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Thermische Widerstände genau messen – eine Herausforderung

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Abweichungen zwischen Laboraufbau und Applikation

Den thermischen Widerstand in einer Anordnung messen, die der späteren Applikation so ähnlich wie möglich ist, stellt einen wichtigen Schritt dar. Obwohl hierdurch einige Einflüsse eliminiert sind, bleiben Abweichungen zwischen dem Laboraufbau und der späteren Applikation nicht aus. Grund hierfür ist, dass Parameter wie die Oberflächenbeschaffenheit des Kühlkörpers das Ergebnis ebenfalls beeinflussen. Ein Querschnitt durch den entsprechenden Aufbau ist in Bild 3 zu sehen.

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Mit Kenntnis der Verlustleistung Pv resultiert der Übergangswiderstand RthJH aus einfachen mathematischen Zusammenhängen. Genau genommen spiegelt dies aber nur den thermischen Pfad in der direkten Umgebung der Thermoelemente wider. Temperaturgradienten über den Chip und den Kühlkörper erfasst die Methode nicht; sie führt auf ein eher „optimistisches“ Ergebnis bezüglich der Lebensdauer. Das Ergebnis ist insbesondere dann tendenziell positiver, wenn das Thermoelement exakt unter dem heißesten Punkt des Chips platziert ist.

Zur Erfassung der Temperaturverläufe am Chip eignet sich eine Infrarotkamera, die in einer weiteren Messung zum Einsatz kommt. Bild 4 stellt ein Wärmebild eines IGBT im stationären Betrieb sowie eine partielle thermische Auswertung dar. Eine Analyse der Fläche führt auf eine Maximaltemperatur von 103 °C an einem der Bonddrähte im Zentrum des Chips. Die höchste Chip-Temperatur beträgt 100 °C, der Mittelwert über die gesamte Chip-Fläche liegt bei nur 94 °C.

Auf Basis der gemittelten Temperatur ergibt sich eine weitere Möglichkeit, den thermischen Widerstand RthJH zu bestimmen. Der so ermittelte Wert für den thermischen Widerstand ist tendenziell zu klein, die Art der Mittelung bleibt dem Entwickler überlassen.

Sowohl Thermoelemente als auch IR-Kamera sind bewährte Methoden, die sich für die Arbeit im Labor anbieten. Sie benötigen allerdings speziell erstellte Mess-Module, die sich für den Einsatz in der echten Umgebung der Applikation nicht eignen. Die offenen Module für Thermographie haben nicht das notwendige Isolationsmaterial, und Leitungen aus den Modulen mit Thermoelementen erweisen sich im kompakten Aufbau häufig als unhandlich.

Um eine Untersuchung im eigentlichen Aufbau zu gewährleisten, eignet sich die In-Situ-Messung, wie sie in der IEC 60747-9 beschrieben ist. Die Technik macht sich die Tatsache zu Nutze, dass bei kleinem Strom die Vorwärtsspannung am Halbleiter und die herrschende Temperatur linear miteinander verknüpft sind.

Eine Kalibrierung erfolgt durch Aufzeichnung der Spannung am Chip, während dieser von einer externen Hitzequelle auf eine genau bekannte Temperatur erwärmt wird. Während der Messung fließt im Halbleiter hierbei nur ein kleiner Mess-Strom. Die in Bild 5 dargestellte Kurve ist auf diese Art ermittelt worden und verdeutlicht den nahezu ideal linearen Zusammenhang.

Eine solche Messung kann ohne Eingriff in das Halbleitermodul erfolgen und sowohl bei hohen Strömen als auch bei hohen Spannungen zur Anwendung kommen. Sie erfordert die Erfassung der Vorwärtsspannung und des Mess-Stromes für die Auswertung der Temperaturkurve sowie die Messung der Verlustleistung zur Bestimmung des thermischen Widerstandes. Hierzu ist zusätzlich der Laststrom zu erfassen.

Für alle drei Messungen ist es notwendig, mehrere Parameter zu bestimmen und daraus den gesuchten Wert zu ermitteln. Alle verwendeten Messwertaufnehmer sind toleranzbehaftet, was sich auf die Genauigkeit der ermittelten Werte auswirkt. Nach Berücksichtigung der Fehlerfortpflanzung ergeben sich für die verschiedenen Verfahren die relativen Abweichungen: Messung mit Thermoelementen: ±9,8%, Messung mit IR-Kamera: ±8,4% und Messung mit In-Situ-Methode: ±5,4%. Der dominante Einfluss in allen Messungen wird von den Thermoelementen verursacht, der Einfluss der Spannungsmessung hingegen ist zu vernachlässigen. Das Einbringen von Stromsensoren höherer Genauigkeit ist nicht zielführend und würde den Preis des Messequipments unnötig in die Höhe treiben.

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