過渡熱抵抗の測定方法(基礎・測定回路)

AAA.基礎

熱は熱いところから冷たいところに流れます。

上図は、モジュールを意識した熱の流れを示しています。IGBT又はダイオードチップで発熱した熱は、まず半田を通過し、絶縁基板であるセラミックの上部の銅を通過し、セラミック、銅、半田、銅ベースと流れます。ここまでがデバイスですので、接合・ケース間の熱抵抗とは、ここまでの値を示します。その後更に、放熱グリスを介して放熱フィン、空気へと熱が伝わります。水冷の場合、液冷の場合は、放熱フィンの部分がそれらに変わります。一般にケースはチップに比べ大きいので、熱が放熱フィンに伝わる時、通電面積も同時に広がります。

上図は熱工学と電気工学で使用される重要な数式をしめしています。電気が抵抗を通して電流の形で流れ、コンデンサ(容量)に充電されるように、熱は、熱抵抗を通して熱容量に充電されます。ヒータが発熱して部屋を暖めるようなものです。図示したように温度が電圧に該当し、熱(又は熱流)が電流に相当し、熱抵抗が抵抗に相当し、熱容量が容量に相当します。

上記は、半導体に使用される主な材料の物理定数です。Al2O3やSiNは絶縁基板とよばれているもので、特性の改善が行われていますので、必要であれば、その都度、メーカに問い合わせ下さい。また、絶縁基板では無く、絶縁樹脂を利用した半導体も開発されています。

上図は樹脂封止の半導体の物理モデルの例を示します。熱の流れる面積が一定で、厚さが図示のようであれば、熱抵抗が最も大きいのはパッケージとして利用しているモールド材となり、飽和するまでに43秒以上係る事になります。絶縁されていない半導体の場合は、銅ベースまでなので、ほぼ6.3ms程度で飽和します。モジュールの場合は、モールド樹脂の部分に絶縁基板が入り、その後にベース板としての銅が追加されます。チップの面積に比べ放熱される銅のベース板は面積が広いので、有効な面積は一定ではなく、ほぼ45度の角度で広がると言われています。時定数は1から10秒になるようです。関心のある方は、メーカのデータシートで確認して下さい。

BBB.過渡熱抵抗の測定回路

B-1.ダイオード

上記にダイオードの過渡熱抵抗の測定方法を紹介します。まずスイッチ(SW1)がオフの状態で、電源Vcc2より抵抗R2を介して供試素子(DUT)に検出電流を通電し、電圧降下(VF1)を測定します。次に温度上昇させる為にSW1をオンにします。すると抵抗R1で制限された電流が通電します。当然DUTの電圧降下(VF2)も増加します。測定時間(通常は1msから100ms程度)経過した後にSW1をオフにし電圧降下(VF3)を測定します。測定時のVFは図示したように、通電直後は当初のVF1より低くなり、温度が低下するとVF1に戻ります。⊿VFM=VF1-VF3が発熱による温度上昇分です。印加電力は、通電中の電流(IP)x電圧降下(VF2)となります。通電時間がt秒であったとすると、⊿VFM分の温度上昇/印加電力が時刻tにおける過渡熱抵抗となります。図ではZth(j-c)(t)=⊿Tj/Pと表示。VFを温度に変換するには、事前に供試素子の温度と検出電流による電圧降下の関係を測定しておく必要があります。検出電流の大きさは、検出電流の通電により温度上昇が無視できる程度という事になっていますので、定格電流の1%未満が目安になると思います。また⊿VFMが少ないと測定結果が誤差の範囲に入ってしまうので、温度上昇が50℃程度を超えるように、通電の電流を選びます。但し配線・電極等が破損するような大電流の通電は、避けて下さい。

B-2.IGBT

上記にIGBTの過渡熱抵抗の測定方法を示します。まず供試素子であるIGBTには、一定の条件(一般にはカタログ条件)でゲートにオン信号を与えておきます。次にスイッチ(SW1)がオフの状態で、電源Vcc2より抵抗R2を介して供試素子(DUT)に検出電流を通電し、電圧降下(VCE1)を測定します。次に温度上昇させる為にSW1をオンにします。すると抵抗R1で制限された電流が通電します。当然DUTの電圧降下(VCE2)も増加します。測定時間(通常は1msから100ms程度)経過した後にSW1をオフにし電圧降下(VCE3)を測定します。測定時のVCEは図示したように、通電直後は当初のVCE1より低くなり、温度が低下するとVCE1に戻ります。⊿VCEM=VCE1-VCE3が発熱による温度上昇分です。印加電力は、通電中の電流(IP)x電圧降下(VCE2)となります。通電時間がt秒であったとすると、⊿VCEM分の温度上昇/印加電力が時刻tにおける過渡熱抵抗となります。図ではZth(j-c)(t)=⊿Tj/Pと表示。VCEを温度に変換するには、事前に測定と同じゲート条件で供試素子の温度と検出電流による電圧降下の関係を測定しておく必要があります。検出電流の大きさは、検出電流の通電により温度上昇が無視できる程度という事になっていますので、定格電流の1%未満が目安になると思います。また⊿VCEMが少ないと測定結果が誤差の範囲に入ってしまうので、温度上昇が50℃程度を超えるように、通電の電流を選びます。但し配線・電極等が破損するような大電流の通電は、避けて下さい。温度が変わると、Vthが変化するので、理論的にはVthの温度特性を利用しても良いのですが、加熱用の電流を通電した直後にVth測定用の回路に切り替えるのは簡単ではないので、低電流でのVCE(sat)の温度特性を利用する事を推奨します。

B-3.MOSFET

上記にMOSFETの過渡熱抵抗の測定方法を示します。MOSFETの過渡熱抵抗を内蔵されているボディダイオード(BD)で測定する場合は、前項のダイオードの項を参照して下さい。但し検出電流がチャネルを通電しないように、ゲート・ソース間を短絡するか又は逆バイアスしておく必要があります。上記の回路はMOSFETのオン抵抗を利用した測定方法です。まず供試素子であるMOSFETには、一定の条件(一般にはカタログ条件)でゲートにオン信号を与えておきます。次にスイッチ(SW1)がオフの状態で、電源Vcc2より抵抗R2を介して供試素子(DUT)に検出電流を通電し、電圧降下(VDS1)を測定します。次に温度上昇させる為にSW1をオンにします。すると抵抗R1で制限された電流が通電します。当然DUTの電圧降下(VDS2)も増加します。測定時間(通常は1msから100ms程度)経過した後にSW1をオフにし電圧降下(VDS3)を測定します。測定時のVDSは図示したように、通電直後は当初のVDS1より高くなり、温度が低下するとVDS1に戻ります。⊿VDSM=VDS3-VDS1が発熱による温度上昇分です。印加電力は、通電中の電流(IP)x電圧降下(VDS2)となります。通電時間がt秒であったとすると、⊿VDSM分の温度上昇/印加電力が時刻tにおける過渡熱抵抗となります。図ではZth(j-c)(t)=⊿Tj/Pと表示。VDSを温度に変換するには、事前に測定と同じゲート条件で供試素子の温度と検出電流による電圧降下の関係を測定しておく必要があります。検出電流の大きさは、検出電流の通電により温度上昇が無視できる程度という事になっていますので、定格電流の1%未満が目安になると思います。また⊿VDSMが少ないと測定結果が誤差の範囲に入ってしまうので、温度上昇が50℃程度を超えるように、通電の電流を選びます。MOSFETの場合、IGBTに比べ温度による変化が大きいので、あまり大電流を通電する必要はありませんが、配線・電極等が破損するような大電流の通電は、避けて下さい。ただし、制限抵抗R1が小さく、印加電圧が低い場合は、通電中のVDSの変化により通電電流が減ってしまいますので、電圧波形・電流波形そのものを記録に残し、平均電力を算出して下さい。温度が変わると、Vthが変化するので、IGBT同様理論的にはVthの温度特性を利用しても良いのですが、加熱用の電流を通電した直後にVth測定用の回路に切り替えるのは簡単ではないので、低電流でのVDS(一般にはRdsという)の温度特性を利用する事を推奨します。

B-4.三相全波整流回路(ダイオード)

上記に三相全波整流回路の過渡熱抵抗の測定方法を紹介します。基本的には先のダイオードと同じです。まずスイッチ(SW1)がオフの状態で、電源Vcc2より抵抗R2を介して供試素子(DUT)に検出電流を通電し、電圧降下(VF1)を測定します。次に温度上昇させる為にSW1をオンにします。すると抵抗R1で制限された電流が通電します。当然DUTの電圧降下(VF2)も増加します。測定時間(通常は1msから100ms程度)経過した後にSW1をオフにし電圧降下(VF3)を測定します。測定時のVFは図示したように、通電直後は当初のVF1より低くなり、温度が低下するとVF1に戻ります。⊿VFM=VF1-VF3が発熱による温度上昇分です。印加電力は、通電中の電流(IP)x電圧降下(VF2)となります。通電時間がt秒であったとすると、⊿VFM分の温度上昇/印加電力が時刻tにおける過渡熱抵抗となります。図ではZth(j-c)(t)=⊿Tj/Pと表示。VFを温度に変換するには、事前に供試素子の温度と検出電流による電圧降下の関係を測定しておく必要があります。検出電流の大きさは、検出電流の通電により温度上昇が無視できる程度という事になっていますので、定格電流の1%未満が目安になると思います。但し温度特性を測定する時は、6個のダイオードが同じ温度に上昇していますが、過渡熱抵抗測定の場合は、VFの低い素子に電流が集中し、VFはそろっても電流(IF)は同一とはならないので、測定誤差が大きくなります。全波整流の回路ではなく、2直列のダイオードが3組と考えて、各組の電流を測定し、検出電流も3組分用意すれば、熱抵抗の分布も測定できます。また⊿VFMが少ないと測定結果が誤差の範囲に入ってしまうので、温度上昇が50℃程度を超えるように、通電の電流を選びます。但し配線・電極等が破損するような大電流の通電は、避けて下さい。

B-5.三相インバータ回路(IGBT)

上記に三相インバータ回路に使われるIGBTの過渡熱抵抗の測定方法を示します。まず供試素子である6組のIGBTには、一定の条件(一般にはカタログ条件)でゲートにオン信号を与えておきます。次にスイッチ(SW1)がオフの状態で、電源Vcc2より抵抗R2を介して供試素子(DUT)に検出電流を通電し、電圧降下(VCE1)を測定します。次に温度上昇させる為にSW1をオンにします。すると抵抗R1で制限された電流が通電します。当然DUTの電圧降下(VCE2)も増加します。測定時間(通常は1msから100ms程度)経過した後にSW1をオフにし電圧降下(VCE3)を測定します。測定時のVCEは図示したように、通電直後は当初のVCE1より低くなり、温度が低下するとVCE1に戻ります。⊿VCEM=VCE1-VCE3が発熱による温度上昇分です。印加電力は、通電中の電流(IP)x電圧降下(VCE2)となります。通電時間がt秒であったとすると、⊿VCEM分の温度上昇/印加電力が時刻tにおける過渡熱抵抗となります。図ではZth(j-c)(t)=⊿Tj/Pと表示。VCEを温度に変換するには、事前に測定と同じゲート条件で供試素子の温度と検出電流による電圧降下の関係を測定しておく必要があります。検出電流の大きさは、検出電流の通電により温度上昇が無視できる程度という事になっていますので、定格電流の1%未満が目安になると思います。通電電流は、R1を通電した電流を三等分しても良いのですが、可能であれば、各相の電流を測定して、印加電力を決定した方がより正確な測定結果となります。また⊿VCEMが少ないと測定結果が誤差の範囲に入ってしまうので、温度上昇が50℃程度を超えるように、通電の電流を選びます。但し配線・電極等が破損するような大電流の通電は、避けて下さい。温度が変わると、Vthが変化するので、理論的にはVthの温度特性を利用しても良いのですが、加熱用の電流を通電した直後にVth測定用の回路に切り替えるのは簡単ではないので、低電流でのVCE(sat)の温度特性を利用する事を推奨します。

B-6.IPM(IGBT)

上記にIPMに使われるIGBTの過渡熱抵抗の測定方法を示します。IPMには、ハイサイドとローサイドが一緒に駆動できないように保護回路が入っているので、まず供試素子であるハイサイドのIGBT(3組)を測定します。ハイサイドのIGBTにオン信号を与えておきます。次にスイッチ(SW1)がオフの状態で、電源Vcc2より抵抗R2を介して供試素子(DUT)に検出電流を通電し、電圧降下(VCE1)を測定します。次に温度上昇させる為にSW1をオンにします。すると抵抗R1で制限された電流が通電します。当然DUTの電圧降下(VCE2)も増加します。測定時間(通常は1msから100ms程度)経過した後にSW1をオフにし電圧降下(VCE3)を測定します。測定時のVCEは図示したように、通電直後は当初のVCE1より低くなり、温度が低下するとVCE1に戻ります。⊿VCEM=VCE1-VCE3が発熱による温度上昇分です。印加電力は、通電中の電流(IP)x電圧降下(VCE2)となります。通電時間がt秒であったとすると、⊿VCEM分の温度上昇/印加電力が時刻tにおける過渡熱抵抗となります。図ではZth(j-c)(t)=⊿Tj/Pと表示。VCEを温度に変換するには、事前に測定と同じゲート条件で供試素子の温度と検出電流による電圧降下の関係を測定しておく必要があります。検出電流の大きさは、検出電流の通電により温度上昇が無視できる程度という事になっていますので、定格電流の1%未満が目安になると思います。通電電流は、R1を通電した電流を三等分しても良いのですが、可能であれば、各相の電流を測定して、印加電力を決定した方がより正確な測定結果となります。図では、ハイサイドの3回路を示していますが、ローサイドの3回路についても同様です。また、実際の応用は6回路通電となりますので、熱抵抗は測定値よりも悪くなります(放熱面積が減少します)。どの程度悪くなるかは、IPMの配置で駆動回路を取り除いてIGBTと同じ測定をしないと判断できません。また⊿VCEMが少ないと測定結果が誤差の範囲に入ってしまうので、温度上昇が50℃程度を超えるように、通電の電流を選びます。但し配線・電極等が破損するような大電流の通電は、避けて下さい。温度が変わると、Vthが変化するので、理論的にはVthの温度特性を利用しても良いのですが、加熱用の電流を通電した直後にVth測定用の回路に切り替えるのは簡単ではないので、低電流でのVCE(sat)の温度特性を利用する事を推奨します。

B-7.三相インバータ回路(MOSFET)

上記に三相インバータ回路に使われるMOSFETの過渡熱抵抗の測定方法を示します。まず供試素子である6組のMOSFETには、一定の条件(一般にはカタログ条件)でゲートにオン信号を与えておきます。次にスイッチ(SW1)がオフの状態で、電源Vcc2より抵抗R2を介して供試素子(DUT)に検出電流を通電し、電圧降下(VDS1)を測定します。次に温度上昇させる為にSW1をオンにします。すると抵抗R1で制限された電流が通電します。当然DUTの電圧降下(VDS2)も増加します。測定時間(通常は1msから100ms程度)経過した後にSW1をオフにし電圧降下(VDS3)を測定します。測定時のVDSは図示したように、通電直後は当初のVDS1より高くなり、温度が低下するとVDS1に戻ります。⊿VDSM=VDS3-VDS1が発熱による温度上昇分です。印加電力は、通電中の電流(IP)x電圧降下(VDS2)となります。通電時間がt秒であったとすると、⊿VDSM分の温度上昇/印加電力が時刻tにおける過渡熱抵抗となります。図ではZth(j-c)(t)=⊿Tj/Pと表示。VDSを温度に変換するには、事前に測定と同じゲート条件で供試素子の温度と検出電流による電圧降下の関係を測定しておく必要があります。検出電流の大きさは、検出電流の通電により温度上昇が無視できる程度という事になっていますので、定格電流の1%未満が目安になると思います。通電電流は、R1を通電した電流を三等分しても良いのですが、可能であれば、各相の電流を測定して、印加電力を決定した方がより正確な測定結果となります。また⊿VDSMが少ないと測定結果が誤差の範囲に入ってしまうので、温度上昇が50℃程度を超えるように、通電の電流を選びます。但し配線・電極等が破損するような大電流の通電は、避けて下さい。温度が変わると、Vthが変化するので、理論的にはVthの温度特性を利用しても良いのですが、加熱用の電流を通電した直後にVth測定用の回路に切り替えるのは簡単ではないので、低電流でのVDSの温度特性を利用する事を推奨します。

B-8.IPM(MOSFET)

上記にIPMに使われるMOSFETの過渡熱抵抗の測定方法を示します。IPMには、ハイサイドとローサイドが一緒に駆動できないように保護回路が入っているので、まず供試素子であるハイサイドのMOSFET(3組)を測定します。ハイサイドのMOSFETにオン信号を与えておきます。次にスイッチ(SW1)がオフの状態で、電源Vcc2より抵抗R2を介して供試素子(DUT)に検出電流を通電し、電圧降下(VDS1)を測定します。次に温度上昇させる為にSW1をオンにします。すると抵抗R1で制限された電流が通電します。当然DUTの電圧降下(VDS2)も増加します。測定時間(通常は1msから100ms程度)経過した後にSW1をオフにし電圧降下(VDS3)を測定します。測定時のVDSは図示したように、通電直後は当初のVDS1より高くなり、温度が低下するとVDS1に戻ります。⊿VDSM=VDS3-VDS1が発熱による温度上昇分です。印加電力は、通電中の電流(IP)x電圧降下(VDS2)となります。通電時間がt秒であったとすると、⊿VDSM分の温度上昇/印加電力が時刻tにおける過渡熱抵抗となります。図ではZth(j-c)(t)=⊿Tj/Pと表示。VDSを温度に変換するには、事前にIPMにオン信号を与え供試素子の温度と検出電流による電圧降下の関係を測定しておく必要があります。検出電流の大きさは、検出電流の通電により温度上昇が無視できる程度という事になっていますので、定格電流の1%未満が目安になると思います。通電電流は、R1を通電した電流を三等分しても良いのですが、可能であれば、各相の電流を測定して、印加電力を決定した方がより正確な測定結果となります。図では、ハイサイドの3回路を示していますが、ローサイドの3回路についても同様です。また、実際の応用は6回路通電となりますので、熱抵抗は測定値よりも悪くなります(放熱面積が減少します)。どの程度悪くなるかは、IPMの配置で駆動回路を取り除いてMOSFETと同じ測定をしないと判断できません。一般にインバータ回路にMOSFETを使用する場合、FRDの代わりにボディダイオード(BD)を使用するので、FRDを使用していない事が明確な場合、BDの熱抵抗を測定してMOSFETの代用とする事も考えられます。BDとFRDが並列に接続されている場合、BD通電中にMOSFETのゲートにオン信号が与えられてBDを通電せず、MOSFETのチャネルをソースからドレイン方法に通電する場合は、この限りではありません。また⊿VDSMが少ないと測定結果が誤差の範囲に入ってしまうので、温度上昇が50℃程度を超えるように、通電の電流を選びます。但し配線・電極等が破損するような大電流の通電は、避けて下さい。温度が変わると、Vthが変化するので、理論的にはVthの温度特性を利用しても良いのですが、加熱用の電流を通電した直後にVth測定用の回路に切り替えるのは簡単ではないので、低電流でのVDSの温度特性を利用する事を推奨します。

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