一种用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路及方法

摘要

本发明公开了一种用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路及方法，通过巧妙利用温度的变化关系，将温升公式中IGBT和二极管温升物理特性，转化为实际检测过程中的温度的下降变化过程，进而通过求解IGBT与二极管在不同功耗下的降温曲线实现对功率模块的检测得到获取功率模块结温热阻值，测试电路简单，测试方法简单易控，利用PN结的温敏参数对结温进行直接测量，测量结果最接近实际温度，无需对功率模块进行特殊处理，适用于任意形式的功率模块，具有较强的适用性。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体测试技术领域，特别涉及一种用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路及方法。

背景技术

IGBT模块作为一种功率元件，通常封装有多个功率开关。每个功率开关(功率模块)由一个IGBT和一个二极管(英文：二极管)并联组成。应用中电流分时流过IGBT和二极管，产生大量的热量。当热量超过半导体所能承受的范围时，功率模块就会损坏。因此获取功率模块内部结温，调节控制算法限制内部热点温度不超过最高结温，对于保护功率模块具有重要意义。现有技术中通常通过计算获得内部结温，在计算内部结温过程中，如何获得较为精确的功率模块结温热阻值是急需解决的问题。

现有技术方法通常利用热敏电阻温度变化曲线以及结温响应曲线，依次求得开关器件的热敏阻抗曲线，进而对热敏阻抗曲线拟合得到热阻抗表达式，再利用热阻抗表达式得到二阶FOSTER热阻抗等效电路，进而建立热阻网络模型。该方法复杂，计算量大，适用于三相逆变器全桥电路，不适于单个功率模块(包括IGBT以及二极管)。

对单个功率模块而言，现有技术方法通常采用对功率模块进行开盖处理，去掉上盖后用热成像仪测量功率模块运行时内部芯片和二极管的温度，同时在功率模块的外壳上布置温度传感器，用来测量IGBT工作时外壳的温度，然后通过两者之间所测量的温度，计算出功率模块的结温热阻。但针对于该单个功率模块的热阻测试方法为了实现热成像仪测试、避免反射影响，需要将功率模块内部填充物做成黑色、需要将功率模块的芯片进行定制(能够被热成像仪检测到)，这种定制功率模块的制作成本极高；并且该测试方法需要对功率模块开盖，对注模型功率模块不适用，适用性不强。例如，申请号为2014100380886的中国专利公开的一种测量IGBT稳态热阻值的方法，通过IGBT器件的正面开帽，完全露出IGBT器件的芯片表面，通过红外热成像仪间接得到功率模块内部芯片和二极管的温度，测试成本高、准确性较差、且不适用于注模式功率模块或者双面冷却式功率模块。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中针对于单个功率模块结温热阻值测试方法所存在的测试成本高、准确性较差、不适用于注模式功率模块或者双面冷却式功率模块的缺陷，提供一种用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路及方法，本方法测试过程简单、测试成本较低，能够准备测试出单个功率模块的结温热阻模型。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路，包括：控制电路、第一恒流测试源、第二恒流测试源、电压源和加热电流源；所述电压源、加热电流源、第一恒流测试源、第二恒流测试源均连接于所述控制子电路，所述电压源、加热电流源、第一恒流测试源、第二恒流测试源均用于在所述控制电路的控制下连接至功率模块；其中，所述功率模块包括：IGBT和二极管；

所述控制电路用于控制所述第一恒流测试源输出第一测试电流至所述IGBT，获取预设测试电流条件下，所述IGBT的栅极和发射极之间的压降随所述IGBT的结温变化的曲线，拟合得到IGBT的温敏系数；

所述控制电路用于控制所述第二恒流测试源输出第二测试电流至所述二极管，获取预设测试电流条件下，所述二极管的正极和负极之间的压降随所述二极管的结温变化的曲线，拟合得到二极管的温敏系数；

所述控制电路还用于控制所述电压源输出电压至所述IGBT的栅极以使所述IGBT正向导通；在所述IGBT正向导通后，控制所述加热电流源输出加热电流至所述IGBT，以使所述IGBT结温升高；在所述IGBT结温稳定后，控制所述电压源与加热电流源停止输出加热电压与加热电流至所述IGBT，控制所述第一恒流测试源输出测试电流至所述IGBT，根据所述IGBT的温敏系数求得所述IGBT的第一降温曲线，以及，在所述IGBT结温稳定后，控制所述第二恒流测试源输出测试电流至所述二极管，根据所述二极管的温敏系数求得所述二极管的第一降温曲线，根据所述IGBT的第一降温曲线与所述二极管的第一降温曲线得到对IGBT加载功耗时的功率模块第一温升系数；

所述控制电路还用于控制所述加热电流源输出加热电流至所述二极管，以使所述二极管结温升高；在所述二极管结温稳定后，控制所述加热电流源停止输出加热电流至所述二极管，控制所述第一恒流测试源输出测试电流至所述IGBT，根据所述IGBT的温敏系数求得所述IGBT的第二降温曲线，以及，在所述二极管结温稳定后，控制所述第二恒流测试源输出测试电流至所述二极管，根据所述二极管的温敏系数求得所述二极管的第二降温曲线，根据所述IGBT的第二降温曲线与所述二极管的第二降温曲线得到对二极管加载功耗时的功率模块第二温升系数；

以及，根据所述功率模块第一温升系数与所述功率模块第二温升系数建立所述功率模块的结温热阻模型。

本发明利用半导体PN结的前向管压降与温度成线性关系的原理，针对IGBT和二极管两个发热部件，进行温度测量。IGBT测量对象为门极发射极间PN节电压Vge，二极管测量对象为二极管的前向PN节电压Vec(由于二极管反向并联在IGBT的集电极c发射极e之间，因此二极管的前向压降为Vec)。在温度测量中，分别对IGBT和二极管进行加热至稳态(即对IGBT和二极管分别加载不同的功率)，然后停止加热，测量Vge和Vec分别获得IGBT和二极管在两种不同的功率状态下的降温曲线，通过第一降温曲线来表征评价IGBT发热对IGBT、二极管的温度影响，第二降温曲线用于评价二极管发热对IGBT、二极管的温度影响。对两组降温曲线进行指数拟合，即可获得IGBT，二极管自身的热阻参数，以及IGBT，二极管相互的热阻的参数。

优选的，上述用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路中，所述控制电路包括：控制器和开关组件，其中，所述控制器与所述开关组件连接；

所述开关组件用于根据所述控制器的控制指令进行线路切换，以使所述第一恒流测试源、第二恒流测试源、电压源和加热电流源切换连接至所述功率模块。

优选的，上述用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路中，所述开关组件包括：第一开关、第二开关；

其中，所述第一开关的第一端与所述控制器连接，所述第一开关的第二端与所述IGBT的栅极连接，所述第一开关的第三端用于在所述控制器的控制指令下与所述电压源或所述第一恒流测试源连接；

其中，所述第二开关的第一端与所述控制器连接，所述第二开关的第二端与所述二极管的负极连接，所述第二开关的第三端用于在所述控制器的控制指令下与所述加热电流源或所述第二恒流测试源连接。

在本发明进一步的实施例中，还提供一种采用上述用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路来获取功率模块结温热阻模型的方法，包括：

控制第一恒流测试源输出第一测试电流至IGBT，获取预设测试电流条件下，所述IGBT的栅极和发射极之间的压降随所述IGBT的结温变化的曲线，拟合得到IGBT的温敏系数；控制第二恒流测试源输出第二测试电流至二极管，获取预设测试电流条件下，所述二极管的正极和负极之间的压降随所述二极管的结温变化的曲线，拟合得到二极管的温敏系数；

以及，控制所述电压源输出电压至所述IGBT的栅极以使所述待测IGBT正向导通；在所述IGBT正向导通后，控制所述加热电流源输出加热电流至所述IGBT，以使所述IGBT结温升高；在所述IGBT结温稳定后，控制所述电压源与加热电流源停止输出加热电压与加热电流至所述IGBT，控制所述第一恒流测试源输出测试电流至所述IGBT，根据所述IGBT的温敏系数求得所述IGBT的第一降温曲线，以及，在所述IGBT结温稳定后，控制所述第二恒流测试源输出测试电流至所述二极管，根据所述二极管的温敏系数求得所述二极管的第一降温曲线，根据所述IGBT的第一降温曲线与所述二极管的第一降温曲线得到对IGBT加载功耗时的功率模块第一温升系数；

控制所述加热电流源输出加热电流至所述二极管，以使所述二极管结温升高；在所述二极管结温稳定后，控制所述加热电流源停止输出加热电流至所述二极管，控制所述第一恒流测试源输出测试电流至所述IGBT，根据所述IGBT的温敏系数求得所述IGBT的第二降温曲线，以及，在所述二极管结温稳定后，控制所述第二恒流测试源输出测试电流至所述二极管，根据所述二极管的温敏系数求得所述二极管的第二降温曲线，根据所述IGBT的第二降温曲线与所述二极管的第二降温曲线得到对二极管加载功耗时的功率模块第二温升系数；

根据所述功率模块第一温升系数与所述功率模块第二温升系数建立所述功率模块的结温热阻模型。

优选的，上述获取功率模块结温热阻模型的方法中，通过下式建立所述功率模块的结温热阻模型：

其中，ΔT

优选的，上述获取功率模块结温热阻模型的方法中，利用功率模块内部的温度传感器进行温度测试，得到功率模块内部结温测试数，结合所述功率模块第一温升系数与所述功率模块第二温升系数建立功率模块的结温热阻模型。

优选的，上述获取功率模块结温热阻模型的方法中，在功率模块外部额外布置温度传感器进行温度测试，得到功率模块外部结温测试数；

结合功率模块内部结温测试数与所述功率模块第一温升系数与所述功率模块第二温升系数建立多节点功率模块的结温热阻模型。

优选的，上述获取功率模块结温热阻模型的方法中，将功率模块置于恒温箱中，通过改变恒温箱的温度，求取所述IGBT的栅极和发射极之间的压降随所述IGBT的结温变化的曲线以及所述二极管的正极和负极之间的压降随所述二极管的结温变化的曲线，拟合得到所述IGBT温敏系数与二极管温敏系数。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明巧妙利用温度的变化关系，将温升公式中IGBT和二极管温升物理特性，转化为实际检测过程中的温度的下降变化过程，进而通过求解IGBT加载功耗与二极管加载功耗下的两组降温曲线，实现对功率模块的检测得到获取功率模块结温热阻值，并且通过两组降温曲线协同作用能够更全面地表征功率模块(包括IGBT与二极管)的结温热阻特性，得到更精确的单个功率模块结温热阻模型。本发明所提供的测试电路简单，测试方法简单易控，利用PN结的温敏参数对结温进行直接测量，测量结果最接近实际温度，无需对功率模块进行特殊处理，适用于任意形式的功率模块，具有较强的适用性。

附图说明：

图1为用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路原理框图；

图2为用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路连接示意图1；

图3为用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路连接示意图2；

图4为用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路连接示意图3；

图5为用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路连接示意图4。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

图1示出了本发明示例性实施例的用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路原理框图，包括：控制电路、第一恒流测试源I

进一步的，所述控制电路包括：控制器和开关组件，其中，所述控制器与所述开关组件连接；所述开关组件用于根据所述控制器的控制指令进行线路切换，以使所述第一恒流测试源、第二恒流测试源、电压源和加热电流源切换连接至所述功率模块。进一步的如图2(控制器未示出)所示，所述开关组件包括：第一开关K

其中，所述第一开关K

其中，所述第二开关K

在本发明进一步的实施例中，上述用于获取功率模块结温热阻模型的测试电路通过以下方法获取功率模块结温热阻模型，包括：获取IGBT、二极管的PN结特性参数：在多个温度点测量Vge和Vec的电压值，对电压和温度进行线性拟合，获得IGBT和二极管的温敏参数方程：Vi＝ki*Ti+ai和Vd＝kd*Td+ad；对IGBT加热，测量Vge，Vec，获得IGBT和二极管在降温过程中的PN结电压曲线，通过步骤1的特性曲线，转化成温度降低曲线。对二极管加热，测量Vge，Vec，获得IGBT和二极管在降温过程中的PN结电压曲线，通过步骤1的特性曲线，转化成温度降低曲线。对温度降低曲线进行指数拟合T＝T

应用方法：

通过控制器软件实时计算IGBT和二极管的损耗，结合试验中获得的Zth，便可以计算出IGBT和二极管的温升。

其中ΔT

进一步的，本发明所述的获取功率模块结温热阻模型的测试方法具体技术方案和实施步骤如下：

1.1：确定IGBT的温度曲线

a)将功率模块置于恒温箱中，待温度稳定后，此时模块中IGBT和二极管结温与恒温箱温度相同。

b)记录恒温箱的温度数，获得此时IGBT的结温；

c)按图2连接测试电路，将K1连接至I1，记录V1的读数；

d)在两个温度点重复上述步骤，根据V＝k*T+a公式，可得出IGBT对应的温敏参数k

1.2：将功率模块设置在真实水冷环境中，冷却液使用额定流量，恒定温度。

1.3：对IGBT进行长时间加热，待温度稳定。

a)按图3连接测试电路，将K1连接U1，使IGBT开启，K2连接I0，电流经过开启的IGBT，从c流向e，对IGBT进行加热。

b)A0显示流过IGBT的电流，V2显示IGBT上的压降，则IGBT上的功率为P

1.4：测量IGBT的降温曲线(IGBT-IGBT)。

a)按附图4所示连接电路，关闭I0的电流输出，同时K1连接I1，使用V1连续测量V

b)使用V

1.5：为了保证二极管降温曲线的精度，此时可重复1.3，对IGBT先进行加热，再测量二极管的降温曲线(IGBT-二极管)。

a)按附图5所示连接电路，关闭I0的电流输出，同时K2连接I2，使用V2连续测量V

b)使用V

1.6：对两个降温曲线进行指数拟合后，获得功率模块的第一温升参数Zth

2.1：确定二极管的温度曲线

a)将功率模块置于恒温箱中，待温度稳定后，此时模块中IGBT和二极管结温与恒温箱温度相同。

b)记录恒温箱的温度数，获得此时二极管的结温；

c)将测试电路K2连接I2(电流从e流向c)，记录V2的读数；

2.2：将功率模块设置在真实水冷环境中，冷却液使用额定流量，恒定温度。

2.3：对二极管进行长时间加热，待温度稳定。

将测试电路K2连接I0，电流经过二极管从e流向c，对二极管进行加热。A0显示流过二极管的电流，V2显示二极管上的压降，则二极管上的功率为Pd＝A0*V2。

2.4：测量IGBT的降温曲线(二极管-IGBT)。

a)关闭I0的电流输出，同时K1连接I1，使用V1连续测量V

b)使用V

2.5：为了保证二极管降温曲线的精度，此时可重复2.3，对二极管先进行加热，测量二极管的降温曲线(二极管-二极管)。

a)关闭I0的电流输出，同时K2连接I2，使用V2连续测量V

b)使用V

2.7对数据进行指数拟合后，获得Zth

在本实施例中，我们通过对IGBT、二极管分别加热，求得两种功率下的第一降温曲线与第二降温曲线，通过第一降温曲线来表征评价IGBT发热对IGBT、二极管的温度影响，第二降温曲线用于评价二极管发热对IGBT、二极管的温度影响，通过两组曲线协同作用能够更全面地表征功率模块(包括IGBT与二极管)的结温热阻特性，得到更精确的单个功率模块结温热阻模型。

实施例2

对实施例1中的结温热阻值测试模型进行拓展，扩展到多节点的热阻模型，实现多节点的热阻网络。

在实际应用中，系统中可能缺少水温传感器，导致上述方法中的参考温度不可知。而功率模块内部通常会集成有一个温度传感器(ntc)，因此可以把ntc做为一个可测量的节点，放入到热阻模型中。在这种应用中，需要在上述测量过程中，各添加一组ntc的测量数据，从而获得四节点的模型(IGBT,二极管,ntc,coolant)。

由于ntc不发热，只需要在前述IGBT和二极管加热过程中，对ntc的降温曲线进行测量和计算，获得Zth

T

T

T

上述将实物抽象成数学模型的方法，能够有效的满足实用要求，且测试实现对系统也不用改造。当需要更高精度的应用时，需要将抽象模型复杂化，使数学模型进一步接近实物。进一步的，可在上述内部温度传感器测试点的基础上，额外增加两个可测量点，形成6节点的结温热阻测试模型。额外增加的两个温度测量点为：散热器表面IGBT正下方(hi)和散热器表面二极管正下方(hd)。这两个点位于发热元件(IGBT,二极管)的主要散热路径上，这两个点的温度更能体现IGBT和二极管的散热参数。在这两个测量点上，通过特殊加工手段，额外布置两个温度传感器，以测量这两个点的温度(T

以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。