Zth-Messung (Si) - Zth Messtechnik - transiente thermische Impedanz von Leistungshalbleitern - thermisch-elektrische Simulation

Zth-Messtechnik Kiffe
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Zth-Messung (Si)

Beispiele
Prinzip der Zth-Messtechnik:

Bauelemente wie Dioden, MOSFETs, IGBTs oder Thyristoren verfügen intern über einen pn-Übergang. Dieser pn-Übergang ist temperaturabhängig und dient bei der Zth-Messung als Heizquelle sowie als Temperatursensor.

Um die transiente thermische Impedanz zu messen, wird der Prüfling mit einem definierten Laststrom bis zum stationären thermischen Zustand aufgeheizt. Am Ende der Aufheizphase werden Laststrom und Durchlassspannung für die Ver-lustleistung Pv ermittelt. Nach Abschalten des Laststromes wird in der Abkühl- phase ein definierter Messstrom eingespeist und die sich einstellende Durchlassspannung aufgezeichnet. Die "virtuelle Sperrschichttemperatur" kann dann mit Hilfe einer Kalibrierungskurve aus der gemessenen Durchlassspannung bestimmt werden. Die Vergleichsmessung mit der Flüssigkristall-Analyse belegt, dass die Sperrschichttemperatur relativ genau der mittleren Temperaturverteilung im Halbleiterchip entspicht. Die nachfolgenden Abbildungen zeigen den schematischen Aufbau zur Messung des transienten thermischen Widerstands, eine Kennlinie zur Kalibrierung und die Durchlasskennlinie einer Diode bei zwei verschiedenen Temperaturen.

Beispiel: Zth-Messung an einem 900A/1200V-IGBT-Halbbrückenmodul

Zth-Steuerprotokoll (1000A-Zth Meßplatz)

Datum: 03.09.2017  Uhrzeit: 10:18:12

Zth-Messung an einem 900A/1200V- IGBT-Halbbrückenmodul

Heizen: Low-Side-IGBT
Messen: Low-Side-IGBT

Kühlkörper: geschlossener Wasserkühler
Anzugsdrehmoment Modul: 5Nm
Wärmeleitpaste: silikonfrei, Dicke: ca. 70µm
Kühlmedium: Hauskühlwasser

Datei: 900A-IGBT.dat

Aufheizzeit: 100sec  Abkühl-Meßzeit: 100sec

Pv = 1992,010W     Ulast = 2,213V     Ilast = 900,14A

Imess = 0,29746A   Ug = 15,002V

Abkühlphase:
Kanal 1: Wasservorlaufdruck = 1,86bar
Kanal 2: Wasserrücklaufdruck = 0,68bar
Kanal 3: Wasservorlauftemperatur = 7,32°C
Kanal 4: Wasserrücklauftemperatur = 7,40°C
Kanal 5: Wasserdurchfluß = 20,16l/min

Aufheizphase:
Kanal 1: Wasservorlaufdruck = 1,88bar
Kanal 2: Wasserrücklaufdruck = 0,67bar
Kanal 3: Wasservorlauftemperatur = 7,37°C
Kanal 4: Wasserrücklauftemperatur = 8,85°C
Kanal 5: Wasserdurchfluß = 20,05l/min

Kalibrierwert: T = 7,40°C       U = 0,5594V
Kalibrierwert: T = 63,36°C     U = 0,4287V
Kalibrierwert: T = 95,69°C     U = 0,3517V

Zth-Auswertprotokoll

Datum: 03.09.2017  Uhrzeit: 10:29:03

Kurve von Datei: 900A-IGBT.dat

Spannung/Temperatur-Umrechnung:
Tabelle von Datei: 900A-IGBT.pk1

Verlustleistung (therm. Gleichgewicht) = 1992,010W

Ta(Meßk.) = 7,39°C                   Ta(Auswertk.) = 7,40°C        
Tj(Meßk.) = 113,00°C                Tj(Auswertk.) = 113,55°C      

Rthja(Meßk.) = 0,053020K/W      Rthja(Auswertk.) = 0,053288K/W

Erster Meßpunkt = 2,0000e-05s   letzter Meßpunkt = 1,0000e02s

Partialbruch-Netzwerk (Foster):
Rj, Cj, und Tau-Werte ab t(0)
Rj (K/W)             Cj (Ws/K)           Tau (s)
0,001238282      0,081634856      0,000101087
0,001658596      0,459951021      0,000762873
0,003451200      3,057068614      0,010550555
0,015215485      3,537202080      0,053820244
0,009498891      21,56445427      0,204838408
0,015009741      46,65171253      0,700230130
0,006463940      369,0026996      2,385211271
0,000757191      26449,71712      20,02748770

äquivalentes Kettenbruch-Netzwerk (Cauer):
Rj, Cj, und Tau-Werte ab t(0)
Rj (K/W)             Cj (Ws/K)           Tau (s)
0,001838832      0,066206795      0,000121743
0,002392428      0,367834798      0,000880018
0,012005141      1,179961977      0,014165610
0,013985544      2,650966841      0,037075214
0,012660052      19,39961793      0,245600177
0,007353640      72,43003162      0,532624347
0,002527141      828,4847185      2,093697492
0,000530548      36696,99001      19,46950219
Vom Steuerprogramm erzeugte Protokolldatei 900A-IGBT.pk1                                       Vom Auswertprogramm erzeugte Protokolldatei 900A-IGBT.pk2
 
Die aufgenommene Uce-Kurve nach Abschalten des Laststromes bei einem Messstrom von 300mA

Aus der Uce-Kurve und den Kalibrierwerten (Datei 900A-IGBT.pk1) umgerechnete T(Junction-Ambient)-Abkühlkurve

Gemessene Abkühlkurve ΔTja (Meßkurve blau) im Vergleich zum Auswertergebnis (Auswertkurve rot) aus der Partialbruch-Netzwerk-Tabelle
(Datei 900A-IGBT.pk2)

Screenshot (Auswertprogramm) von der letzten R/C-Werte-Extrahierung im Zeitbereich 20µs - 220µs nach dem Abschalten des Laststromes. Die R/Ʈ-Gerade
(rote Linie) entspricht in etwa den thermischen Eigenschaften der Modulschichten Silizium, Alu, Bondfuß und Chip-Lot. Diese korrekte Bestimmung bei
kurzen Zeiten ist entscheidend für eine genau Berechnung des thermischen Verhaltens in der Simulation, z.B. in der Lebensdauerberechnung.

Zth-Diagramm: Zth=f(tp), Parameter D=tp/T



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