Sensorlose Messung der Chiptemperatur bei leistungselektronischen Komponenten

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Der Chip selbst ist der Temperatursensor

Die Verwendung externer Temperatursensoren ist schwierig, da die Oberfläche des Leistungschips im Modul meist nicht zugänglich ist. Daher bietet es sich an, einen temperaturabhängigen Parameter des Chips zur Messung der Chiptemperatur heranzuziehen und somit den Chip selbst als Sensor zu verwenden. Für einen IGBT ist der temperaturabhängige Vorwärtsspannungsabfalls bei kleinem Messstrom ein besonders geeignetes Verfahren, da für die heute eingesetzten Bauelemente der Temperaturkoeffizient nahezu linear ist. Für einen konstanten Messstrom von 100 mA ergibt sich eine typische Temperaturabhängigkeit von ungefähr 2 mV/K. Eine Kalibrierung muss für jedes Bauelement vor der Messung durchgeführt werden, weil der Temperaturkoeffizient technologiebedingt einer gewissen Exemplarstreuung unterliegt.

Hat man diese Kalibrierkurve bestimmt, so lässt sich die Chiptemperatur nach Abschalten eines Lastimpulses ermitteln, indem man den Messstrom durch das Bauelement fließen lässt und den Spannungsabfall bestimmt; dieses Verfahren wird meist kurz VCE(T)-Methode genannt. Allerdings muss beachtet werden, dass das Bauelement zunächst ins elektrische Gleichgewicht kommen muss, bevor die Temperaturmessung erfolgen kann. Diese sogenannte Rekombinationszeit beträgt bei modernen IGBTs etwa 50 µs, sodass eine Temperaturmessung unter 0,1 ms nach Abschalten möglich ist. Eine solche Zeitauflösung ist mit externen Sensoren kaum zu erreichen. War der IGBT vor Abschalten des Lastimpulses im thermisch stationären Zustand, so kann die Abkühlkurve zwischen 100 µs und mehreren Sekunden gemessen und daraus ein korrektes thermisches Foster-Netzwerk bestimmt werden.

Die geometrische Bedeutung der ermittelten Temperatur

Die Kalibrierung erfolgt bei homogener Erwärmung des Chips in einem Ofen oder auf der Heizplatte. Im aktiven Betrieb jedoch ist der Leistungs-Chip nicht gleichmäßig erwärmt, sondern weist einen lateralen Temperaturgradienten auf (Bild 1). Dieser kann bei effektiver Kühlung und großen Chips zu Temperaturdifferenzen von 40 °C und mehr Anlass geben. Die Frage ist nun, welche geometrische Bedeutung die mittels VCE(T)-Methode bestimmte Temperatur eigentlich hat.

Diese Frage wurde in einer Studie näher untersucht. Für den in Bild 1 dargestellten Fall einer in den IGBT eingeprägten Verlustleistung von 273 W wurde eine VCE(T)-Messung durchgeführt, die eine virtuelle Grenzschichttemperatur von 108,5 °C lieferte. Um die geometrische Bedeutung dieses Temperaturwertes zu veranschaulichen, wurde ein dreidimensionales Modell des Modulaufbaus einschließlich Kühlkörper generiert. Durch Anpassung der effektiven Schichtdicke der Wärmeleitpaste und des Wärmeübergangs zwischen Kühlkörper und Kühlwasser konnte das thermische Verhalten des realen Systems in guter Näherung nachgebildet werden.

Bild 2 zeigt den Vergleich der gemessenen und simulierten Chiptemperatur längs eines Diagonalschnitts durch das Chipzentrum. Der nicht mit Verlustleistung beaufschlagte Gate-Bereich und die in der Messung erkennbare Abschattung der Chiptemperatur durch die Bonddrähte wurden in der Simulation nicht berücksichtigt.

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