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

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Infineon Technologies AG

Die Messung der Temperatur mit dem Thermoelement

Ein gängiger Weg zur Temperaturmessung nutzt den thermoelektrischen Effekt. Um die Temperatur Tvj zu messen, wird ein Typ-K-Thermoelement auf die Oberfläche des IGBT-Chip in der Position a) geklebt. Der verwendete Kleber weist eine geringe thermische Impedanz auf. In der Tabelle 1 (2A) ist ein IGBT mit aufgeklebtem Thermoelement in der Nähe des Emitter-Zentrums zu sehen.

Der Vorteil des Thermoelements liegt in dessen Linearität innerhalb des üblichen Chip-Temperaturbereiches. Um die Thermo-Spannung als zur Temperatur proportionales Signal zu nutzen, muss diese verstärkt werden. Die charakteristische Kalibrierungskurve der verstärkten Thermospannung ist in Tabelle 1 (2B) dargestellt. Da die Zeitkonstante des Thermoelements im Bereich von 200 ms liegt, kann die Temperatur-Welligkeit (Ripple) mit 20 Hz nicht aufgelöst werden. Die in Tabelle 1 (2C) dargestellte Durchschnittstemperatur Tvjav von etwa 65 °C stimmt sehr gut mit der Simulation und mit dem Ergebnis der IR-Kamera überein.

Die kontaktlose Temperaturerfassung mit dem IR-Sensor

IR-Sensoren für einen definierten Raumwinkel sind kommerziell verfügbar. Diese Sensoren ermöglichen eine kontaktlose Temperatur-Messung der Chip-Oberfläche. Tabelle 1 (3A) zeigt den auf dem 6,5-kV-IGBT-Chip aufgebrachten Sensor. Der Sensor hat ein Verhältnis von 1:2 für den Abstand von der Oberfläche zum Durchmesser des gemessenen Bereiches. Der Abstand wurde so gewählt, um die zu untersuchende Fläche auf den aktiven Bereich des Chips zu begrenzen. Der Sensor erzeugt eine Spannung ähnlich dem Typ-K-Thermoelement. Damit kann dieselbe Verstärker- und Datenerfassungsschaltung wie beim Thermoelement verwendet werden.

Die entsprechende Kalibrierungskurve ist in Tabelle 1 (3B) dargestellt. In dem relevanten Bereich verläuft der Sensor-Ausgang weitgehend linear zur Temperatur. Durch die Zeitkonstante des Sensors mit etwa 50 ms kann nur die durchschnittliche Chip-Temperatur erfasst werden. Tabelle 1 (3C) zeigt die Oberflächen-Temperatur des IGBT über zwei Perioden des Laststromes.

Die gemessene Durchschnittstemperatur beträgt 61,4 °C. Die beobachtete kleine Welligkeit mit einer Frequenz von 20 Hz ist durch den Laststrom bedingt. Durch die relativ große Zeitkonstante der Messung wird die Amplitude der Temperatur-Welligkeit weitgehend gedämpft. Der hohe Frequenz-Ripple korreliert mit der Schaltfrequenz von 400 kHz. Da diese Frequenz viel zu hoch ist, um mit dieser Methode aufgezeichnet zu werden, wird sie durch Interferenzen zwischen der thermoelektrischen Spannung und dem schaltenden Modul generiert.

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