Kotelnikov Institute of Radio Engineering and Electronics of RAS Русский Sign in Submit a paper
Journal of Radio Electronics Online scientific journal · eISSN 1684-1719
2020, № 12 · RADIO ELECTRONICS RELATED PROBLEMS

Research of thermal electric processes in power modules

V.I. Smirnov1,2, V.A. Sergeev1,2, A.A. Gavrikov1, A.A. Kulikov1

1 Ulyanovsk Branch of Kotelnikov IRE RAS, Ulianovsk, Russia
2 Ulyanovsk State Technical University, Ulianovsk, Russia
Full text (PDF) DOI: 10.30898/1684-1719.2020.12.12 UDC 681.518.3 EDN WVIQYG

Abstract

The paper describes the results of investigation of thermophysical processes in power modules. Measuring the thermal field caused by dies heating due to flow of heating current shows uniform temperature distribution in the area of dies mount. This indicates that the processes of current localization caused by positive thermal feedback are compensated by the processes of heat transfer between the chips through the DBC board, which has a high thermal conductivity. The modulation method was used to measure the thermal resistance "junction-to-case" of the power module. In this case, the module dies were heated by PWM pulses of the heating current through the antiparallel diodes of the module MOSFETs. The modulation method allows to measure power module thermal resistance, which value is less than 0.1 K/W.

  • power module
  • mosfet
  • thermal resistance
  • modulation method
  • temperature field
  • thermal imaging camera
Аннотация (на русском)

Исследование теплоэлектрических процессов в силовых модулях

Представлены результаты исследований теплофизических процессов в силовых модулях. Измерение теплового поля, создаваемого нагретыми кристаллами силового модуля при протекании через них греющего тока, показало равномерный характер распределения температуры в области монтажа кристаллов модуля. Это указывает на то, что процессы локализации тока, вызванные положительной тепловой обратной связью, компенсируются процессами теплообмена между кристаллами через плату DBC, обладающую высокой теплопроводностью. С помощью модуляционного метода проведены измерения теплового сопротивление «переход-корпус» силового модуля. При этом нагрев кристаллов модуля осуществлялся пропусканием ШИМ-импульсов греющего тока через антипараллельные диоды MOSFET-транзисторов модуля. Модуляционный метод позволил измерить тепловое сопротивление силового модуля, величина которого менее 0,1 К/Вт.

For citation

Smirnov V.I., Sergeev V.A., Gavrikov A.A., Kulikov A.A. Research of thermal electric processes in power modules // Journal of Radio Electronics. – 2020. – No. 12. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.12.12

References

  1. Гавриков В., Солонин Д. Обзор силовых модулей SemiPowerex // Силовая электроника. - 2018. - №5. - С. 22-25.
  2. Винтрих А., Бекедаль П. Нормирование теплового сопротивления IGBT: базовые принципы и некоторые особенности // Силовая электроника. - 2017. - №2. - С. 16-23.
  3. Thermal Impedance Measurements for Vertical Power MOSFETs (Delta Source-Drain Voltage Method). JEDEC JESD24-3 standard.
  4. ОСТ 11 0944-96. Микросхемы интегральные и приборы полупроводниковые. Методы расчета, измерения и контроля теплового сопротивления. - М.: ГУП НПП Пульсар, 1997. - 110 с.
  5. Смирнов В.И., Сергеев В.А., Гавриков А.А., Шорин А.М. Измерение теплового импеданса мощных транзисторов // Радиотехника. - 2017. - №6. - С. 83-90.
  6. Сергеев В.А., Смирнов В.И., Гавриков А.А., Фролов И.В. Измерение теплового импеданса мощных светодиодов c применением широтно-импульсной модуляции мощности // Известия вузов. Электроника. - 2012. - № 3. - С. 64-68
  7. Смирнов В.И., Гавриков А.А., Шорин А.М. Метод измерения компонент теплового сопротивления полупроводниковых приборов и его практическая реализация // Автоматизация процессов управления. - 2017. - № 2. - С. 98-105.
  8. Plesz B., Ress S., Szabo P.G., Hantos G. and Dudola D. Issues of Thermal Transient Testing on Photovoltaic Modules // 20th International Workshop on Thermal investigations of IC's and Systems. Greenwich, London, 2014, 24-26 September.
  9. Смирнов В.И., Сергеев В.А., Гавриков А.А., Куликов А.А. Особенности токораспределения в солнечных элементах при измерении теплового сопротивления в диодном режиме // Журнал радиоэлектроники. - 2020. - №5. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2020.5.11.
  10. Пастухов В. Современные российские силовые модули // Современная электроника. - 2006. - № 8. - С. 22-23.