【導讀】在IGBT應用中，結溫是經常使用的一個參數，大部分讀者應該都很熟悉這個概念，但是這和元宇宙有什么關系呢？
我想先請大家考慮一個問題：
IGBT結溫到底是指具體哪兒的溫度？
你們是不是已經開始上百度搜索答案了？
我在百度百科以及維基百科搜索出結溫的解釋大概是這樣的：晶體管結溫，簡稱結溫，是指半導體芯片內的最高工作溫度，通常芯片的結溫會比芯片的外殼高。。。
原來結溫就是芯片內部最高點的溫度，但是溫度最高點具體是在哪兒呢？怎么測量出這個點的溫度？
聊到這里，就呼應上了文章標題提到的元宇宙概念。
“
元宇宙本質上是對現(xiàn)實世界的虛擬化、數字化過程。大家平時常說的IGBT結溫其實是現(xiàn)實世界IGBT芯片虛擬化后的溫度，大家是否注意到在IGBT器件datasheet里的結溫代號是Tvj，這里的”v”是什么意思？其實v是指virtual，Tvj就是virtual junction temperature——虛擬的結溫。
為什么要用虛擬結溫來描述IGBT的芯片溫度呢？真實的溫度是多少就多少唄，干嘛要玩虛的？
原因很簡單，就是IGBT芯片的溫度并不是均勻的，請看下圖。
這是IGBT模塊里的一個芯片，芯片導通電流發(fā)熱時，通過紅外成像儀拍攝出的照片可以看出芯片表面的溫度分布情況。在芯片中部我們畫一條測量線，實測出的溫度分布值如上圖右側所示，我們可以看出芯片中部溫度高，四周溫度低，并且芯片上綁定線的溫度比芯片表面更高。還需要注意一點，就是綁定線和芯片表面的溫差并不是固定不變的，而是隨著電流增加而升高的。
在實際應用中IGBT模塊或分立器件內部的芯片并不是裸露出來的，我們無法用紅外成像儀實際的測試芯片溫度。此外在芯片上貼溫度傳感器（熱電偶）的辦法也不靠譜，因為熱電偶在芯片不同位置會測出不同的溫度，并且粘合點的緊密程度會影響測溫結果。
還有就是一個IGBT模塊里有很多芯片并聯(lián)，例如下圖中這個IGBT模塊，上下橋臂都是3個IGBT芯片并聯(lián)。
通過紅外成像儀測量可以看出，當IGBT模塊在發(fā)熱時，每個芯片的實測溫度也是不同的，那一個IGBT模塊的Tvj到底是指哪個芯片的溫度呢？
要理解Tvj的定義，首先我們要了解IGBT模塊或分立器件的熱阻Rth是如何測量的。
關于IGBT模塊熱阻測量有一篇史前權威文獻，就是Dr. Reinhold Bayerer 在1989年PICM上發(fā)表的論文“Measuring the Thermal Resistance of IGBT Modules”.
這篇文章介紹了IGBT在流過一確定的電流時，IGBT的Vcesat值是隨芯片溫度線性變化的。如下圖所示，抱歉史前文獻的畫質欠佳。
利用這個特點可以幫助我們測量IGBT模塊的熱阻，具體測量辦法在英飛凌的應用手冊“AN2015-10 Transient Thermal Measurements and thermal equivalent circuit models”里也有更詳細的介紹。
首先需要用加熱設備把被測IGBT模塊均勻的加熱到一個確定的溫度，然后用1/1000 Ic_nominal的電流作為基準電流I_ref，測量這個被測IGBT模塊在此溫度下流過I_ref時的Vcesat。在各個溫度下這么測一次，就可以描出如下圖所示的結溫和Vcesat標定線。
首先需要用加熱設備把被測IGBT模塊均勻的加熱到一個確定的溫度，然后用1/1000 Ic_nominal的電流作為基準電流I_ref，測量這個被測IGBT模塊在此溫度下流過I_ref時的Vcesat。在各個溫度下這么測一次，就可以描出如下圖所示的結溫和Vcesat標定線。
（以下部分是介紹測量IGBT模塊熱阻的具體方法，如果已經對此有了解的可以跳過這部分。）
在得到了IGBT結溫和Vcesat關系后，就是測量IGBT模塊的殼溫以及散熱器溫度了。一般是在散熱器上對應IGBT模塊芯片位置的正下方埋上熱電偶，如下圖所示。
定義上圖中這兩個熱電偶位置測量的溫度分別是IGBT模塊殼溫Tc、和散熱器溫度Th。
測量電路拓撲如下圖所示：
這里有一個負責加熱的大電流源提供heating current，電流值一般為Ic_nominal同數量級，這個電流持續(xù)流過被測IGBT模塊，使其發(fā)熱并持續(xù)達到熱平衡。同時還有一個測量電流源持續(xù)提供I_ref流過IGBT模塊。
在t=0時刻突然把heating current切斷，但是I_ref還保持流通。
如上圖所示，在t=0時刻之后，I_ref流通產生的Vcesat表征了IGBT結溫Tj的下降過程，同時Tc和Tj也同時通過熱電偶實測得出。通過Tj和Tc隨時間變化關系可以換算出IGBT模塊熱阻抗。
為了方便數學公式表達，一般會使用Foster模型表示熱阻抗Zth，下圖為Foster模型下的熱阻抗網絡。
熱阻抗公式：
熱阻抗曲線：
當然，除了上面介紹的測量方式還有其他可以獲得熱阻抗的方法，例如最近幾年很熱門的結構函數推導，這里就不詳細介紹了，大家如果感興趣看看JESD-51-14。
可能各位讀者看到這里會覺得波老師是不是跑題了，其實并沒有跑題，因為Tvj結溫就是基于這個熱阻抗Zth(t)計算出來的。
總結一下Tvj定義的邏輯大概是這個樣子：
● 在溫箱中均勻的溫度環(huán)境下達到熱平衡后，樣品IGBT模塊所有芯片和部件的溫度完全一致，這時可以認為溫箱的溫度就是IGBT實際結溫。比如說溫箱是120℃，那溫箱內IGBT芯片實際溫度可認為是理想的120℃
● 此時120℃的樣品IGBT芯片實測出在I_ref電流時的Vcesat，比如說是0.5V。
● 當此樣品IGBT模塊安裝到熱阻測試臺的散熱器上，通過幾百安培直流電流發(fā)熱時，其實IGBT模塊內部并聯(lián)芯片的溫度是不一致的。但是即使溫度不均，但是IGBT模塊還是會在通過I_ref值時呈現(xiàn)一個確定的Vcesat，例如恰巧實測的Vcesat還是0.5V。
● 這時IGBT模塊的Tvj就是120℃，因為它表征溫度的Vcesat=0.5V，和芯片在理想均勻的120℃時Vcesat測試值相同。但其實真實的芯片結溫可能中間這片表面中心位置125℃，綁定線130℃，而邊上的芯片表面只有110℃.
● 在實際IGBT模塊應用中，也不可能用I_ref電流去測Vcesat推算Tvj，因此實際應用中我們提到的Tvj就是實測基準溫度（例如進風口溫度）疊加上熱阻的溫升推算出來的，甚至還可以通過瞬態(tài)熱阻抗網絡推導出動態(tài)Tvj的波動，例如下圖中這類電動車啟動加速到剎車停車的IGBT模塊Tvj波動。
總 結
總而言之，IGBT模塊在現(xiàn)實工況中的結溫是復雜分布，且瞬息變化的，像上圖中這種頻率的溫度波動基本是不太可能通過物理方式測量的。而IGBT模塊的Foster Zth模型就是在元宇宙中的熱模型，Tvj就是基于Zth熱模型推導出來的溫度。
這就像是一個現(xiàn)實世界中的人，身上每個器官每個細胞在微觀視角中都是時刻處于變化的，而我們在元宇宙中的虛擬身份并不會包含那么多的微觀細節(jié)，一個簡單的形象甚至是抽象的代號都可以指代一個人，但這并不影響我們在微信上互相聊天互相點贊。
而IGBT也是一樣，在仿真計算中，我們不需要關心那些復雜的溫度梯度分布，只需要用一個歸一化的Tvj就可以指代這個模塊芯片的大概溫度狀態(tài)。而英飛凌在標定IGBT模塊安全工作區(qū)時已經留了足夠的裕量，所以客戶只需要關心Tvj有沒有超過上限就可以了，而不需要深入分析模塊內芯片溫度分布以及甚至綁定線的溫度。廠家操心多一點點，客戶操心就少一點點。祝大家大IGBT的元宇宙中玩得愉快！
來源：波拉圖學園 ，作者波拉圖學園
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