圖所示的結(jié)溫和Vcesat標(biāo)定線。

（以下部分是介紹測(cè)量IGBT模塊熱阻的具體方法，如果已經(jīng)對(duì)此有了解的可以跳過這部分。）

在得到了IGBT結(jié)溫和Vcesat關(guān)系后，就是測(cè)量IGBT模塊的殼溫以及散熱器溫度了。一般是在散熱器上對(duì)應(yīng)IGBT模塊芯片位置的正下方埋上熱電偶，如下圖所示。

定義上圖中這兩個(gè)熱電偶位置測(cè)量的溫度分別是IGBT模塊殼溫Tc、和散熱器溫度Th。

測(cè)量電路拓?fù)淙缦聢D所示：

這里有一個(gè)負(fù)責(zé)加熱的大電流源提供heating current，電流值一般為Ic_nominal同數(shù)量級(jí)，這個(gè)電流持續(xù)流過被測(cè)IGBT模塊，使其發(fā)熱并持續(xù)達(dá)到熱平衡。同時(shí)還有一個(gè)測(cè)量電流源持續(xù)提供I_ref流過IGBT模塊。

在t=0時(shí)刻突然把heating current切斷，但是I_ref還保持流通。

如上圖所示，在t=0時(shí)刻之后，I_ref流通產(chǎn)生的Vcesat表征了IGBT結(jié)溫Tj的下降過程，同時(shí)Tc和Tj也同時(shí)通過熱電偶實(shí)測(cè)得出。通過Tj和Tc隨時(shí)間變化關(guān)系可以換算出IGBT模塊熱阻抗。

為了方便數(shù)學(xué)公式表達(dá)，一般會(huì)使用Foster模型表示熱阻抗Zth，下圖為Foster模型下的熱阻抗網(wǎng)絡(luò)。

熱阻抗公式：

熱阻抗曲線：

當(dāng)然，除了上面介紹的測(cè)量方式還有其他可以獲得熱阻抗的方法，例如最近幾年很熱門的結(jié)構(gòu)函數(shù)推導(dǎo)，這里就不詳細(xì)介紹了，大家如果感興趣看看JESD-51-14。

可能各位讀者看到這里會(huì)覺得波老師是不是跑題了，其實(shí)并沒有跑題，因?yàn)門vj結(jié)溫就是基于這個(gè)熱阻抗Zth(t)計(jì)算出來的。

總結(jié)一下Tvj定義的邏輯大概是這個(gè)樣子：

在溫箱中均勻的溫度環(huán)境下達(dá)到熱平衡后，樣品IGBT模塊所有芯片和部件的溫度完全一致，這時(shí)可以認(rèn)為溫箱的溫度就是IGBT實(shí)際結(jié)溫。比如說溫箱是120℃，那溫箱內(nèi)IGBT芯片實(shí)際溫度可認(rèn)為是理想的120℃

此時(shí)120℃的樣品IGBT芯片實(shí)測(cè)出在I_ref電流時(shí)的Vcesat，比如說是0.5V。

當(dāng)此樣品IGBT模塊安裝到熱阻測(cè)試臺(tái)的散熱器上，通過幾百安培直流電流發(fā)熱時(shí)，其實(shí)IGBT模塊內(nèi)部并聯(lián)芯片的溫度是不一致的。但是即使溫度不均，但是IGBT模塊還是會(huì)在通過I_ref值時(shí)呈現(xiàn)一個(gè)確定的Vcesat，例如恰巧實(shí)測(cè)的Vcesat還是0.5V。

這時(shí)IGBT模塊的Tvj就是120℃，因?yàn)樗碚鳒囟鹊腣cesat=0.5V，和芯片在理想均勻的120℃時(shí)Vcesat測(cè)試值相同。但其實(shí)真實(shí)的芯片結(jié)溫可能中間這片表面中心位置125℃，綁定線130℃，而邊上的芯片表面只有110℃.

在實(shí)際IGBT模塊應(yīng)用中，也不可能用I_ref電流去測(cè)Vcesat推算Tvj，因此實(shí)際應(yīng)用中我們提到的Tvj就是實(shí)測(cè)基準(zhǔn)溫度（例如進(jìn)風(fēng)口溫度）疊加上熱阻的溫升推算出來的，甚至還可以通過瞬態(tài)熱阻抗網(wǎng)絡(luò)推導(dǎo)出動(dòng)態(tài)Tvj的波動(dòng)，例如下圖中這類電動(dòng)車啟動(dòng)加速到剎車停車的IGBT模塊Tvj波動(dòng)。

總 結(jié)

總而言之，IGBT模塊在現(xiàn)實(shí)工況中的結(jié)溫是復(fù)雜分布，且瞬息變化的，像上圖中這種頻率的溫度波動(dòng)基本是不太可能通過物理方式測(cè)量的。而IGBT模塊的Foster Zth模型就是在元宇宙中的熱模型，Tvj就是基于Zth熱模型推導(dǎo)出來的溫度。

這就像是一個(gè)現(xiàn)實(shí)世界中的人，身上每個(gè)器官每個(gè)細(xì)胞在微觀視角中都是時(shí)刻處于變化的，而我們?cè)谠钪嬷械奶摂M身份并不會(huì)包含那么多的微觀細(xì)節(jié)，一個(gè)簡(jiǎn)單的形象甚至是抽象的代號(hào)都可以指代一個(gè)人，但這并不影響我們?cè)谖⑿派匣ハ嗔奶旎ハ帱c(diǎn)贊。

而IGBT也是一樣，在仿真計(jì)算中，我們不需要關(guān)心那些復(fù)雜的溫度梯度分布，只需要用一個(gè)歸一化的Tvj就可以指代這個(gè)模塊芯片的大概溫度狀態(tài)。而英飛凌在標(biāo)定IGBT模塊安全工作區(qū)時(shí)已經(jīng)留了足夠的裕量，所以客戶只需要關(guān)心Tvj有沒有超過上限就可以了，而不需要深入分析模塊內(nèi)芯片溫度分布以及甚至綁定線的溫度。廠家操心多一點(diǎn)點(diǎn)，客戶操心就少一點(diǎn)點(diǎn)。祝大家大IGBT的元宇宙中玩得愉快！

出處。