Measuring the junction temperature of IGBT-module during switched-mode power cycling

Abstract

Proper temperature monitoring of a power semiconductor device provides essential information about the device’s condition. The majority of the failures in power semiconductors are caused by thermo-mechanical stress. In this master’s thesis commissioned by Kemppi Oy within Power2Power-project, a measurement device for IGBT-power module junction temperature monitoring was designed, manufactured and tested. The junction temperature monitoring was accomplished by measuring the collector-emitter voltage of a single IGBT-chip within a power module. The measurement device will be utilized in a Kemppimanufactured welding power converter during endurance testing procedure consisting of switched-mode power cycling, so the device was designed for corresponding operational environment. As a result, a prototype PCB was manufactured and tested. The tests included evaluating and verifying the desired functionalities, safety and accuracy of the prototype, and the results of the tests suggested that the device under test can be utilized to measure the junction temperature of an IGBT-chip with sufficient accuracy.

Tehopuolijohdelaitteen asianmukainen lämpötilavalvonta tarjoaa tärkeää tietoa laitteen kunnosta. Suurin osa tehopuolijohteiden vikaantumisista on termomekaanisen stressin aiheuttamaa. Tässä diplomityössä suunniteltiin, valmistettiin ja testattiin mittauslaite IGBTtehomoduulin liitoslämpötilan valvontaa varten. Diplomityön tilaajana toimi Kemppi Oy ja diplomityö tehtiin Power2Power-projektin alla. Liitoslämpötilan mittaus toteutettiin mittaamalla tehomoduulin yksittäisen IGBT-sirun kollektori-emitterijännitettä. Mittauslaitetta tullaan käyttämään Kempin valmistamassa hitsausteholähteessä tehosyklauksesta muodostuvan kestotestin aikana. Täten mittauslaite suunniteltiin vastaaviin käyttöolosuhteisiin. Tuloksena syntyi prototyyppi, joka valmistettiin piirilevyksi ja testattiin. Testaamiseen sisältyi prototyypin toiminnallisuuden, turvallisuuden ja tarkkuuden arviointi ja varmistaminen. Testien tuloksien seurauksena todettiin, että prototyyppiä voidaan käyttää IGBT-sirun liitoslämpötilan mittaamiseen tyydyttävällä tarkkuudella.