基于通态特性的温敏电参数法中最常用的结温测试法主要是三种,大电流饱和压降法、小电流饱和压降法和阈值电压法。
本文则是详细对大电流饱和压降法进行介绍。
测试原理
大电流饱和压降法利用了IGBT导通压降与结温的线性关系,为了分析IGBT芯片的导通状态特性,可以将IGBT简化为1个PiN二极管和工作在线性区的MOSFET的串联结构,如下图所示。

IGBT的导通压降可以表示为PiN二极管和MOSFET压降和:
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PiN二极管部分的压降可以表示为:

k为玻尔兹曼系数,Tj为结温,q为电荷常数,JC为集电极电流密度,WN为漂移区宽度,Da为双极扩散系数,ni为本征载流子浓度,La为双极扩散长度,再其中:

其中VM为漂移区电压降。
MOSFET部分的压降为:

其中P为元胞尺寸,Lch为沟道长度,μni为沟道迁移率,Cox为栅氧电容,VGS为栅极驱动电压,Vth为器件阈值电压。
综上,IGBT导通压降VCE,sat等于两部分之和:

这个公式直接表明了,IGBT的VCEsat和结温之间在电流密度不变的情况下存在线性关系。
当栅极驱动电压较大时:
集电极电流密度较低,即IGBT小电流导通时,上式中PiN部分的压降占主要部分,此时IGBT的集电极电流以指数形式随导通压降的增加而增加;
当集电极电流密度较大时,即IGBT大电流导通时,则MOSFET部分的压降占主要部分,此时近似于PiN二极管串联一个电阻。
进一步综合表达式为:

所以,根据此式,
当电流密度小于其通态压降测量结温的拐点电流密度时,IGBT的通态压降随结温Tj的上升而下降,且JC越小,通态压降受结温的影响越明显,这是小电流饱和压降法的测试原理。
当电流密度JC大于大于其通态压降测量结温的拐点电流密度时,IGBT的通态压降随结温Tj的上升而上升,且JC越大,通态压降受结温影响越明显,这是大电流饱和压降法的测试原理。
比如,在下图TCP温度补偿点以下区域为负温度系数区域,一般小电流饱和压降法在这个区域进行;而在TCP温度以上则是正温度系数,为大电流下饱和压降法区域。

测试过程
在应用大电流饱和压降法测试结温前,必须先进行温度校准(K线)这也是建立实验器件的电参数与结温的关系,获得对应电流下,器件VCE与结温的关系曲线。
随后,在后续测试中将测试得到的电流和VCE根据温度校准曲线进行换算,从而得到IGBT器件的结温。
所以,温度校准实验是结温测量的第一步,也是结温测试的基础,只有保证温度校准的规范和准确,获得准确的温度校准曲线,才可以保证后续结温测试的准确性。
注意事项
大电流饱和压降法是目前应用最广泛的在线监测方法,测量前需要进行结温Tj-负载电流IL-饱和压降VCE之间关系曲线的绘制。
测试时直接利用通态下的饱和压降,这克服了小电流饱和压降法切换的问题。但是,这个方法的瓶颈在于除了满足通态饱和压降测量的高精度之外,还存在一个固有问题:功率模块中芯片和外部直接的焊接层、键合线等,这引入了寄生电阻,较大的通态电流会在寄生电阻上产生一个不可忽视的压降。当器件工作时,流经焊接层和键合线等的温度和芯片本身的温度存在差距,这就造成了芯片结温的测试误差。而且,器件会逐渐老化,负载电流下的饱和压降也会增长,对结温测试结果产生影响。
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