Indirekte Sperrschichttemperaturbestimmung von Hochspannungs-IGBT-Modulen

In dieser Arbeit werden Messmethoden zur indirekten Sperrschichttemperaturbestimmung von Hochspannungs-insulated gate bipolar transistoren (IGBTs) untersucht. Ziel ist dabei die Identifizierung geeigneter temperatursensitiver elektrischer Parameter (TSEP) zur indirekten Bestimmung der Sperrschichttemperatur während des Betriebs der IGBTs im Stromrichter.

Dazu werden verschiedene TSEP zuerst theoretisch und anschließend experimentell untersucht. Die betrachteten Parameter werden in Diagrammen gegenübergestellt und anhand wesentlicher Eigenschaften, wie zum Beispiel Linearität, Sensitivität, Abhängigkeit von anderen Einflussgrößen, Streuung und Auswirkungen der Alterung, miteinander verglichen. Durch Bewertung der Parameter erfolgt die Auswahl von vier für den untersuchten IGBT-Typ am besten geeignetsten TSEP.

Für detailliertere Untersuchungen der ausgewählten vier Parameter wird eine Schaltungskonfiguration zum direkten Messen vorgeschlagen. Wesentliche Messergebnisse werden präsentiert und bewertet. Auf Grundlage der direkt am IGBT gemessenen Parameter mit angepasster Messschaltung findet die Auswahl eines am besten geeigneten TSEP statt. Der sich ergebende Parameter ist die während des Einschaltvorgangs des IGBTs messbare Quasischwellenspannung. Diese weist eine moderate Temperatursensitivität von -5,6 mV/K bis -2,8 mV/K auf und zeigt eine in der Höhe des Messrauschens (3 mV) liegende Abhängigkeit von anderen Einflussgrößen.

Zur experimentellen Verifikation der Messmethode fanden Untersuchungen an 4,5 kV IGBT-Modulen verschiedener Hersteller statt. In einem Stromrichter konnte die Funktionsweise der Messmethode nachgewiesen werden. Der Einfluss von unterschiedlichen Chiptemperaturen und internen Gatewiderstandstemperaturen wird mithilfe eines Modells bewertet. Eine Abschätzung der erreichbaren Temperaturbestimmungsgenauigkeit bei verschiedenen Kalibriermethoden stellt den letzten Teil dieser Arbeit dar.