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

Messung der IGBT-Temperatur über den Gate-Widerstand

Der hier betrachtete IGBT-Chip verfügt über einen internen Gate-Widerstand (RGINT) im Zentrum des Chips. Da dieser Widerstand eine bekannte Temperaturabhängigkeit hat, kann er für die Messung der Chip-Temperatur herangezogen werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses Widerstandes ist, dass keine zusätzlichen Wärme-Kapazitäten vorhanden sind und seine unmittelbare Nachbarschaft zur Halbleiter-Sperrschicht des entsprechenden Chips. Die genaue Messung des Widerstands angesichts von Hochspannungs- und Strom-Transienten im IGBT-Modul stellt jedoch eine Herausforderung dar. Dafür wurde eine spezielle Schaltung für die Datenerfassung und den sicheren Datentransfer vom Messpunkt innerhalb des Inverters zur externen Labor-Peripherie entwickelt. Eine Schaltskizze des Messsystems zeigt Bild 3.

Die Evaluierung zeigt, dass es möglich ist, gleichzeitig eine hohe Auflösung für Temperatur und Zeit zu erreichen. Das Messprinzip ist in der Tabelle 1 (4A) dargestellt. Es wird ein konstanter Teststrom von I0 = 500 mA durch die Force-Anschlüsse F1 und F2 eingeprägt, der einen temperaturabhängen Spannungsabfall am RGINT erzeugt. Diese Spannung wird als Temperatur-Indikator genutzt und an den Kontakten S1 und S2 gemessen. Die Temperaturabhängigkeit des Widerstand wird mit ΔRGINT/ΔT ~ 1,5 mΩ/K bestimmt. Die Spannungsauflösung von 500 mA × 1,5 mΩ/K = 0,75 mV/K erlaubt die Berücksichtigung von Temperaturabweichungen mit einer Genauigkeit von etwa 1 K.

Da der interne Gate-Widerstand jedes IGBT-Chips mit einer bestimmten Toleranz variiert, benötigt man eine genaue Kalibrierungskurve. Die mittels RGINT gemessene Temperatur ist in Tabelle 1 (4C) dargestellt.

Die maximale Temperatur beträgt 67,4 °C mit einem Ripple von 5,9 K und einem Durchschnittswert von 64,5 °C. Damit kann die Temperatur eines IGBT im Inverter-Betrieb gut bestimmt werden. Der Verlauf über die Zeit zeigt eine gute Übereinstimmung mit der Simulation. Der Ripple ist etwa 2 K höher als simuliert. Die mit der IR-Kamera ermittelte Durchschnittstemperatur des IGBT c) stimmt mit dem Wert der RGINT-Methode sehr gut überein. Der Widerstand ist in der Mitte des Chips am Gate-Pad platziert, wo sich entsprechend den IR-Messungen kein Hot-Spot befindet. Damit liefert die RGINT-Methode eine lokale Temperatur, die etwa der mittleren Chip-Temperatur des IGBT entspricht.

*Waleri Brekel, Thomas Dütemeyer, Gunnar Puk, Oliver Schilling und Thomas Schütze sind Leistungselektronikspezialisten bei Infineon Technologies in Warstein.

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