Power-Module

Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen

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Die drohende Überhitzungim Betrieb bleibt unbemerkt

In Bild 3 ist das thermische Ergebnis eines Versuchsaufbaus dargestellt, in dem der thermische Transfer im oberen Drittel des Moduls durch Verdrängung der verwendeten Wärmeleitpaste geschädigt ist. Da der NTC nicht im kritischen Bereich liegt, erfährt er keinen Temperaturhub. Die drohende Überhitzung am oberen Chip bleibt im Betrieb unbemerkt.

Aufgabe und Nutzen der In-Situ-Messung

Der In-Situ-Messung geht eine Kalibrierung voraus. Mittels externer Erwärmung wird die Chiptemperatur eingestellt und bei kleinem Vorwärtsstrom die Spannung am Halbleiter gemessen. Die gewonnene Kennlinie ist eindeutig und umkehrbar, aus einer bei kleinem Strom gemessenen Spannung gelingt der Rückschluss auf die Temperatur des Halbleiters.

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Bei der Messung an einem einzelnen Chip und bei intakter thermischer Anbindung des Moduls gelingen so exakte und mit hoher Präzision reproduzierbare Ergebnisse. Die Methode eignet sich insbesondere im Labor und für Charakterisierungsmessungen.

Speziell bei höheren Leistungen kommen Module zum Einsatz, in denen IGBTs und Dioden parallel geschaltet sind. Die Hersteller der Module erreichen durch geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik, dass die Stromaufteilung im Modul symmetrisch ist und somit alle Chips im Betrieb die gleiche Temperatur erreichen. Der positive Temperaturkoeffizient der Vorwärtsspannung moderner Halbleiter führt zu einem zusätzlichen dynamischen Ausgleich, der die Differenzen zwischen einzelnen Chips weiter reduziert. Der dann von der Messung gelieferte Mittelwert aller am Stromtransport beteiligten Halbleiter entspricht bei hinreichend kleiner Stromfehlverteilung der Chiptemperatur.

Wenn sich die thermische Kopplung verändert hat

Das beschriebene Vorgehen setzt stillschweigend voraus, dass die thermische Anbindung aller Halbleiterelemente an den Kühlkörper von gleicher Qualität ist, was nach einer langjährigen Betriebsphase nicht zwangsläufig gegeben ist.

Wie auch bei der Messung mittels NTC fallen dann Abweichungen an einem einzelnen Chip nicht auf, wenn der thermische Übergangswiderstand zwischen Bodenplatte und Kühlkörper lokal beschädigt ist. Im gemessenen Mittelwert geht ein ggf. zerstörerisches Maximum unter. Aus diesem Grund eignet sich die Methode gut für die Arbeit im Labor; in der Applikation im Dauereinsatz können die Ergebnisse irreführend sein.

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