IGBT-Module Vier praktische Methoden zur Messung der IGBT-Sperrschicht-Temperatur in Traktionsumrichtern

Die Baustein-Temperatur ist einer der kritischsten Parameter bei der Dimensionierung eines Inverters für die Antriebstechnik. Trotzdem findet man kaum Untersuchungen über die virtuelle Sperrschicht-Temperatur Tvj im aktiven Traktionsumrichter. In diesem Beitrag werden vier praktische Methoden miteinander verglichen. Dabei wurde besonderes Augenmerk auf Messroutinen mit hoher Zeitauflösung gelegt, die auch das zeitabhängige Temperaturverhalten während einer Periode des sinusförmigen Ausgangs erfassen können.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Infineon Technologies AG

Die optimale Dimensionierung eines Inverters setzt genaue Kenntnis über die Stressbelastung der Halbleiter-Komponenten voraus. Während alle elektronischen Parameter mit einem Standard-Oszilloskop und Strom- bzw. Spannungstastköpfen relativ einfach erfasst werden können, ist die Messung der Chip-Temperatur während des Inverter-Betriebs aufwändiger. Die thermische Dimensionierung erfolgt daher oft auf Basis der vom Hersteller spezifizierten Werte (z.B. den thermischen Widerständen der IGBT-Module und Kühlkörper) in Kombination mit einer Simulation der Verluste. Im Folgenden wird die theoretische Vorhersage der Sperrschicht-Temperatur mit vier verschiedenen Messverfahren (Infrarot-Kamera, Thermoelement IR-Sensor und interner Gate-Widerstand des IGBT) verglichen.

Der Messaufbau nutzt einen pulsgesteuerten 3-Phasen-Inverter mit wassergekühlten 6,5-kV-IGBTs. Um die Temperatur mit einem IR-Sensor oder einer IR-Kamera messen zu können, muss die Oberfläche des IGBT freigelegt sein. Aus diesem Grund wird hier das für die hohe Isolierung erforderliche Dielektrikum vom Modul entfernt. Um einen Überschlag zu verhindern, ist die DC-Link-Spannung für die Messungen daher auf 2 kV begrenzt. Die Betriebsbedingungen sind: ICmax = 980 A; f0 = 20 Hz; fSW = 400 Hz; cosΦ = 0,01; Ta = 30 °C.

Die thermische Simulation mit der Software IPOSIM

IPOSIM von Infineon ist ein Simulations-Tool für die Berechnung der Leistungsverluste und thermischen Belastungen von IGBT-Modulen. Damit können Schalt- und Leitungsverluste von IGBTs oder Freilauf-Dioden für verschiedene Schaltungskonfigurationen ermittelt werden, insbesondere für Dreiphasen-Inverter mit sinusförmigem Ausgangsstrom. Entsprechend den Voreinstellungen der Betriebsbedingungen (wie VCC, IC, fSW, f0…) durch den Anwender kann die Sperrschicht-Temperatur Tvj berechnet werden. Für eine bestmögliche Vergleichbarkeit werden die per Experiment ermittelten thermischen Werte Zth für die Kalkulation herangezogen.

Temperaturmessung mit der IR-Kamera

Die temperaturabhängige Intensität der elektromagnetischen Strahlung eines Körpers ist durch das Plancksche Strahlungsgesetz gegeben. Dieser Zusammenhang kann für die Untersuchung der Oberflächen-Temperatur der IGBTs herangezogen werden. Um einen Emissionsgrad von etwa 1 zu erreichen, muss die Oberfläche mit einem entsprechenden Material versehen sein. Die jeweilige Wellenlänge, bei der das Intensitätsmaximum der emittierten Strahlung vorkommt, liegt im infraroten Spektralbereich. Mit IR-Kameras kann man sowohl die Temperaturverteilung des Moduls als auch die Temperaturmessung an allen Chips parallel durchführen. Ein entsprechendes Bild ist in der Tabelle 1 (1B) dargestellt.

Voraussetzung für eine hohe Zeitauflösung mit der IR-Kamera ist eine geringe Integrationszeit in der fokalen Ebene. Es muss daher ein Kompromiss gemacht werden zwischen der erforderlichen Zeitauflösung und der notwendigen Intensität, um die Temperatur selbst zu messen. Es wurde eine Integrationszeit von 0,6 ms gewählt, um eine gute Auflösung für die 50-ms-Priode des Ausgangsstromes zu erhalten. Die Abtastrate der IR-Kamera wurde auf 19,5 Hz eingestellt im Vergleich zu f0 = 20 Hz des Laststromes.

Der kleine Unterschied zwischen den beiden Frequenzen führt zu einer sequentiellen Abtastung der Temperatur über viele Perioden unter konstanten Bedingungen. In diesem Fall beträgt die Zeitspanne zwischen zwei Abtastpunkten 1,28 ms, was zu 39 Abtastpunkten für eine 50-ms-Periode führt. Die in der Tabelle 1 (1C) dargestellten Temperaturen für IGBT a) und IGBT b) wurden über ihre Chip-Fläche analysiert, während der IGBT c) über die Mitte des Chips untersucht wird, wo der RGINT positioniert ist.

Die mittlere Temperatur des IGBT a) mit etwa 64 °C passt sehr gut zum simulierten Wert von 65 °C. Es kann festgestellt werden, dass die Tvjav des Chip a), der sich etwa im Zentrum des Modules befindet, um etwa 3 K höher als die von Chip b) mit etwa 61 °C ist. Dieser bekannte Effekt wird durch die laterale Wärmespreizung in dem Modul verursacht und wird bei der Charakterisierung und Spezifizierung beachtet.

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