受温升和热阻影响寿命，如何苹果 IGBT 可靠性？

IGBT失效的机理通常都与一个参量有很大的关系，就是"热"。在较大功率的情况下，由于IGBT的各种损耗产生大量的热，这将直接影响器件的温升和热应力，导致其工作寿命缩减，同时还会对周围的器件产生影响。所以，IGBT工作的温升和热阻是影响其寿命，评估其可靠性的重要参数之一，也是我们设计时比较关注的重要参数。

之前也简单聊过热阻的一些概念：

何谓“热阻”？
目前，基于电学法测量IGBT热阻的方法有：

①IGBT工作在线性区或者饱和区时，以集电极电压Vce作为热敏感参数的测量方法；

②调整栅极控制IGBT工作区域，并以集电极电压作为热敏感参数的测量方法，如TH系列热阻测试仪所采样的方法；

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温升和热阻的测量原理
小电流下半导体PN结电压随温度变化具有非常好的线性，利用这一点测量器件的工作温升和热阻，即通过半导体器件结电压随温度的线性变化作为温敏参数，测量其工作条件下温敏参数的变化，进而来测量温升和热阻。

利用温敏参数测量温升前，需要对其进行校准。即将被测器件(DUT)设置在两个或多个已知温度下，测量相应温度下温敏参数，可得温度系数α=(u2-u1)/(T2-T1)。

测量温升时将器件放置在一个恒温平台上，器件工作之后，电功率将产生热量使得器件内部温度升高，由于恒温平台的温度保持不变，只要测出结电压前后变化量Δu，再除以温度系数α变能够得到器件的工作温升，即ΔT=Δu/α，进而得到器件的热阻RT=ΔT/P。
 

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热敏感参数的选取
当选取不同的参数时，我们测得的热阻值可能会有所不同，实验时应当合理地选取热敏参数。初步选取可选取的热敏参数有：

①栅-集电极短路时，集电极电流为恒定电流时的集射极电压uce；

②栅-集电极短路时，集射极电压恒定时的发射极电流ie。

下面我们针对这两种热敏参数进行对比：

➤如下图：

将IGBT的栅-集电极短路，在发射极串联一个电流表，并在短路点α加一个直流电压源。将5个器件固定好放入温箱中，在20~125℃范围内设置5个温度点，电压源分别设置为3V，4V，5V，观察并记录电流ie，绘制其随温度变化的曲线：

可见，当电压恒定时，电流ie随温度变化呈非线性，且ie数字较小，易受到外界的干扰。

➤如下图：

将IGBT的栅-集电极短路，在短路点a加一个直流电流源，并在a点与发射极之间并联一个电压表。将5个器件固定好放入温箱中，在20~125℃范围内设置6个温度点，电流源分别设置为0.1mA，1mA，观察并记录uce，绘制其随温度变化的曲线：

可见，当电流恒定时，uce随温度变化的线性度较好，所以选取栅-集电极短路，集电极电流为小电流时的uce作为热敏感参数较为合理。

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IGBT温升和热阻的测量
测试电流的选取
测试温度系数前，首先要选定合适的测试电流im，而检验im是否合适的简易方法就是快速重复的进行测试。若正向电压降保持稳定没有发生漂移，则说明已经克服了漏电流的影响，而其值没有持续下降，则说明芯片的发热可以忽略不计。我们假设就选取0.1mA和1mA。

校准曲线的测量
测量时，将被测器件放在温箱中，保持一定的温度，在栅-集电极短路端加im，测量各温度下的uce，每一温度点的平衡时间为20min，以保证器件与温箱达到很好的热平衡。根据uce绘制的曲线便是我们所需的校准曲线，进而可以得到温度系数α。所得到的校准曲线我们可以通过软件进行拟合，得到线性函数，以减小实验中的各种误差。实验中，我们可以改变测试电流im，得到不同电流下的uce校准曲线作为对比。

下图是某规格IGBT在测试电流0.1mA和1mA下，30~120℃范围内测得的校准曲线：

我们对测试电流为0.1mA时的校准曲线做拟合，得到线性函数曲线，以此作为结温计算的依据，如下图：

热阻测试电路如下：

这里我们定义开关闭合为t1时刻，断开为t2时刻。在栅-集电极短路端同时施加测试电流im和加热电流ic，并闭合开关，测得t1时刻uce1，由于ic远大于im，所以我们可以认为器件的功率近似为P=ic*uce1。

20min后，器件壳温趋于温度，测量壳温Tc，并断开ic，同时示波器测量uce，并记录其变化曲线，如下图：

读取曲线数值，根据半导体器件冷响应曲线，取时间轴t的平方根√t，如下图：

由得到的函数曲线外推至断开加热电流Ic时，t2时刻的uce2，根据之前的校准曲线的拟合曲线推出此时刻的结温Tj，则ΔT=Tj-Tc，并于R=ΔT/P得到该型号IGBT的热阻。

最后，上述测量热阻的方式比较适合分立式IGBT热阻的测量。为分立式器件的结构相对比较简单，IGBT模块的话，存在芯片并联，以及芯片之间的热耦合的影响，需要采取另外的测试方式。