【導讀】在IGBT應用中，結溫是經常使用的一個參數，大部分讀者應該都很熟悉這個概念

，但是這和元宇宙有什麼關係呢
？

我想先請大家考慮一個問題：

IGBT結溫到底是指具體哪兒的溫度？

你們是不是已經開始上百度搜索答案了
？

我在百度百科以及維基百科搜索出結溫的解釋大概是這樣的：晶體管結溫，簡稱結溫，是指半導體芯片內的最高工作溫度，通常芯片的結溫會比芯片的外殼高。。。

原來結溫就是芯片內部最高點的溫度，但是溫度最高點具體是在哪兒呢？怎麼測量出這個點的溫度
？

聊到這裏，就呼應上了文章標題提到的元宇宙概念。

“

元宇宙本質上是對現實世界的虛擬化
、數字化過程。大家平時常說的IGBT結溫其實是現實世界IGBT芯片虛擬化後的溫度，大家是否注意到在IGBT器件datasheet裏的結溫代號是Tvj
，這裏的”v”是什麼意思？其實v是指virtual，Tvj就是virtual junction temperature——虛擬的結溫。

為什麼要用虛擬結溫來描述IGBT的芯片溫度呢？真實的溫度是多少就多少唄
，幹嘛要玩虛的？

原因很簡單
，就是IGBT芯片的溫度並不是均勻的，請看下圖。

這是IGBT模mo塊kuai裏li的de一yi個ge芯xin片pian，芯xin片pian導dao通tong電dian流liu發fa熱re時shi
，通tong過guo紅hong外wai成cheng像xiang儀yi拍pai攝she出chu的de照zhao片pian可ke以yi看kan出chu芯xin片pian表biao麵mian的de溫wen度du分fen布bu情qing況kuang。在zai芯xin片pian中zhong部bu我wo們men畫hua一yi條tiao測ce量liang線xian，實shi測ce出chu的de溫wen度du分fen布bu值zhi如ru上shang圖tu右you側ce所suo示shi
，我wo們men可ke以yi看kan出chu芯xin片pian中zhong部bu溫wen度du高gao
，四si周zhou溫wen度du低di，並bing且qie芯xin片pian上shang綁bang定ding線xian的de溫wen度du比bi芯xin片pian表biao麵mian更geng高gao。還hai需xu要yao注zhu意yi一yi點dian
，就jiu是shi綁bang定ding線xian和he芯xin片pian表biao麵mian的de溫wen差cha並bing不bu是shi固gu定ding不bu變bian的de，而er是shi隨sui著zhe電dian流liu增zeng加jia而er升sheng高gao的de。

在實際應用中IGBT模塊或分立器件內部的芯片並不是裸露出來的，我們無法用紅外成像儀實際的測試芯片溫度。此外在芯片上貼溫度傳感器（熱電偶）的辦法也不靠譜，因為熱電偶在芯片不同位置會測出不同的溫度
，並且粘合點的緊密程度會影響測溫結果。

還有就是一個IGBT模塊裏有很多芯片並聯，例如下圖中這個IGBT模塊，上下橋臂都是3個IGBT芯片並聯。

通過紅外成像儀測量可以看出，當IGBT模塊在發熱時，每個芯片的實測溫度也是不同的，那一個IGBT模塊的Tvj到底是指哪個芯片的溫度呢

？

要理解Tvj的定義，首先我們要了解IGBT模塊或分立器件的熱阻Rth是如何測量的。

關於IGBT模塊熱阻測量有一篇史前權威文獻，就是Dr. Reinhold Bayerer 在1989年PICM上發表的論文“Measuring the Thermal Resistance of IGBT Modules”.

這篇文章介紹了IGBT在流過一確定的電流時
，IGBT的Vcesat值是隨芯片溫度線性變化的。如下圖所示
，抱歉史前文獻的畫質欠佳。

利用這個特點可以幫助我們測量IGBT模塊的熱阻

，具體測量辦法在英飛淩的應用手冊“AN2015-10 Transient Thermal Measurements and thermal equivalent circuit models”裏也有更詳細的介紹。

首先需要用加熱設備把被測IGBT模塊均勻的加熱到一個確定的溫度，然後用1/1000  Ic_nominal的電流作為基準電流I_ref，測量這個被測IGBT模塊在此溫度下流過I_ref時的Vcesat。在各個溫度下這麼測一次，就可以描出如下圖所示的結溫和Vcesat標定線。

首先需要用加熱設備把被測IGBT模塊均勻的加熱到一個確定的溫度，然後用1/1000  Ic_nominal的電流作為基準電流I_ref，測量這個被測IGBT模塊在此溫度下流過I_ref時的Vcesat。在各個溫度下這麼測一次
，就可以描出如下圖所示的結溫和Vcesat標定線。

（以下部分是介紹測量IGBT模塊熱阻的具體方法，如果已經對此有了解的可以跳過這部分。）

在得到了IGBT結溫和Vcesat關係後，就是測量IGBT模塊的殼溫以及散熱器溫度了。一般是在散熱器上對應IGBT模塊芯片位置的正下方埋上熱電偶
，如下圖所示。

定義上圖中這兩個熱電偶位置測量的溫度分別是IGBT模塊殼溫Tc
、和散熱器溫度Th。

測量電路拓撲如下圖所示：

這裏有一個負責加熱的大電流源提供heating current，電流值一般為Ic_nominal同數量級，這個電流持續流過被測IGBT模塊

，使其發熱並持續達到熱平衡。同時還有一個測量電流源持續提供I_ref流過IGBT模塊。

在t=0時刻突然把heating current切斷，但是I_ref還保持流通。

如上圖所示


，在t=0時刻之後，I_ref流通產生的Vcesat表征了IGBT結溫Tj的下降過程，同時Tc和Tj也同時通過熱電偶實測得出。通過Tj和Tc隨時間變化關係可以換算出IGBT模塊熱阻抗。

為了方便數學公式表達，一般會使用Foster模型表示熱阻抗Zth，下圖為Foster模型下的熱阻抗網絡。

熱阻抗公式：

熱阻抗曲線：

當(dang)然(ran)，除(chu)了(le)上(shang)麵(mian)介(jie)紹(shao)的(de)測(ce)量(liang)方(fang)式(shi)還(hai)有(you)其(qi)他(ta)可(ke)以(yi)獲(huo)得(de)熱(re)阻(zu)抗(kang)的(de)方(fang)法(fa)，例(li)如(ru)最(zui)近(jin)幾(ji)年(nian)很(hen)熱(re)門(men)的(de)結(jie)構(gou)函(han)數(shu)推(tui)導(dao)，這(zhe)裏(li)就(jiu)不(bu)詳(xiang)細(xi)介(jie)紹(shao)了(le)，大(da)家(jia)如(ru)果(guo)感(gan)興(xing)趣(qu)看(kan)看(kan)JESD-51-14。

可能各位讀者看到這裏會覺得波老師是不是跑題了，其實並沒有跑題，因為Tvj結溫就是基於這個熱阻抗Zth(t)計算出來的。

總結一下Tvj定義的邏輯大概是這個樣子：

●   在溫箱中均勻的溫度環境下達到熱平衡後，樣品IGBT模塊所有芯片和部件的溫度完全一致

，這時可以認為溫箱的溫度就是IGBT實際結溫。比如說溫箱是120℃，那溫箱內IGBT芯片實際溫度可認為是理想的120℃

●   此時120℃的樣品IGBT芯片實測出在I_ref電流時的Vcesat，比如說是0.5V。

●   當此樣品IGBT模塊安裝到熱阻測試台的散熱器上，通過幾百安培直流電流發熱時
，其實IGBT模塊內部並聯芯片的溫度是不一致的。但是即使溫度不均
，但是IGBT模塊還是會在通過I_ref值時呈現一個確定的Vcesat
，例如恰巧實測的Vcesat還是0.5V。

●   這時IGBT模塊的Tvj就是120℃，因為它表征溫度的Vcesat=0.5V，和芯片在理想均勻的120℃時Vcesat測試值相同。但其實真實的芯片結溫可能中間這片表麵中心位置125℃
，綁定線130℃

，而邊上的芯片表麵隻有110℃.

●   在實際IGBT模塊應用中，也不可能用I_ref電流去測Vcesat推算Tvj，因此實際應用中我們提到的Tvj就是實測基準溫度（例如進風口溫度）疊加上熱阻的溫升推算出來的
，甚至還可以通過瞬態熱阻抗網絡推導出動態Tvj的波動，例如下圖中這類電動車啟動加速到刹車停車的IGBT模塊Tvj波動。

總 結

總而言之，IGBT模塊在現實工況中的結溫是複雜分布，且瞬息變化的，像上圖中這種頻率的溫度波動基本是不太可能通過物理方式測量的。而IGBT模塊的Foster Zth模型就是在元宇宙中的熱模型，Tvj就是基於Zth熱模型推導出來的溫度。

zhejiuxiangshiyigexianshishijiezhongderen，shenshangmeigeqiguanmeigexibaozaiweiguanshijiaozhongdoushishikechuyubianhuade
，erwomenzaiyuanyuzhouzhongdexunishenfenbingbuhuibaohannameduodeweiguanxijie，yigejiandandexingxiangshenzhishichouxiangdedaihaodoukeyizhidaiyigeren，danzhebingbuyingxiangwomenzaiweixinshanghuxiangliaotianhuxiangdianzan。

而IGBT也是一樣，在仿真計算中
，我們不需要關心那些複雜的溫度梯度分布，隻需要用一個歸一化的Tvj就可以指代這個模塊芯片的大概溫度狀態。而英飛淩在標定IGBT模塊安全工作區時已經留了足夠的裕量
，所以客戶隻需要關心Tvj有you沒mei有you超chao過guo上shang限xian就jiu可ke以yi了le，而er不bu需xu要yao深shen入ru分fen析xi模mo塊kuai內nei芯xin片pian溫wen度du分fen布bu以yi及ji甚shen至zhi綁bang定ding線xian的de溫wen度du。廠chang家jia操cao心xin多duo一yi點dian點dian，客ke戶hu操cao心xin就jiu少shao一yi點dian點dian。祝zhu大da家jia大daIGBT的元宇宙中玩得愉快！

來源：波拉圖學園 ，作者波拉圖學園

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