Известия высших учебных заведений. Электроника home

Модуляционный метод измерения тепловых сопротивлений в силовых модулях на IGBT-транзисторах

Раздел находится в стадии актуализации

В процессе функционирования силового модуля на IGBT-транзисторах в любой момент времени открыта только часть транзисторов. Это приводит к дисбалансу температур отдельных кристаллов и возникновению латеральных потоков тепла между ними. Для точной оценки температуры перегрева всех кристаллов модуля необходимо учитывать их взаимные тепловые связи. Определить перекрестные тепловые сопротивления между транзисторами (недиагональными элементами матрицы) проблематично, поскольку импульсный тепловой поток от нагретого кристалла доходит до соседних кристаллов модуля существенно искаженным, что затрудняет измерение их температурного отклика. В работе рассмотрен разработанный модуляционный метод, основанный на нагреве транзисторов модулированной по гармоническому закону мощностью. С помощью аппаратно-программного комплекса, в котором реализован модуляционный метод, проведены измерения диагональных и недиагональных элементов матрицы тепловых сопротивлений силового модуля GD35PIT1205SN. Выявлены две компоненты перекрестного теплового сопротивления. Одна из них связана с потоком тепла по верхнему медному слою платы DBC, другая - с потоком тепла по базовой плате, являющейся основанием корпуса модуля. Разработанный метод позволяет измерять не только все компоненты теплового сопротивления между переходом транзистора и корпусом модуля, но и перекрестные тепловые сопротивления между произвольно выбранными парами транзисторов.

Ключевые слова: силовой модуль на IGBT-транзисторах, матрица тепловых сопротивлений, перекрестные тепловые сопротивления, модуляционный метод
Опубликовано в разделе: Схемотехника и проектирование
Библиографическая ссылка: Смирнов В. И., Гавриков А. А., Нейчев В. Ф. Модуляционный метод измерения тепловых сопротивлений в силовых модулях на IGBT-транзисторах // Изв. вузов. Электроника. 2025. Т. 30. № 1. С. 40–50. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-40-50. EDN: GICCZD.
Источник финансирования: Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 23-29-00026).

Смирнов Виталий Иванович
Ульяновский государственный технический университет (Россия, 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32); Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН (Россия, 432011, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2)

Гавриков Андрей Анатольевич
Ульяновский филиал Института радиотехники и электроники имени В. А. Котельникова РАН (Россия, 432011, г. Ульяновск, ул. Гончарова, 48/2)

Нейчев Владимир Федорович
Ульяновский государственный технический университет (Россия, 432027, г. Ульяновск, ул. Северный Венец, 32)

1. Попов М. А. IGBT и их применение в преобразовательной технике // Молодежь и научно-технический прогресс: междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и мол. ученых (Губкин, 16 апр. 2015). Т. 1. Губкин: БГТУ им. В. Г. Шухова, 2015. С. 223-226. EDN: VZVDXV
Popov M. A. IGBT and their application in converter technology. Molodezh’ i nauchno-tekhnicheskiy progress, international res.-to-pract. conf. of students, postgraduate students and young researchers (Gubkin, Apr. 16, 2015). Vol. 1. Gubkin, BSTU n. a. V. G. Shukhov, 2015, pp. 223–226. (In Russian).

2. Шульц М. Тепловой интерфейс - ключевой фактор в продлении срока службы силовой электроники // Силовая электроника. 2012. Т. 4. № 37. С. 18-19. EDN: PBMEUH
Schulz M. Thermal interface, a key factor in improving lifetime in power electronics. Bodo’s Power Systems, 2012, no. 12. Available at:
https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Thermal_interface_a_key_factor_Bodo-ART-v1.0-en.pdf?fileId=db3a30433b47825b013b64e39a980167 (accessed: 02.09.2024).

3. ГОСТ 19656.15-84. Диоды полупроводниковые СВЧ. Методы измерения теплового сопротивления переход - корпус и импульсного теплового сопротивления. М.: Изд-во стандартов, 1984. 21 с.
GOST 19656.15–84. Semiconductor UHF diodes. Measurement methods of thermal resistance and pulse thermal resistance. Moscow, Izd-vo standartov Publ., 1984. 21 p. (In Russian).

4. Thermal impedance measurement for insulated gate bipolar transistors (Delta VCE(on) method): standard JESD24-12 // JEDEC [Электронный ресурс]. 2004. URL: https://www.jedec.org/standards-documents/docs/jesd-24-12 (дата обращения: 02.09.2024).

5. Thermal resistance of IGBT Modules (AN-1404) // Semikron Danfoss [Электронный ресурс]. 30.11.2014. URL: https://www.semikron-danfoss.com/service-support/downloads/detail/semikron-application-note-thermal-... (дата обращения: 02.09.2024).

6. Schweitzer D., Ender F., Hantos G., Szabó P. G. Thermal transient characterization of semiconductor devices with multiple heat sources - Fundamentals for a new thermal standard // Microelectron. J. 2015. Vol. 46. Iss. 2. P. 174-182. DOI: 10.1016/j.mejo.2014.11.001

7. Хохлун А., Чигиринский С., Шайдуллин Р. Перспективные технологии для сборки силовых модулей и приборов // Электроника: НТБ. 2021. № 3 (204). С. 156-161. -. DOI: 10.22184/1992-4178.2021.204.3.156.161 EDN: UBTNZA
Khokhlun A., Chigirinsky S., Shaydullin R. Advanced technologies for power modules and devices assembly. Elektronika: NTB = Electronics: STB, 2021, no. 3 (204), pp. 156–161. (In Russian).
https://doi.org/10.22184/1992-4178.2021.204.3.156.161

8. Department of Defense test method standard. Transistor electrical test methods for semiconductor devices, pt. 3: MIL-STD-750-3 // MIT Kavli Institute for Astrophysics and Space Research [Электронный ресурс]. 03.01.2012. URL: https://snebulos.mit.edu/projects/reference/MIL-STD/MIL-STD-750-3.pdf (дата обращения: 02.09.2024).

9. ГОСТ 30617-98. Приборы полупроводниковые силовые. Общие технические условия. М.: Изд-во стандартов, 2004. III, 35 c.
GOST 30617–98. Power semiconductor modules. General specifications. Moscow, Izd-vo standartov
Publ., 2004. iii, 35 p. (In Russian).

10. Salinaro A., Hoenes H.-P. Thermal impedance matrix characterization of co-packed discrete IGBT and diode // PCIM Europe 2017: International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management. Nuremberg: VDE, 2017. P. 1070-1073.

11. Smirnov V. I., Sergeev V. A., Gavrikov A. A., Shorin A. M. Modulation method for measuring thermal impedance components of semiconductor devices // Microelectron. Reliab. 2018. Vol. 80. P. 205-212. DOI: 10.1016/j.microrel.2017.11.024

12. Smirnov V. I., Gavrikov A. A. Measurement of the thermal impedance matrix of power modules by the modulation method // IEEE Transactions on Electron Devices. 2023. Vol. 70. No. 10. P. 5223-5227. DOI: 10.1109/TED.2023.3306322 EDN: GQUDPK

13. Смирнов В. И., Гавриков А. А. Исследование теплоэлектрических свойств мощных MOSFET-транзисторов // Изв. вузов. Электроника. 2023. Т. 28. № 5. С. 600-611. -. DOI: 10.24151/1561-5405-2023-28-5-600-611 EDN: TQEMOG
Smirnov V. I., Gavrikov A. A. Study of the thermoelectric properties of powerful MOSFETs. Izv.
vuzov. Elektronika = Proc. Univ. Electronics, 2023, vol. 28, no. 5, pp. 600–611. (In Russian). https://doi.org/10.24151/1561-5405-2023-28-5-600-611

Сведения о публикации

УДК: 681.518.3
Тип публикации: Научная статья
DOI: 10.24151/1561-5405-2025-30-1-40-50
Идентификатор статьи в РИНЦ: GICCZD

JATS XML