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

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.

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