Transient Thermal Measurement With an Integrated Temperature Sensor in a Power Semiconductor Chip
Kerttula, Eeli (2024)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024052917396
https://urn.fi/URN:NBN:fi:amk-2024052917396
Tiivistelmä
Tehopuolijohdemoduulien vaativat sovellukset suurien tehotiheyksien ja hankalien käyttöolosuhteiden takia edellyttävät usein tehopuolijohdemoduulien ylimitoitusta, jotta voidaan varmistaa komponentin luotettava toiminta koko sen elinkaaren ajan. Yhtenä suurimmista haasteista on ollut se, että tehopuolijohdesirun aktiivisen alueen lämpötilaa on ollut vaikea estimoida käytön aikana aiemmin tunnetuilla menetelmillä. Uusien estimointimenetelmien parantunut tarkkuus voi poistaa tietyt tehopuolijohdemoduulien rajoitukset, mikä saattaa pitkällä aikavälillä tuottaa merkittäviä kustannussäästöjä ja ympäristöhyötyjä.
Tässä opinnäytetyössä tutkittiin tehopuolijohdesiruun integroidun lämpötila-anturin käyttöä transienttilämpötilan mittauksessa. Eräs valmistaja toimitti prototyypin uudesta IGBT-moduulista, jossa on monoliittisesti tehopuolijohdesiruun integroitu diodiketjuun perustuva lämpötila-anturi. Tutkimuksen tavoitteena oli arvioida lämpöanturin käyttäytymistä verrattuna laajalti tutkittuihin ja käytettyihin estimointimenetelmiin, suorittamalla lämpöimpedanssimittaus transientin hyödyntämällä fyysisiä mittauksia rinnakkain FEM-simulointien kanssa. Anturin dynaamista käyttäytymistä IGBT:n kytkentähetkellä tutkittiin kaksoispulssitestien avulla.
Transienttilämpöanalyysin tulokset viittasivat FEM-simulointimallin epätarkkuuteen, joka johtui oletettavasti epätarkasta lämmönsiirtomateriaalin mallista. Tulokset viittasivat myös mahdolliseen moduulin sisäiseen epätasaiseen virran jakautumiseen, joka saattaa aiheuttaa merkittävän lämpötilaeron integroidulla lämpötila-anturilla varustetun sirun ja kuumimman sirun välillä. Kaksoispulssitestin tulokset osoittivat diodien takaisinkytkentävirrasta johtuvan lyhyen ~5–10 μs pituisen värähtelyn, jonka jälkeen mittausta voidaan pitää luotettavana. Lisäksi havaittiin epäilyttävän nopea muutos anturin lämpötilasta riippuvassa jännitteessä transientin aikana, jolla vaikutti olevan riippuvuus kollektorivirran suuruudesta. Muutamat eri menetelmät viittasivat, että niin suuri muutos ei ole fyysisesti mahdollista niin nopeassa ajassa. Tarkka syy jäi toistaiseksi epäselväksi, joten käyttäytyminen, kuten myös moduulin virran jakautuminen vaatii jatkotutkimuksia ennen lopullisia johtopäätöksiä.
Anturin mahdollisella kollektorivirtariippuvuudella ei kuitenkaan näytä olevan vaikutusta anturin käytettävyyteen, sillä anturia voidaan hyödyntää hyvin IGBT:n ollessa ei johtavassa -tilassa. Kaiken kaikkiaan anturia voidaan näistä epävarmuustekijöistä huolimatta pitää luotettavana ja sopivana käytettäväksi teollisuuden vaihtosuuntaajasovelluksissa, joissa hyödynnetään pulssinleveysmodulaatiota. Demanding applications of power semiconductor modules due to high-power densities in harsh operating conditions often require oversizing of the power semiconductor modules to ensure reliable operation of the components throughout their lifecycle. One of the driving factors has been the difficulty of estimating the temperature of the active region of the power semiconductor chip during operation with existing methods. The improved accuracy of new estimation methods can overcome some of the existing limitations of power semiconductor modules, which can lead to significant cost savings and environmental benefits in the long run.
In this thesis, the use of an integrated temperature sensor in a power semiconductor chip for transient thermal measurement was investigated. A selected manufacturer provided a prototype of a new IGBT module, which has a temperature sensor based on string of diodes monolithically integrated into the power semiconductor chip. The aim of the study was to evaluate the behaviour of the temperature sensor against widely studied and used estimation methods, by conducting transient thermal impedance evaluation utilizing in-situ measurements in parallel with FEM simulations. The dynamic behaviour of the sensor at the switching moment of the IGBT was also studied by conducting double pulse tests.
Transient thermal analysis results suggested inaccuracy in the FEM simulation model, presumably due to an inaccurate thermal interface material model. The results also suggested a possible non-uniform current distribution inside the module, which could introduce a significant temperature difference between the chip with the integrated temperature sensor and the hottest chip. The double pulse test results showed a short ~5-10 μs oscillation during transient due to reverse recovery current of the diodes after which the measurement can be considered reliable. Also, a suspiciously fast shift in the temperature-dependent voltage of the sensor during transient was observed, which seemed to have relation to magnitude of the collector current. Certain analytical methods suggested that such a rapid shift is not physically possible within such a short timeframe. The exact reason remained unclear so far, and thus the behaviour, as well as the current distribution inside the module requires further investigation before it can be concluded.
However, the possible collector current dependency of the sensor does not seem to have any impact on the usability of the sensor as the sensor can be well utilized in the off-state of the IGBT. Overall, despite some uncertainties, the sensor can be considered reliable and suitable for usage in industrial inverter applications utilizing pulse width modulation.
Tässä opinnäytetyössä tutkittiin tehopuolijohdesiruun integroidun lämpötila-anturin käyttöä transienttilämpötilan mittauksessa. Eräs valmistaja toimitti prototyypin uudesta IGBT-moduulista, jossa on monoliittisesti tehopuolijohdesiruun integroitu diodiketjuun perustuva lämpötila-anturi. Tutkimuksen tavoitteena oli arvioida lämpöanturin käyttäytymistä verrattuna laajalti tutkittuihin ja käytettyihin estimointimenetelmiin, suorittamalla lämpöimpedanssimittaus transientin hyödyntämällä fyysisiä mittauksia rinnakkain FEM-simulointien kanssa. Anturin dynaamista käyttäytymistä IGBT:n kytkentähetkellä tutkittiin kaksoispulssitestien avulla.
Transienttilämpöanalyysin tulokset viittasivat FEM-simulointimallin epätarkkuuteen, joka johtui oletettavasti epätarkasta lämmönsiirtomateriaalin mallista. Tulokset viittasivat myös mahdolliseen moduulin sisäiseen epätasaiseen virran jakautumiseen, joka saattaa aiheuttaa merkittävän lämpötilaeron integroidulla lämpötila-anturilla varustetun sirun ja kuumimman sirun välillä. Kaksoispulssitestin tulokset osoittivat diodien takaisinkytkentävirrasta johtuvan lyhyen ~5–10 μs pituisen värähtelyn, jonka jälkeen mittausta voidaan pitää luotettavana. Lisäksi havaittiin epäilyttävän nopea muutos anturin lämpötilasta riippuvassa jännitteessä transientin aikana, jolla vaikutti olevan riippuvuus kollektorivirran suuruudesta. Muutamat eri menetelmät viittasivat, että niin suuri muutos ei ole fyysisesti mahdollista niin nopeassa ajassa. Tarkka syy jäi toistaiseksi epäselväksi, joten käyttäytyminen, kuten myös moduulin virran jakautuminen vaatii jatkotutkimuksia ennen lopullisia johtopäätöksiä.
Anturin mahdollisella kollektorivirtariippuvuudella ei kuitenkaan näytä olevan vaikutusta anturin käytettävyyteen, sillä anturia voidaan hyödyntää hyvin IGBT:n ollessa ei johtavassa -tilassa. Kaiken kaikkiaan anturia voidaan näistä epävarmuustekijöistä huolimatta pitää luotettavana ja sopivana käytettäväksi teollisuuden vaihtosuuntaajasovelluksissa, joissa hyödynnetään pulssinleveysmodulaatiota.
In this thesis, the use of an integrated temperature sensor in a power semiconductor chip for transient thermal measurement was investigated. A selected manufacturer provided a prototype of a new IGBT module, which has a temperature sensor based on string of diodes monolithically integrated into the power semiconductor chip. The aim of the study was to evaluate the behaviour of the temperature sensor against widely studied and used estimation methods, by conducting transient thermal impedance evaluation utilizing in-situ measurements in parallel with FEM simulations. The dynamic behaviour of the sensor at the switching moment of the IGBT was also studied by conducting double pulse tests.
Transient thermal analysis results suggested inaccuracy in the FEM simulation model, presumably due to an inaccurate thermal interface material model. The results also suggested a possible non-uniform current distribution inside the module, which could introduce a significant temperature difference between the chip with the integrated temperature sensor and the hottest chip. The double pulse test results showed a short ~5-10 μs oscillation during transient due to reverse recovery current of the diodes after which the measurement can be considered reliable. Also, a suspiciously fast shift in the temperature-dependent voltage of the sensor during transient was observed, which seemed to have relation to magnitude of the collector current. Certain analytical methods suggested that such a rapid shift is not physically possible within such a short timeframe. The exact reason remained unclear so far, and thus the behaviour, as well as the current distribution inside the module requires further investigation before it can be concluded.
However, the possible collector current dependency of the sensor does not seem to have any impact on the usability of the sensor as the sensor can be well utilized in the off-state of the IGBT. Overall, despite some uncertainties, the sensor can be considered reliable and suitable for usage in industrial inverter applications utilizing pulse width modulation.