[發明專利]一種基于磁納米粒子的IGBT結溫測量方法

有效

• 申請號: 201910127850.0
• 申請日: 2019-02-20
• 公開（公告）號: CN109946578B
• 公開（公告）日: 2020-05-19
• 發明（設計）人: 劉文中;凌子文;杜中州;皮仕強
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26;G01K11/32
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;曹葆青

本發明公開了一種基于磁納米粒子的IGBT結溫測量方法，包括：將磁納米粒子布置在IGBT芯片外殼背部的中心區域，構建IGBT結、IGBT芯片外殼與工作環境的二階傳熱模型；構建均勻的交流激勵磁場，將帶有磁納米粒子的IGBT芯片放置于所述磁場后，提取磁納米粒子響應信號的一次諧波幅值；根據一次諧波幅值，計算IGBT芯片外殼背部溫度；根據IGBT芯片外殼背部溫度、工作環境溫度和二階傳熱模型，計算IGBT結溫。本發明使磁納米粒子接近IGBT結處，提高IGBT結溫測量的精度；利用磁納米粒子磁化強度的溫度敏感特性，測量磁納米粒子交流磁化強度的一次諧波幅值，得到外殼背部溫度，無需破壞IGBT芯片的現有封裝，實現非侵入式溫度測量；通過二階熱容熱阻傳熱模型，實現IGBT結溫的實時測量。

技術領域

本發明屬于納米測試技術領域，更具體地，涉及一種基于磁納米粒子的IGBT結溫測量方法。

背景技術

自上世紀80年代初研發成功后，IGBT的制造工藝一直在改進。IGBT器件集合了MOSFET與BJT的優點，并以高開關速度與低開關損耗被視為理想開關，廣泛應用于逆變器等領域。然而IGBT在較為嚴苛的外部應力下容易失效，從而導致經濟損失與社會影響。眾多半導體廠家以及文獻總結出了IGBT的壽命預測模型，主要表現為工作的壽命與芯片溫升的關系曲線，體現出IGBT結溫測量的重要性。

現有技術中，IGBT結溫的測量方法大致分為：接觸測量法、非接觸測量法、溫度敏感參數法以及熱網絡法。接觸式測量方法包括熱敏電阻等，但由于需要改變封裝從而破壞溫度場等原因，測量的結果會導致較大誤差；非接觸式測量法主要包括光纖溫度計、紅外攝像等，存在需要對封裝進行破壞并且整套設備造價昂貴的缺點；溫度敏感參數法利用的是IGBT元件的飽和壓降等熱敏參數，通過擬合熱敏參數與溫度的關系曲線，從而測量熱敏參數值得到溫度信息，但由于存在適用的局限性，并不適合實時的溫度測量；熱網絡法通過提出IGBT的傳熱模型、結合模型參數與測量點的溫度，計算得到待測點的溫度信息，但由于IGBT應用電路除了IGBT芯片之外，還有其他大功率器件，并且多個器件存在熱耦合，模型建立以及參數計算較為復雜，且會隨著器件的老化使得溫度測量產生較大誤差。

磁納米粒子是一種納米尺度的四氧化三鐵顆粒，具有良好的溫度敏感特性，可以實現非侵入式溫度測量。2009年，J.B.Weaver等人利用MNP(磁納米粒子)磁化曲線的非線性特性，通過交流磁化強度的三次諧波和五次諧波幅值比值，實現了溫度測量，其測量精度約為0.3K。2012年，J.Zhong等人基于郎之萬順磁定理，建立了直流激勵下，磁化率與溫度之間的數學模型，并在模型中引入布洛赫定律后，溫度測量誤差的標準差達到了0.017K。但由于直流激勵下的溫度測量存在測量速度慢的缺點，無法應用到實時性要求較高的場合，J.Zhong等人提出交直流激勵下的磁化率數學模型，將溫度測量的時間分辨率提高到1s，且溫度測量精度為0.3K。

發明內容

為了解決上述問題，本發明提供了一種基于磁納米粒子的IGBT結溫測量方法，利用磁納米粒子測量芯片外殼背部溫度，結合二階傳熱模型及模型參數，實現IGBT結溫實時測量。

為實現上述目的，第一方面，本發明實施例提供了一種基于磁納米粒子的IGBT結溫測量方法，所述方法包括如下步驟：

S1.將磁納米粒子布置在IGBT芯片外殼背部的中心區域，構建IGBT結、IGBT芯片外殼與工作環境的二階傳熱模型；

S2.構建均勻的交流激勵磁場，將帶有磁納米粒子的IGBT芯片放置于所述磁場后，提取磁納米粒子響應信號的一次諧波幅值；

S3.根據提取到的一次諧波幅值，計算IGBT芯片外殼背部溫度；

S4.根據計算得到的IGBT芯片外殼背部溫度、工作環境溫度和二階傳熱模型，計算IGBT結溫。

具體地，所述磁納米粒子的粒徑為5～30nm。