基于動(dòng)態(tài)熱敏電參數(shù)法的大容量IGBT模塊結(jié)溫在線提取原理和方法研究.pdf

1、大功率IGBT模塊是大容量電力電子裝備最為核心的部件之一。在大容量變流器的運(yùn)行當(dāng)中，對(duì)IGBT模塊的內(nèi)部結(jié)溫進(jìn)行在線檢測(cè)，是快速過溫保護(hù)與瞬時(shí)極限運(yùn)行的先決條件，也是提升變流器輸出容量與增強(qiáng)變流器可靠性的重要途徑。因此，如何實(shí)現(xiàn)高精度、快響應(yīng)和易集成的芯片結(jié)溫在線提取，成為近年來學(xué)術(shù)界與工業(yè)界的研究熱點(diǎn)之一。本論文從大功率IGBT模塊的應(yīng)用特性需求出發(fā)，開展了功率器件結(jié)溫和動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)之間的交互原理以及在線提取方法研究。通過研究大功率I

2、GBT模塊的結(jié)構(gòu)和封裝特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)了IGBT模塊內(nèi)部寄生電感LeE與動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換媒介作用?；诖税l(fā)現(xiàn)，提出了動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的概念，實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊的結(jié)溫實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)捕獲，并將該方法拓展至大功率P-i-N二極管的結(jié)溫在線提取。論文還總結(jié)了基于寄生電感的動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)分類規(guī)則與性能綜合評(píng)估。
　　大容量動(dòng)態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)是研究大功率IGBT模塊在不同結(jié)溫情況下瞬態(tài)開關(guān)特性的基礎(chǔ)。首先，本文歸納了大容量動(dòng)態(tài)特性測(cè)試平臺(tái)的綜合設(shè)計(jì)

3、準(zhǔn)則，在該設(shè)計(jì)原則的指導(dǎo)下，搭建了一套3600A電流等級(jí)的IGBT動(dòng)態(tài)開關(guān)特性測(cè)試平臺(tái)。該平臺(tái)通過獨(dú)立雙加熱的結(jié)溫控制方法，可以準(zhǔn)確地模擬模塊內(nèi)部IGBT和二極管芯片由于工況不同導(dǎo)致的結(jié)溫差異現(xiàn)象。論文還討論了結(jié)溫變化對(duì)大功率IGBT模塊的瞬態(tài)電氣應(yīng)力、開關(guān)損耗和運(yùn)行軌跡三類指標(biāo)的影響規(guī)律。最后，根據(jù)大功率多芯片IGBT模塊在額定電氣參數(shù)下發(fā)生的開通瞬態(tài)失效現(xiàn)象，提出了一種IGBT模塊的綜合失效機(jī)理，為IGBT模塊的動(dòng)態(tài)失效分析提供了新

4、思路。
　　大功率IGBT模塊的芯片結(jié)溫狀態(tài)與動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)存在緊密的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。本文通過建立載流子抽取模型，揭示關(guān)斷動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)與關(guān)斷過程中載流子運(yùn)動(dòng)方程的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)母線電壓、負(fù)載電流與芯片結(jié)溫三者對(duì)關(guān)斷動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)具有獨(dú)立、單調(diào)的變化規(guī)律。因此，提出了基于關(guān)斷延遲時(shí)間和關(guān)斷電流最大變化率等動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)方法。然后，利用大功率IGBT模塊內(nèi)部寄生電感LeE的媒介作用，把關(guān)斷延遲時(shí)間和關(guān)斷電流最大變化率兩個(gè)動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的

5、測(cè)量轉(zhuǎn)化為對(duì)寄生電感LeE上感應(yīng)電壓觸發(fā)時(shí)機(jī)與感應(yīng)電壓負(fù)峰值的檢測(cè)?；陉P(guān)斷延遲時(shí)間的熱敏感電參數(shù)法僅通過采樣感應(yīng)電壓即可完成對(duì)IGBT關(guān)斷延遲時(shí)間的檢測(cè)，避免了對(duì)集電極電流變化率的直接測(cè)量?；陉P(guān)斷電流最大變化率的熱敏感電參數(shù)法僅需對(duì)感應(yīng)電壓負(fù)峰值采樣即可完成IGBT芯片結(jié)溫的提取，大大簡(jiǎn)化了校正環(huán)節(jié)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了關(guān)斷延遲時(shí)間和關(guān)斷電流最大變化率這兩個(gè)動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的有效性，且運(yùn)行工況適應(yīng)性強(qiáng)、在線實(shí)施集成性高，為IGBT芯片結(jié)溫

6、的在線檢測(cè)提供了理論依據(jù)。
　　其次，針對(duì)P-i-N二極管中廣為應(yīng)用的大電流注入法存在的結(jié)溫提取盲區(qū)問題，本文通過建立芯片結(jié)溫，反向恢復(fù)電荷模型，闡明了二極管結(jié)溫與換流IGBT及運(yùn)行環(huán)境參數(shù)之間的單調(diào)變化規(guī)律。因此，提出了基于恢復(fù)電流最大變化率和電流下降時(shí)期恢復(fù)電荷的動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)方法，并巧妙地借助與之換流大功率IGBT模塊內(nèi)部寄生電感LeE上的感應(yīng)電壓對(duì)反向恢復(fù)電流的捕獲功能，把恢復(fù)電流最大變化率的測(cè)量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓負(fù)峰值的檢

7、測(cè)，同時(shí)把電流下降時(shí)期恢復(fù)電荷的測(cè)量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓在恢復(fù)階段所包圍的面積與持續(xù)時(shí)間之積的運(yùn)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，恢復(fù)電流最大變化率和電流下降時(shí)期恢復(fù)電荷這兩個(gè)動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的的靈敏度高，且適合高溫運(yùn)行工況，為P-i-N二極管的在線結(jié)溫提取提供了新方法。
　　再次，論文揭示了IGBT模塊在開通與關(guān)斷瞬態(tài)過程中的動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)與IGBT模塊寄生電感LeE上感應(yīng)電壓veE之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，并深入分析相關(guān)動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)與芯片結(jié)溫的相互作用機(jī)理

8、，通過分析動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)在感應(yīng)電壓橫向時(shí)間軸與縱向電壓軸的分布特征，把動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)分為時(shí)變型參數(shù)、壓變型參數(shù)和荷變型參數(shù)等三大類型。該分類方法為尋找和研究新型動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)提供了新思路。此外，針對(duì)不同類型的動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)，分別從線性度、靈敏度、校正程序、和在線實(shí)施等方面進(jìn)行了綜合評(píng)估和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的工程應(yīng)用提供了理論與數(shù)據(jù)支持。
　　最后，本論文提出的基于IGBT模塊內(nèi)部寄生電感的動(dòng)態(tài)熱敏電參數(shù)法，由于利

9、用了動(dòng)態(tài)電氣參數(shù)與結(jié)溫之間的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而間接地獲取了模塊內(nèi)部芯片結(jié)溫信息。同時(shí)借助IGBT模塊內(nèi)部寄生電感LeE的媒介作用，實(shí)現(xiàn)了對(duì)動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)進(jìn)行直接測(cè)量。該方法無需打開模塊封裝即可獲取結(jié)溫信息，而且又避免了對(duì)高電壓大電流電氣量的直接測(cè)量;具有響應(yīng)快、靈敏度高、成本低、集成性好的特點(diǎn)，為大功率IGBT模塊芯片結(jié)溫的檢測(cè)提供了新思路。該類方法不僅適用于大功率IGBT模塊內(nèi)部IGBT芯片與二極管芯片的結(jié)溫提取，還可以拓展至諸如I