Lebensdauer von IGBTs Messung von transienten thermischen Widerständen

Transiente Wärmewiderstände (Zth-Kurven)und transienter Temperaturverlauf in einem IGBT-Modul zu simulieren und messen.
Transiente Wärmewiderstände (Zth-Kurven)und transienter Temperaturverlauf in einem IGBT-Modul zu simulieren und messen.

Transiente Wärmewiderstände, auch Zth-Kurven genannt, helfen, den transienten Temperaturverlauf in einem IGBT-Modul zu ermitteln. Allerdings zeigen die Temperaturgradienten für messtechnisch oder durch Simulation bestimmte Zth-Kurven einen signifikanten Unterschied in kleinen Zeitbereichen - Unterschiede, die die Vorhersage der Lebensdauer beeinflussen.

Der transiente thermische Widerstand Zth eines Leistungsmoduls beschreibt das thermische Verhalten. Er wird einerseits verwendet, um den maximalen Ausgangsstrom für transiente Lasten abzuschätzen; auf der anderen Seite dient er zur Berechnung des transienten Temperaturverlaufs mit einem Lastprofil und daraus resultierend zur Bestimmung der Lebensdauer des Leistungsmoduls.

Der Zth spielt eine große Rolle, wenn verschiedene Leistungsmodule in der gleichen Anwendung untersucht werden, da die innere Wärmekapazität den Temperaturrippel für eine begrenzte Zeit reduziert [1, 2]. Zur Berechnung eines korrekten Temperaturrippels ist daher eine präzise Zth-Kurve notwendig. Zeigen die Temperaturgradienten für messtechnische oder mittels Simulationen bestimmte Zth-Kurven einen signifikanten Unterschied in kleinen Zeitbereichen, so hat das Auswirkungen auf die Berechnung des Temperaturrippels für sehr kurze Leistungspulse. Abhängig von der Ausgangsfrequenz von Umrichtern kann die Abweichung in kleinen Zeitbereichen die berechnete Temperatur und damit die vorhergesagte Lebensdauer beeinflussen.

Die Berechnung der Lebensdauer besteht immer aus mehreren Schritten. Nachdem das Lastprofil in ein Verlustleistungsprofil übersetzt wurde, muss der transiente Temperaturverlauf mit Hilfe des Zth ermittelt werden [3]. Mit einem Zyklenzählverfahren, z.B. dem Rainflow-Algorithmus, lassen sich daraus die einzelnen Temperaturhübe mit Amplitude und Dauer extrahieren. Eine Voraussage der Lebensdauer kann durch das Berechnen der Temperaturhübe innerhalb der Betriebsdauer von leistungselektronischen Geräten und den Vergleich mit der spezifizierten Power-Cycling-Festigkeit getroffen werden.

Für die Berechnung des transienten Temperaturverlaufes mit einem Lastprofil wird die Zth-Kurve in ein äquivalentes Modell in Form einer elektrischen Ersatzschaltung verwendet. Die Berechnungen werden gewöhnlich in einem Schaltungssimulator oder mit einem geeigneten mathematischen Werkzeug durchgeführt.

Das thermische Verhalten von IGBT-Modulen lässt sich in Form von zwei verschiedenen Ersatzschaltbildern beschreiben, zum einen als Kettenbruchschaltung (Cauer-Modell), zum anderen als Partialbruchschaltung (Foster-Modell). Das Cauer-Modell spiegelt den realen, physikalischen Aufbau des Moduls mit Wärmekapazitäten und dazwischengeschalteten Wärmewiderständen wider. Das Modell lässt sich bei Kenntnis der Materialeigenschaften der einzelnen Schichten aufstellen, wobei allerdings die korrekte Abbildung der thermischen Spreizung auf die einzelnen Schichten problematisch ist. Da ein IGBT-Modul oft mehrere parallel geschaltete Chips mit gegenseitiger thermischer Beeinflussung aufweist, ist eine analytische Berechnung der Parameter der Kettenbruchschaltung sehr anspruchsvoll.

In Gegensatz zum Cauer-Modell repräsentiert das Foster-Modell die Reihenschaltung einzelner RC-Glieder ohne physikalische Interpretation. Dieses Modell wird dennoch oft verwendet, da die Koeffizienten aus der Zth-Kurve des Moduls einfach extrahiert und darüber hinaus mit ihnen analytisch gerechnet werden kann. Auch in Datenblättern ist die Partialbruchdarstellung üblich, da diese den Zth vorteilhafterweise als geschlossenen Ausdruck beschreibt. Für die Untersuchung der Unterschiede zwischen dem gemessenen und dem simulierten transienten thermischen Widerstand wird deshalb das Foster-Modell verwendet.

Messtechnische und simulations-basierte Bestimmung des Zth

Beispielsweise nach dem JEDEC-Standard [4] ist die Messung der Temperatur mit der UCE(T)-Methode sehr verbreitet. Der zufolge wird die temperaturabhängige Durchlassspannung für ein IGBT nach dem Aufheizen des Leistungsmoduls mit einem Laststrom mit einem kleinen Messstrom erfasst.

Dem IGBT-Modul wird also durch Stromfluss eine konstante Leistung eingespeist, so dass sich nach entsprechender Einschwingdauer eine stationäre Sperrschicht-Temperatur einstellt. Ist dies der Fall, wird die Leistung abgeschaltet und die Abkühlung des Moduls aufgezeichnet. Hierzu wird ein definierter Messstrom (ca. 1/1.000 · Inom) eingespeist und die sich einstellende Sättigungs- oder Flussspannung aufgezeichnet. Die Sperrschicht-Temperatur kann dann mit Hilfe einer Kalibrierungskurve, die vorab unter externer, homogener Erwärmung des untersuchten Moduls aufgenommen wurde, aus der gemessenen Durchlassspannung bestimmt werden.

Da die Sperrschicht-Temperatur nur durch indirekte Messung oder Berechnung bestimmt werden kann, wird sie „virtuelle Sperrschicht-Temperatur“ genannt. Die virtuelle Sperrschicht-Temperatur stellt die durchschnittliche Temperaturverteilung im Chip dar [5].

Die Verzögerungen zwischen Abschalten des Laststromes und Beginn der Messung im Leistungsmodul haben einen signifikanten Einfluss auf den transienten Wärmewiderstand im Bereich von sehr kleinen Zeiten.

Als zweites Verfahren kann eine Simulation nach der thermischen Finite-Elemente-Methode zur Berechnung des transienten thermischen Widerstands Zth angewandt werden. Die Modellbildung und Simulation lässt sich hierbei in vier Hauptpunkte aufteilen:Geometrieaufbau, Diskreditierung, Lösung und schließlich die Auswertung.

Ein IGBT-Leistungsmodul ist aus mehreren Schichtfolgen aufgebaut und enthält in einem Gehäuse mehrere elektrisch isolierte Leistungshalbleiter, die sich thermisch gegenseitig beeinflussen. Für die Berechnung ist also immer eine dreidimensionale Geometriemodellierung notwendig. Viele Simulations-Tools sind in der Lage, eine 3D-CAD-Geometrie direkt aus verschiedenen Dateiformaten zu importieren.

Zur Diskreditierung des Simulationsmodells gehören die Eingabe der Materialeigenschaften jeder Schicht sowie eine Netzgenerierung. Im Lösungsabschnitt werden Randbedingungen aufgeprägt (Kühlungsparameter, Außentemperatur) sowie eine konstante Leistung in das aktive Chipvolumen eingeprägt. Im Weiteren kann die Temperaturverteilung des Moduls sowohl mit einer stationären als auch transienten Temperaturfeldberechnung ermittelt werden. Im Gegensatz zu den Messungen lässt sich dabei die Erwärmung des Leistungsmoduls direkt simulieren. Durch die Auswertung der Ergebnisse können dann Zth-Kurven berechnet werden.

Bilder: 5

Unterschiede zwischen gemessenem und simuliertem Zth in den Bildern 1-5

Unterschiede zwischen gemessenem und simuliertem Zth in den Bildern 1-5

Unterschiede zwischen gemessenem und simuliertem Zth

Zur Darstellung der Unterschiede zwischen gemessenem und simuliertem transientem thermischem Widerstand wird zunächst mit Hilfe des Foster-Modells eine Berechnung für sehr kurze Leistungspulse durchgeführt. Unter Verwendung dieses Modells ergeben sich deutlich voneinander abweichende Temperaturvorhersagen (Bild 1). Das Foster-Modell prognostiziert für die simulierte Zth-Kurve deutlich höhere Spitzentemperaturen.

Die Berechnungsergebnisse werden mit hochgerechneten Messergebnissen der Temperatur nach einem kurzen Leistungspuls mit hoher Amplitude in einem einzigen Chip [6] verglichen (Bild 2). Dabei zeigt nur der mit Hilfe des Foster-Modells abgeleitete simulierte Zth eine gute Übereinstimmung mit der Messung. Wie in Bild 2 dargestellt, lassen sich höhere Übereinstimmungen nur mit den Ergebnissen direkter FEM-Simulation erreichen.

Eine Simulation des Zth-Messvorgangs liefert eine Erklärung für die Abweichungen. Während der Messung wird eine lineare Extrapolation für die kurze Dauer durchgeführt, in der nicht gemessen werden kann (Bild 3). Das Simulationsergebnis zeigt eine starke Veränderung des Temperaturgradienten von bis zu 1 ms. Diese basiert auf den unterschiedlichen thermischen Eigenschaften der IGBT-Schichten, die aus Silizium, Kupfer und in den oberen Teilen des Aufbaus aus Lot bestehen. Der daraus resultierende negative Offset reduziert den Zth,jc im Kurzzeitbereich (Bild 4).

Um zu überprüfen, ob weitere Faktoren Abweichungen zwischen simulations- und messungsbasiertem Zth verursachen, wird der Einfluss des Offset untersucht. In Bild 5 wird der gemessene Zth,jc um einen Offset korrigiert dargestellt. Die Korrektur des Offset ergibt eine gute Übereinstimmung des gemessenen Zth  mit dem simulierten transienten thermischen Widerstand. Folglich sind keine weiteren Abweichungen zwischen Messung und Simulation des transienten thermischen Verhaltens zu erkennen.