IGBT模块栅极电压米勒平台时延与结温的关系

方化潮 郑利兵 王春雷 方光荣 韩 立



IGBT模块栅极电压米勒平台时延与结温的关系

方化潮1,2郑利兵2王春雷1,2方光荣2韩 立2

（1. 中国科学院大学信息学院 北京 100190 2. 中国科学院电工研究所 北京 100180）

通过对IGBT模块栅极电压米勒平台的时延与结温j的关系进行研究，首先从理论角度分析了米勒平台时延温度特性；其次设计了稳定可靠的米勒时延测量系统实现栅极米勒平台时间延迟的精确测量；最后，在一定条件（恒定电压、恒定电流）下对米勒平台的时延与结温的关系进行了实验验证。理论与实验均证实，米勒平台的时间延迟随结温的变化而变化，且二者呈现非常好的线性比例关系，结温j每升高1℃，栅极电压米勒平台时间延长0.74ns左右。

IGBT 栅极电压 米勒平台 温度特性

0 引言

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）模块是一种由多个IGBT芯片和功率二极管芯片、陶瓷覆铜基板（direct bonding copper substarte）、散热底板、焊接层、键合引线及功率端子组成的电力电子集成模块，已经广泛应用在新能源发电、轨道交通、航空航天、高压直流输电等众多领域中。IGBT模块运行的可靠性直接关系到电网及机车运行等的稳定安全性能。然而由于IGBT模块在实际应用场合中需要承受反复的高电压大电流，而IGBT模块内部各种材料热膨胀系数不匹配导致的疲劳失效问题越来越突出。反复的功率循环或温度循环会在键合线与芯片表面，焊接层与芯片底面产生反复的热应力，将会导致键合线裂纹扩展甚至剥离，焊接层也会出现裂纹增长及空洞扩展[1-4]，从而导致IGBT模块导通电阻和结壳热阻增加，甚至会产生过热使得IGBT模块失效[5-9]。因此对于IGBT模块可靠性监测是非常必要的。

IGBT及其互连结构均封装在模块内部，很难直接获得封装模块内部的封装失效信息。根据课题组前期的研究发现[10-13]，焊接层和键合线失效会影响IGBT模块的温度分布。因此结温与IGBT模块封装失效存在一定的关系，进而利用一定条件下IGBT模块结温j的变化来间接反映模块内部的失效便成为一种可行的方法[14]，如图1所示。

图1 IGBT模块封装缺陷对电气特性的影响机理

目前测量结温的方法主要有物理接触法、光学法、热网络法和温敏参数法[15-18]。物理接触法简单直接，但响应时间长，易受封装材料如硅胶的影响，且需要改变模块内部的空间布局。光学法为非接触测量法，空间分辨率高，可反映芯片表面二维温度分布，但必须有光学接触，不适用全封模块，且光学设备价格昂贵。热网络法也无需直接测量，简单方便，但焊接层的老化会对模块的热网络参数有影响，造成测量的不准确。温敏参数法则是利用IGBT许多电气特性中的温度敏感性，通过建立IGBT端特性与结温的关系来实现IGBT结温的测量。该方法为非接触式测量，适合于全封装模块，反应灵敏，多数可实现在线测量。

因此通过研究IGBT端部特性与结温的相关性，便可以利用该端部的温度特性测量结温，进而实现IGBT模块失效的在线监测。在IGBT端部特性中，栅极电压米勒平台也可作为其中之一，如图2所示。在实际应用中，由于集电极多为感性负载，因栅漏极电容gc的存在，使IGBT栅极电压在开关期间有一小段明显平台，即栅极电压恒定，这种现象称为米勒效应。

图2 IGBT关断时的栅极电压米勒平台

因为IGBT芯片的硅半导体参数（如本征载流子浓度、空穴电子迁移率和载流子寿命等）随结温的变化而变化，进而会引起IGBT模块的端部电气特性参数（如栅极电压）的变化[16]。因此栅极电压米勒平台的时间延迟与结温存在一定的相关性，但二者对应的定量关系还不清楚，因此研究IGBT模块栅极电压米勒平台时延与结温的定量关系对于IGBT模块的失效监测有着重要的意义。

基于此，本文首先从理论上分析了米勒时延与结温的关系，然后设计并实现了栅极电压米勒平台时间延迟的精确测量系统，最后利用所设计的测量系统对IGBT模块栅极电压的温度特性进行了实验研究。

1 米勒平台时延特性理论分析模型

米勒时延理论分析模型[16,18]为

其中

g,int=（3）

式中，g为门极电阻；gc为门极集电极电容；dc为直流电压；ce(sat)为饱和压降；m为转移阻抗；T为阈值电压；g,ext为栅极外电阻；g,int为栅极内电阻；为栅极内电阻与载流子迁移率的比例系数；ns为载流子迁移率；dep为耗尽层电容；oxd为交叠氧化层电容，B为基区掺杂浓度；BR为阻断电压；si为硅介电常数；为电荷量；为器件的有效面积；ox为单位栅极交叠氧化层电容；gs为源极电压；ds为漏极与源极间电压；g为禁带宽度；pnp为共基极电流增益；T为阈值电压；为阈值电压线性系数；o为初始温度；j为结温；qnb为准中性基区压降；pn为N+缓冲层与N-基区结的电压降；ch为MOS沟道压降。

由上述公式不难发现，米勒时延公式中的门极集电极电容即米勒电容gc、门极内电阻g,int、饱和压降ce(sat)、转移阻抗m及阈值电压T均与结温j存在一定的关系，故而米勒时延m与结温存在一定的关系。同时模型参数文中均采用文献中已有经验公式及参数，在Matlab中求解上述公式得到米勒时延m与结温j的关系如图3所示。

图3 米勒时延tm与结温Tj的关系仿真曲线

由图3可知，米勒时延与结温呈近似线性关系，将仿真曲线进行最小二乘拟合，得到简化的米勒时延与结温的关系表达式为

m=0.707j+843.9 （12）

其拟合优度2=0.999，因此从仿真结果分析来看，栅极电压米勒平台的时延与结温呈线性关系，且线性度非常好。

栅极米勒平台时延的这一温度特性为进一步测量IGBT模块的结温提供了可行性。为了验证理论分析结果的正确性，本文设计了如下米勒时延精确测量系统。

2 米勒平台时延测量系统

2.1 测量原理

1）信号转换

米勒时延测量原理如图4所示。根据栅极电压的三阶段特性，可以利用微分电路将栅极电压米勒平台的前后沿转换为两个微分脉冲，再通过对微分脉冲进行整形，利用数字测量技术测量两个脉冲之间的时间间隔，也就得到了米勒平台的时间延迟大小。

图4 米勒时延测量原理

2）数字测量

传统测量脉冲时间间隔的方法为脉冲填充法，其测量误差为

D=（13）

式中，r为参考频率，其测量精度取决于参考频率大小，但太高的参考频率易导致电路的不稳定。

本文采用了一种扩展的脉冲填充测量法即数字移相技术[19,20]或延迟线技术来测量双脉冲之间的时间间隔，其原理如图5所示。该方法利用一个由延迟单元构成的延迟链，将参考频率顺序延迟-1次，产生规律性相位顺延的个参考频率信号，个参考频率信号正好构成一个周期，然后在同一计数闸门下对其分别计数，其测量误差为

D=（14）

图5 基于数字移相技术测量时间间隔的原理

式中，为计数个数；r为参考频率，从而在不提高系统参考频率的前提下提高测量精度。若上升沿和下降沿同时计数，其误差进一步降低为原来的1/2，误差为

D=（15）

因此若要达到1ns的时间分辨率，采用该方法，移动相位4次，同时对上、下沿计数，其参考频率只需r=125MHz，若移相次数更多，参考频率进一步提高，时间测量精度将会进一步提高。

2.2 系统设计

测量系统分为主控单元、驱动单元、信号调理单元、测量单元、显示单元及上位机单元五部分，如图6所示，其中：

图6 参数在线测量系统原理

（1）主控单元：负责IGBT模块的驱动信号产生、采集控制和数据读取、LCD显示及与上位机软件通信。

（2）信号调理单元：将IGBT模块的栅极驱动电压信号提取出所需的米勒平台信号，并将该信号调理成与嵌入式数字测量系统相匹配的电平脉冲信号，并将结温信号通过热电偶转换成电压信号，由AD模数转换器转换成数字量。

（3）测量单元：负责对调理后的米勒双脉冲信号进行数字计数测量。采用可编程器件FPGA实现，利用FPGA内部PLL模块产生移相的时钟信号，并将各路移相时钟信号送入各个计数器分别对闸门信号计数。

（4）显示单元：将测量结果实时显示到LCD液晶屏上。

（5）上位机软件单元：与主控单元通信，发送控制命令，接收测量数据并将实时曲线显示在界面上。

2.3 电路设计中的关键问题

米勒平台脉冲提取电路原理如图7所示，电阻3与电容1组成微分环节，将得到所需的微分双脉冲，必须选取适当的微分参数，通过示波器测量可知，米勒时间延迟在1ms左右，故取时间常数为该时间常数的十分之一，即100ns，则m=31=100ns。

图7 米勒平台脉冲提取电路原理

采用Linear公司LT1711比较器组成比较环节，同时在比较器输出与正端之间接入一电阻6，组成回滞比较器的形式以增强对噪声抗干扰性，回滞电压幅值为

由式（16）可知，当6=50kW时，回滞电压约为100mV。

噪声的抑制，噪声幅度过大会导致误触发，产生噪声电平，直接影响测量结果。为消除噪声的影响，通过设计滤波电路，PCB合理布局减少电磁干扰，采用线性电源供电等方法，提高测量的准确性与可靠性。

对所述微分电路从1kHz～10GHz进行幅频特性分析，结果如图8所示，可知，加入滤波电路后，微分脉冲中的高频噪声得到抑制，实验测试结果也验证了这一结论。

（a）微分电路幅频特性

（b）IGBT关断瞬态栅极电压与源漏极电压波形

（c）没有滤波电路时的微分脉冲

（d）采用滤波措施后的微分脉冲

图8 微分脉冲滤波电路结果

Fig.8 The results of filter circuit of differential pulse

对FPGA内部关键的信号线（如时钟信号线）进行均匀布线设计，尽量减小相位差。同时尽量缩短高频信号线的长度，减小电流回路面积，从而降低电磁噪声干扰。

数字计量方法的准确度，计量算法本身误差、器件信号传递的延迟误差等对测量结果的准确度有着重要的影响。对路移相计数值设置误差阈值，若路移相计数值的误差超出了所设置的误差阈值，则认为计数值无效，同时进行多组测量并取平均值以保证计数测量的准确性。

3 实验测量结果

3.1 测量系统测量精度验证

米勒平台时延是在开关过程时产生的，与IGBT模块的驱动开关频率没有明显的关系，只需保证IGBT模块工作在开关状态即可，驱动频率可以选择IGBT模块开关频率段内的任一频率点，本文中选择驱动频率=1Hz。

为验证米勒平台时延测量系统的精度，在c= 5A，ce(on)=1V，=1Hz，=0.5，j=26℃的条件下，利用所设计的测量，如图9所示的系统实验装置，对IGBT模块的栅极电压米勒平台时延进行测量并与示波器测量结果进行对比。

图9 测量系统实验装置

米勒平台时延的测量和实验结果如图10所示。由图10可见，经过电路滤波优化设计后，微分电路输出的米勒平台微分脉冲噪声较低，米勒平台整形后也未见电平跳变噪声脉冲，较好地去除了电路中的噪声干扰，保证了后序数字测量结果的信号稳定性。由图10a示波器中游标测量结果可知，米勒双脉冲之间时间间隔为860ns。

（a）米勒平台时延示波器测量结果

（b）米勒平台提取电路波形转换实验结果

图10 米勒平台时延的测量和实验结果

Fig.10 The time delay of Miller plateau measured and experiment waveforms

米勒平台提取电路波形转换结果如图10b所示，栅极电压ge微分脉冲与阈值电压通过比较器进行比较，当ge微分脉冲高于阈值电压时，ge输出低电平信号；当ge微分脉冲低于阈值电压时，比较器输出跳变为高电平信号。因此当阈值电压低于微分双脉冲间的峰值而高于双脉冲的谷值时，便可得到如图10所示的较为平整的双脉冲方波信号。

由表1可知，测量系统的测量结果为861.3ns，标准差为1.13ns，与示波器测量结果吻合，误差为0.15%，达到了预期的准确度要求，所设计的系统具有较好的噪声抗干扰性，系统测量结果稳定可靠，为接下来进行温度对米勒时间延迟影响的定量分析提供了条件。

表1 米勒平台测量系统测量结果

Tab.1 The results of Miller plateau time delay measured by experimental setup

3.2 米勒平台时间延迟与结温关系实验结果

在同样条件（c=5A，ce(on)=1V，=1Hz，=0.5）下，通过加热台将IGBT模块逐渐升温，同时将热电偶固定在IGBT芯片表面以实时测量IGBT芯片结温j，在不同结温j下对米勒平台时延进行了测量，所得结果见表2。

表2 不同结温j下米勒时延测量结果

Tab.2 The results of Miller plateau time delay at different junction temperature

图11为米勒时延与结温的拟合关系曲线。由图11可知，经最小二乘法拟合得到拟合直线关系式为

m=0.73987j+841.1 （17）

图11 米勒时延与结温的拟合关系曲线

拟合曲线优度2=0.999 72。可见米勒时延随着结温的变化而变化，且与结温呈现非常好的线性关系，与前述理论分析结果相吻合。本例中结温j每升高1℃，栅极米勒电压平台的时间延迟就会延长0.74ns。

4 结论

本文首先设计并实现了IGBT模块栅极电压米勒平台时间延迟的测量系统，通过多种抗噪声干扰设计极大提高了系统的抗噪声干扰性能，提高了系统的测量稳定性与可靠性。通过引入基于移相的数字时间测量方法，在不提高系统工作频率的情况下极大提高了系统的测量准确度。所设计的米勒时延测量系统能够达到将近1ns的准确度。

其次在一定的条件（电压、电流恒定）下，对米勒时延与结温的关系进行了理论仿真和实验研究。仿真和实验结果均表明，米勒时延随结温的变化而变化，且二者存在着非常好的线性关系。本文中，结温每升高1℃，米勒平台时间延长0.74ns左右，研究结果为进一步进行基于米勒平台的IGBT模块的失效监测提供了重要的理论与数据依据。

参考文献

[1] Ciappa M. Selected failure mechanisms of modern power modules[J]. Microelectron Reliability, 2002, 42(4-5): 653-667.

[2] Kostandyan E E, Sorensen J D. Physics of failure as a basis for solder elements reliability assessment in wind turbines[J]. Reliability Engineering & System Safety, 2012, 108(8): 100-107.

[3] Kostandyan E E, Sorensen J D. Reliability assess- ment of solder joints in power electronic modules by crack damage model for wind turbine applications[J]. Energies, 2011, 4(12): 2236-2248.

[4] Onuki J, Koizumi M, Suwa M. Reliability of thick Al wire bonds in IGBT modules for traction motor drives[J]. IEEE Transactions on Advanced Packaging, 2000, 23(1): 108-112.

[5] Bryant A T, Mawby P A, Palmer P R, et al. Exploration of power device reliability using compact device models and fast electrothermal simulation[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2008, 44(3): 894-903.

[6] Biswal L, Krishna A, Sprunger D. Effect of solder voids on thermal performance of a high power electronic module[C]//Proceedings of 7th Paper Presented at the Electronic Packaging Technology Conference, Singapore, 2005, 2:526-531.

[7] 李辉, 刘盛权, 冉立, 等. 大功率并网风电机组变流器状态监测技术综述[J]. 电工技术学报, 2016, 31(8): 1-10.

Li Hui, Liu Shengquan, Ran Li, et al. Overview of condition monitoring technologiesof power converter for high power grid-connected wind turbine generator system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2016, 31(8): 1-10.

[8] 王春雷, 郑利兵, 方化潮, 等. 键合线失效对于IGBT模块性能的影响分析[J]. 电工技术学报, 2014, 29(增1): 184-191.

Wang Chunlei, Zheng Libing, Fang Huachao, et al. Analysis of the performance effect with bonding wires lift-off in IGBT modules[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2014, 29(S1): 184- 191.

[9] 于坤山, 谢立军, 金锐. IGBT技术进展及其在柔性直流输电中的应用[J]. 电力系统自动化, 2016, 40(6): 139-143.

Yu Kunshan, Xie Lijun, Jin Rui. Recent development and application prospects of IGBT in flexible HVDC power system[J]. Automation of Electric Power System, 2016, 40(6): 139-143.

[10] 郑利兵, 韩立, 刘钧, 等. 基于三维热电耦合有限元模型的IGBT失效形式温度特性研究[J]. 电工技术学报, 2011, 26(7): 242-246.

Zheng Libing, Han Li, Liu Jun, et al. Investigation of the temperature character of IGBT failure mode based on 3D thermal-electro coupling FEM[J]. Transactions of China Elecrotechnical Society, 2011, 26(7): 242-246.

[11] Li Bingzheng, Li Han, Jin Pengzun, et al. Investi- gation of the temperature character of IGBT wire bonding lift-off based the 3-D thermal-electro coupling FEM[J]. Advanced Materials Research, 2012, 616-618: 1689-1692.

[12] Lü Xiaofei, Zheng Libing, Kong Xiangdong, et al. The research of relationship between the void of DBC and the temperature distribution[C]//International Symposium on Paper Presented at the Advanced Packaging Materials (APM), Xiamen, 2011: 168- 171.

[13] Zheng Libing, Han Li, Liu Jun, et al. Investigation of the temperature character of IGBT solder delami- nation based the 3-D thermal-electro coupling FEM[C]// Paper Presented at the Power and Energy Engineering Conference (APPEEC), Chengdu, 2010: 1-4.

[14] Yang Shaoyong, Xiang Dawei, Bryan A. Condition monitoring for device reliability in power electronic converters: a review[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2010, 25(11): 2734-2752.

[15] Avenas Y, Dupont L, Khatir Z. Temperature mea- surement of power semiconductor devices by thermo-sensitive electrical parameters: a review[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(6): 3081-3092.

[16] 汪波, 胡安, 唐勇. 基于电热模型的IGBT结温预测与失效分析[J]. 电机与控制学报, 2012, 16(8): 87-93.

Wang Bo, Hu An, Tang Yong. Junction temperature forecast and failure analysis of IGBT based on electro-thermal model[J]. Electric Machines and Control, 2012, 16(8): 87-93.

[17] 杨旭, 周雒维, 杜雄, 等. 绝缘栅双极型晶体管结温测量方法及其发展[J]. 电测与仪表, 2012, 49(2): 7-12

Yang Xu, Zhou Luowei, Du Xiong, et al. Review of isolated gate bipolar transistor's junction temperature measurement[J]. Electrial Measurement & Instru- mentation, 2012, 49(2): 7-12.

[18] Kuhn H, Mertens A. On-line junction temperature measurement of IGBTs based on temperature sensitive electrical parameters[C]//13th European Conference on Paper Presented at the Power Elect- ronics and Applications, Barcelona, 2009:1-10.

[19] Baliga J. Temperature behavior of insulated gate transistor characteristics[J]. Solid-State Electronics, 1985, 28(3): 289-297.

[20] 谢登科, 徐端颐, 齐国生, 等. 基于数字移相的高精度脉宽测量系统及其FPGA实现[J]. 电子技术应用, 2004(1): 27-29.

Xie Dengke, Xu Ruiyi, Qi Guosheng, et al. Precision pulse width measurement system and its imple- mentation based on digital phase sshift technique[J]. Application of Electronic Technique, 2004(1): 27-29.

The Relationship Between Junction Temperature and Time Delay of Gate Voltage Miller Plateau of IGBT Module

1,221,222

（1. School of Information University of Chinese Academy of Science Beijing 100190 China 2. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Science Beijing 100180 China）

The relationship between time delay of gate voltage Miller plateau on insulated gate bipolar transistor (IGBT) module and junction temperature has been researched in this paper. Firstly, the temperature characteristic of Miller plateau time delay has been analyzed. Secondly, a measurement system of gate voltage Miller plateau has been set up, which could measure the delay time of Miller plateau accurately and reliably. Finally, experiments verify the temperature characteristic of Miller plateau time delay. Both the simulation and the experimental results show that the time delay of Miller plateau varies with the junction temperature, which has a good linear relationship. In this paper, the time delay of Miller plateau increases 0.74 ns as the junction temperature increases 1℃.

Insulated gate bipolar transistor, gate voltage, Miller plateau, temperature characteristic

TM930.17

方化潮 男，1986年生，博士研究生，主要研究方向为电力电子器件封装及在线监测技术。

E-mail: fanghuachao@mail.iee.ac.cn

郑利兵 男，1972年生，副研究员，硕士生导师，主要研究方向为电力电子器件封装技术。

E-mail: ieezlb@mail.iee.ac.cn（通信作者）

2014-08-10 改稿日期 2014-09-03

国家重大科技专项02专项：智能电网高压芯片封装与模块技术研发及产业化资助项目（2011ZX02603）。