瞬态工况下功率器件的结温测量思路探讨（一）
功率器件的结温与其安全性、可靠性直接相关，测量和校核开关电源、电机驱动以及一些电力电子变换器的功率器件结温，（如MOSFET或IGBT等），具有非常重要的工程意义。2010年，JESD 51-14规定了稳态下结温的测量方法，由于该方法测试时，需要从实际工作电路切换成非常小的测试电路，并不能对功率器件在瞬态工况下的结温做实时测量。在工业应用中，对于电力电子变换器，伺服驱动器等，为了保证其可靠性，一般会设计具有过电压、过电流、过热等保护电路，同时为了平衡产品设计方案的性能和成本，能精确测量功率器件在工作状态的瞬态结温，成为行业比较迫切的实际需求。
常规测量IGBT稳态温度的办法是用Rthjc来估算，如下图所示：
先不说这种方法存在很多问题，由于瞬态工作情况下，电流和导通电阻是一直变化的，用这种方法无法测量瞬态结温。
要想能测试瞬态结温，自然是需要对测试方法做创新，而创新需要想象力，我们结合多年的热测试技术的理解和经验，尝试几种测试瞬态结温的方法，有一些已经是验证过的，而一些方法并没有验证，只是一个思路，后续需要结合大量的实验和计算来佐证或者推翻这些思路。
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第一种方法，瞬态热阻曲线法。
用瞬态热阻曲线去估算结温，其计算公式：
Tj= I2R × Zth
其中：
Tj ：瞬态结温
I ：单脉冲的电流值
R ：导通电阻
Zth ：动态热阻
这种方法简单易用，但是有较大的误差。
电流是变化的，假如导通电阻不变，可以根据电流的变化去估算功率的变化，数学上还是可以计算出瞬态的结温。然而IGBT的导通电阻是变化的，和IGBT的结温相关，而这个结温刚好是我们要测的结果，工程应用中，通常会选择某一个温度下的电阻值作为导通电阻去计算，以简化计算过程，这个误差是难以消除的。
而实际上Zth曲线也不是唯一的，散热结构不同，该曲线也会变化，从上图中可以看出，紫色，黄色，蓝色，绿色分别代表不同的散热路径材料的动态热阻曲线。而从三维传热的角度去考虑，散热结构不仅仅和材料相关，还和功率相关。实际应用中，我们也只能选择特定散热结构下的某功率的动态热阻曲线，这个误差也难以消除。
用动态热阻曲线去估算瞬态结温，由于无法考虑很多动态变化的因素，在允许比较大的误差时，才可以去使用。
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第二种方法，固定温度测量点温度值映射法。
瞬态工况下，IGBT的结温不断变化，温度采集点NTC的温度也会不断变化，由于IGBT向温度采集点的传导的功率不断变化且不可测量，通过两点之间的温度差无法计算两点之间的热阻，所以，虽然我们可以通过NTC能够知道测量点的瞬态温度，却无法通过一个简单计算公式去估算结温。
一个假设，NTC的瞬态温度和瞬态结温存在一一对应的关系。
具体实施步骤：
在芯片内部选择或集成某个温度检测点，并布置高频温度传感器。条件允许的情况下，该点时间常数越小越好；
对加热电流进行标准化；
选择某恒定的电流把系统加热至热平衡；
用1us的时间，切换成测试电流，同时以1M的采样速率去采集结电压和NTC的瞬态数据，并在时序上保持同步，得到NTC和结温在时序上的对应关系；
改变加热电流，重复按照上述步骤，得到不同电流下的,结温和NTC数据的对应关系，形成数据矩阵；
瞬态工况中，调用在数据矩阵中的电流数据，再根据NTC的瞬态温度，直接读出结温。
这仅仅是一个思路，还没有足够数据证明该种方法的普适性（目前鲁欧热测试实验室有少量的相关实验数据）。这是因为，业界以前没有并某设备具有用1M采样速率采集NTC和结温信号并在时序上保持同步的功能，我们也是根据业界的实际需求，在我们的瞬态热测试设备上开发了该功能（从实际的数据和数据对比中，确实能看到一些以前没有看到的信息）。
这个方法优点是很明显的，如果数据矩阵足够强大，其瞬态结温的测试精度还是非常高的。但同时缺点也很明显，要建立这样一个测试矩阵，首先要合理标准化测试条件，并基于条件需要做大量的精确的热测试，其工作量非常大。这种测试工作量如果再乘以器件的数目种类，散热结构，那就是一个天文数字。所以这种方法只能应用在关键的器件上，不可能应用于所有的功率器件。
接下来，我们在下一篇文章探讨另外两种，瞬态工况下IGBT结温的测试方法。
（未完待续）
