Tvj - IGBT元宇宙中的结温

///

 

在IGBT应用中，结温是经常使用的一个参数，大部分读者应该都很熟悉这个概念，但是这和元宇宙有什么关系呢？
 

 

我想先请大家考虑一个问题：

IGBT结温到底是指具体哪儿的温度？。。。

 

你们是不是已经开始上百度搜索答案了？

 

我在百度百科以及维基百科搜索出结温的解释大概是这样的：晶体管结温，简称结温，是指半导体芯片内的最高工作温度，通常芯片的结温会比芯片的外壳高。。。

 

原来结温就是芯片内部最高点的温度，但是温度最高点具体是在哪儿呢？怎么测量出这个点的温度？

 

聊到这里，就呼应上了文章标题提到的元宇宙概念。

 

“

元宇宙本质上是对现实世界的虚拟化、数字化过程。大家平时常说的IGBT结温其实是现实世界IGBT芯片虚拟化后的温度，大家是否注意到在IGBT器件datasheet里的结温代号是Tvj，这里的”v”是什么意思？其实v是指virtual，Tvj就是virtual junction temperature——虚拟的结温。

为什么要用虚拟结温来描述IGBT的芯片温度呢？真实的温度是多少就多少呗，干嘛要玩虚的？

原因很简单，就是IGBT芯片的温度并不是均匀的。

IGBT模块里的一个芯片，芯片导通电流发热时，通过红外成像仪拍摄出的照片可以看出芯片表面的温度分布情况。我们可以看出芯片中部温度高，四周温度低，并且芯片上绑定线的温度比芯片表面更高。还需要注意一点，就是绑定线和芯片表面的温差并不是固定不变的，而是随着电流增加而升高的。

在实际应用中IGBT模块或分立器件内部的芯片并不是裸露出来的，我们无法用红外成像仪实际的测试芯片温度。此外在芯片上贴温度传感器（热电偶）的办法也不靠谱，因为热电偶在芯片不同位置会测出不同的温度，并且粘合点的紧密程度会影响测温结果。

 

还有就是一个IGBT模块里有很多芯片并联，当IGBT模块在发热时，每个芯片的实测温度也是不同的，那一个IGBT模块的Tvj到底是指哪个芯片的温度呢？

 

要理解Tvj的定义，首先我们要了解IGBT模块或分立器件的热阻Rth是如何测量的。

 

关于IGBT模块热阻测量有一篇史前权威文献，就是Dr. Reinhold Bayerer 在1989年PICM上发表的论文“Measuring the Thermal Resistance of IGBT Modules”.

 

 

这篇文章介绍了IGBT在流过一确定的电流时，IGBT的Vcesat值是随芯片温度线性变化的。如下图所示，抱歉史前文献的画质欠佳。

 

 

利用这个特点可以帮助我们测量IGBT模块的热阻，具体测量办法在英飞凌的应用手册“AN2015-10 Transient Thermal Measurements and thermal equivalent circuit models”里也有更详细的介绍。

 

首先需要用加热设备把被测IGBT模块均匀的加热到一个确定的温度，然后用1/1000  Ic_nominal的电流作为基准电流I_ref，测量这个被测IGBT模块在此温度下流过I_ref时的Vcesat。在各个温度下这么测一次，就可以描出如下图所示的结温和Vcesat标定线。

 

 

首先需要用加热设备把被测IGBT模块均匀的加热到一个确定的温度，然后用1/1000  Ic_nominal的电流作为基准电流I_ref，测量这个被测IGBT模块在此温度下流过I_ref时的Vcesat。在各个温度下这么测一次，就可以描出如下图所示的结温和Vcesat标定线。

 

（以下部分是介绍测量IGBT模块热阻的具体方法，如果已经对此有了解的可以跳过这部分。）

 

在得到了IGBT结温和Vcesat关系后，就是测量IGBT模块的壳温以及散热器温度了。一般是在散热器上对应IGBT模块芯片位置的正下方埋上热电偶，如下图所示。

 

 

定义上图中这两个热电偶位置测量的温度分别是IGBT模块壳温Tc、和散热器温度Th。

 

测量电路拓扑如下图所示：

 

 

这里有一个负责加热的大电流源提供heating current，电流值一般为Ic_nominal同数量级，这个电流持续流过被测IGBT模块，使其发热并持续达到热平衡。同时还有一个测量电流源持续提供I_ref流过IGBT模块。

 

在t=0时刻突然把heating current切断，但是I_ref还保持流通。

 

 

如上图所示，在t=0时刻之后，I_ref流通产生的Vcesat表征了IGBT结温Tj的下降过程，同时Tc和Tj也同时通过热电偶实测得出。通过Tj和Tc随时间变化关系可以换算出IGBT模块热阻抗。

 

为了方便数学公式表达，一般会使用Foster模型表示热阻抗Zth，下图为Foster模型下的热阻抗网络。

 

热阻抗公式：

热阻抗曲线：

 

当然，除了上面介绍的测量方式还有其他可以获得热阻抗的方法，例如最近几年很热门的结构函数推导，这里就不详细介绍了，大家如果感兴趣看看JESD-51-14。

 

可能各位读者看到这里会觉得波老师是不是跑题了，其实并没有跑题，因为Tvj结温就是基于这个热阻抗Zth(t)计算出来的。

 

总结一下Tvj定义的逻辑大概是这个样子：

在温箱中均匀的温度环境下达到热平衡后，样品IGBT模块所有芯片和部件的温度完全一致，这时可以认为温箱的温度就是IGBT实际结温。比如说温箱是120℃，那温箱内IGBT芯片实际温度可认为是理想的120℃

此时120℃的样品IGBT芯片实测出在I_ref电流时的Vcesat，比如说是0.5V。

当此样品IGBT模块安装到热阻测试台的散热器上，通过几百安培直流电流发热时，其实IGBT模块内部并联芯片的温度是不一致的。但是即使温度不均，但是IGBT模块还是会在通过I_ref值时呈现一个确定的Vcesat，例如恰巧实测的Vcesat还是0.5V。

 

这时IGBT模块的Tvj就是120℃，因为它表征温度的Vcesat=0.5V，和芯片在理想均匀的120℃时Vcesat测试值相同。但其实真实的芯片结温可能中间这片表面中心位置125℃，绑定线130℃，而边上的芯片表面只有110℃.

在实际IGBT模块应用中，也不可能用I_ref电流去测Vcesat推算Tvj，因此实际应用中我们提到的Tvj就是实测基准温度（例如进风口温度）叠加上热阻的温升推算出来的，甚至还可以通过瞬态热阻抗网络推导出动态Tvj的波动，例如下图中这类电动车启动加速到刹车停车的IGBT模块Tvj波动。

 

总 结

总而言之，IGBT模块在现实工况中的结温是复杂分布，且瞬息变化的，像上图中这种频率的温度波动基本是不太可能通过物理方式测量的。而IGBT模块的Foster Zth模型就是在元宇宙中的热模型，Tvj就是基于Zth热模型推导出来的温度。

 

这就像是一个现实世界中的人，身上每个器官每个细胞在微观视角中都是时刻处于变化的，而我们在元宇宙中的虚拟身份并不会包含那么多的微观细节，一个简单的形象甚至是抽象的代号都可以指代一个人，但这并不影响我们在微信上互相聊天互相点赞。

 

而IGBT也是一样，在仿真计算中，我们不需要关心那些复杂的温度梯度分布，只需要用一个归一化的Tvj就可以指代这个模块芯片的大概温度状态。而英飞凌在标定IGBT模块安全工作区时已经留了足够的裕量，所以客户只需要关心Tvj有没有超过上限就可以了，而不需要深入分析模块内芯片温度分布以及甚至绑定线的温度。厂家操心多一点点，客户操心就少一点点。祝大家大IGBT的元宇宙中玩得愉快！

出处。