Design and Validation of an IGBT Surface Temperature Measurement System

Abstract

The purpose of this work was to design a measurement system to measure IGBT surface temperature when IGBT switches and to be able to compare actual surface temperature to a normal heatsink measurement.

In semiconductors, component temperature has a huge effect in reliability and product life time. Actual temperature measurements help in life time expectation estimations.

Measurement board was designed and validated to able to measure IGBT surface temperatures while modulating. Validation measurements were performed using IGBT module with pre-installed thermocouple. As IGBT environment has high level of electromagnetic interference, design and validation methods includes filtering possibilities.

The resulting design can measure IGBT surface temperature measurements in a few specific cases. The original target of measuring temperature variation when IGBT switches is not possible due to filtering not being able to handle all the switching noise. However, junction temperature can be compared to heatsink temperature.

Työn tarkoituksena oli toteuttaa mittausjärjestelmä, jolla pystytään mittaamaan IGBT:n pintalämpötilaa IGBT:tä kytkettäessä, sekä saada vertailukelpoisia tuloksia aikaisemmin jäähdytyslevystä mitattuihin lämpötiloihin verrattuna.

Puolijohdekomponenttien lämpötila vaikuttaa merkittävästi niiden luotettavuuteen sekä elinajanodotteeseen. Konkreettiset lämpötilamittaukset tukevat aikaisempia elinikälaskelmia.

Työssä suunniteltiin, toteutettiin ja validoitiin mittausjärjestelmä, jolla pystytään mittaamaan valmistajan IGBT moduulin sisälle asentamaa termoparia. Mittausympäristön tiedettiin olevan erityisen häiriöaltis, joten suunnittelu- ja validointimetodit sisälsivät mahdollisimman paljon erilaisia suodatusmahdollisuuksia.

Toteutetulla mittausjärjestelmällä pystytään mittaamaan IGBT:n pintalämpötilaa muutamissa erityistilanteissa. Alkuperäinen tavoite, IGBT:n kytkennän aiheuttaman lämpötilan nousun mittaaminen jäi tavoittamatta, sillä kytkentähäiriöiden suodattaminen osoittautui mahdottomaksi. Sen sijaan pintalämpötilaa pystytään vertaamaan aikaisempiin jäähdytyslevystä mitattuihin lämpötiloihin.