不同因素對IGBT溫敏參數(shù)dV/dt的影響

袁逸超，向大為

（同濟大學電氣工程系，上海201804）

不同因素對IGBT溫敏參數(shù)dV/dt的影響

袁逸超，向大為

（同濟大學電氣工程系，上海201804）

結溫是IGBT器件的重要狀態(tài)變量，可在變流器運行過程中通過監(jiān)測溫敏電參數(shù)dV/dt獲得相關信息。然而實際系統(tǒng)中除溫度與電流外，其他因素也可能改變溫敏參數(shù)dV/dt，從而影響IGBT結溫測量的準確性。首先主要研究了不同因素（包括直流電壓，門極電阻，雜散電感以及突波吸收電容）對溫敏參數(shù)dV/dt的影響,并對不同因素與dV/dt的關系進行了理論分析；然后利用雙脈沖實驗研究了不同因素對1 700 V/450 A的IGBT模塊溫敏參數(shù)dV/dt的影響，并進一步評估其對結溫測量的影響。該研究工作對基于dV/dt的IGBT結溫測量技術的研發(fā)具有一定的參考價值。

IGBT；dV/dt；結溫測量；雜散電感

引言

結溫是IGBT功率模塊中功率器件的重要狀態(tài)變量，能直接反映器件安全裕量、健康狀態(tài)及運行性能等。然而由于模塊封閉式結構、器件芯片尺寸小且溫度分布不均等原因，IGBT模塊的結溫測量十分困難。目前，基于溫敏電參數(shù)（如IGBT關斷時的電壓變化率dV/dt）法的IGBT結溫測量技術能夠有效解決以上局限性，是目前該技術發(fā)展的一個主要方向［1-4］。基于dV/dt的IGBT結溫測量方法首先需要通過自標定實驗獲得溫敏參數(shù)dV/dt、IGBT結溫Tj以及電流i之間的溫敏特性關系；然后根據(jù)標定得到的溫敏特性關系、變流器運行過程中監(jiān)測得到的dV/dt及i計算出IGBT的真實運行結溫［5］。

然而在實際系統(tǒng)中，電路中往往存在寄生電感和突波吸收電容，運行過程中直流電壓存在一定的波動，且IGBT的門極電阻也會由于溫漂而發(fā)生變化。這些因素的變化可能改變實際系統(tǒng)中IGBT溫敏特性從而IGBT結溫測量的結果存在一定的誤差。為評估這些因素對IGBT溫敏參數(shù)dV/dt以及結溫測量的影響，本文通過理論分析與實驗研究的方法開展了一系列研究。

1 基于dV/dt的IGBT結溫測量方法

IGBT關斷過程中電壓的變化率dV/dt與流過IGBT的電流以及器件的結溫有關。dV/dt由于兼具靈敏高以及便于測量等優(yōu)點，因此已成為用于IGBT結溫測量中最常用的溫敏參數(shù)之一［6,9］。

基于dV/dt的IGBT結溫測量方法如圖1所示。其中測量系統(tǒng)如圖1（a）所示，在處于開關工作狀態(tài)的變流器中，通過監(jiān)測變流器輸出相電壓的電壓變化率與相電流，獲得結溫的相關信息。當電流方向不同時，對應的IGBT關斷引起相電壓變化的dV/dt，其定義如圖1（b）所示，在圖1電流定義方向下，相電壓上升或下降沿分別對應了下管IGBT和上管IGBT的關斷過程，其中，相電壓的上升沿對應下管IGBT的關斷過程；相電壓下降沿對應上管IGBT的關斷過程。此時dV/dt定義為從直流母線電壓的10%～90%的平均電壓變化率。

IGBT結溫測量流程如圖1（c）所示。首先對待測IGBT進行標定實驗，獲得IGBT關斷時的dV/dt與結溫和電流的關系，即dV/dt=f（Tj,i）；再根據(jù)此關系，對監(jiān)測獲得的變流器相電壓的電壓變化率與電流通過插值查表法計算得到IGBT的結溫。

圖1 基于dV/dt的IGBT結溫測量方法Fig.1 dV/dt based IGBT junction temperature measurement method

2 溫敏參數(shù)dV/dt的影響因素

2.1 IGBT的關斷過程

為了研究影響溫敏參數(shù)dV/dt以及IGBT結溫測量的因素，給出了IGBT關斷的物理過程，如圖2所示。

由圖可見，當門極電壓下降至平臺電壓vgp時，IGBT開始關斷，N+區(qū)與n-區(qū)導電溝道電流減小，溝道關斷，耗盡層電壓反偏，耗盡層開始擴展，因此電流開始減小，Vce增大，基區(qū)載流子復合直至消失［4］。

根據(jù)圖2，對溫敏參數(shù)dV/dt隨溫度變化的物理機理進行解釋如下：在圖2（a）IGBT關斷過程的第3階段，Vce電壓隨耗盡層的擴大而迅速上升，見圖2（b）。Vce上升速度,即dV/dt由基區(qū)（n-base region）中存儲載流子清除的快慢決定。隨著溫度增加，從集電極側清出的載流子復合過程變慢,即發(fā)射極復合系數(shù)（emitter recombination parameter）hp= hp0（Tj0/Tjk）下降，而從溝道側流入的電流主要受門極影響，包括MOS管溝道導通率（channel conductance）Kp、MOS管間檻電壓（thresh hold voltage）Vth、載流子遷移率μn/μp，而增加，電壓上升過程變慢。隨著負載電流IL增加，空間載荷區(qū)有效載流子濃度增加，使得關斷電壓上升速度加快。

圖2 溫敏參數(shù)dV/dt隨溫度變化的物理機理Fig.2 Physical mechanism of the dV/dt changing with temperature

2.2 直流電壓對dV/dt的影響

在IGBT關斷過程的第3階段，門極電流ig為米勒電容充電，使得Vce≈Vgc迅速上升。在此階段，米勒電容相當于固定的氧化層電容COX與變化的柵氧層下半導體電容CS并聯(lián)［7］。此時，集電極的電壓變化率為

其中柵氧層電容COX固定不變，而柵氧層下半導體電容CS則隨Vce迅速上升導致的耗盡層寬度增加而減小，考慮其電壓的依賴關系，則有

式中：A1為溝槽柵與N基區(qū)的交疊面積；εS為硅的介電常數(shù)；W為耗盡層寬度，隨電壓增長而增加。

由式（1）和式（2）可知，隨著直流電壓的增加，CS會有所減小，在門極電流ig基本不變的情況下dV/dt將增加。

2.3 變流器硬件參數(shù)對dV/dt的影響

實際系統(tǒng)中，變流器結構影響門極電阻、雜散電感以及突波吸收電容等硬件參數(shù)。

隨著門極電阻的增長門極電流ig逐漸減小。由式（1）可知，在直流電壓不變的情況下，即柵氧層下半導體電容CS保持不變，ig的減小從而導致dV/dt減小。

雜散電感主要對IGBT關斷的第4階段產(chǎn)生影響。此時dic/dt在雜散電感LS兩端產(chǎn)生感應電動勢，與二極管導通壓降共同作用，使Vce形成電壓過沖。由于文中定義的溫敏參數(shù)dV/dt是第3階段中Vce的電壓變化率，因此雜散電感對dV/dt無影響。

突波吸收電容在主電路中的作用主要是吸收IGBT高頻開關過程中的浪涌電壓，主要對IGBT關斷過程中的第4階段產(chǎn)生影響。因此，突波吸收電容對第3階段的電壓變化率dV/dt基本無影響。

3 實驗研究

3.1 實驗系統(tǒng)

采用（Infineon FF450R17ME4）1 700 V/450 A的IGBT模塊搭建的H橋?qū)嶒炿娐?，實驗系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)基本參數(shù)如表1所示。通過雙脈沖實驗研究不同因素對IGBT關斷過程電壓變化率的影響，并評估其對結溫測量結果的影響。實驗通過電壓電流探頭經(jīng)示波器測量數(shù)據(jù)并傳送至電腦，利用Matlab進行數(shù)據(jù)分析，獲得不同因素下IGBT關斷時的電壓變化率。

3.2 實驗結果

在IGBT電流ic=280 A時，不同因素下測得的IGBT關斷電壓變化率dV/dt的變化情況如圖4～圖8所示。

圖3 實驗系統(tǒng)Fig.3 Experimental system

表1 實驗系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data of experimental system

圖4 不同結溫時的電壓變化率dV/dtFig.4 dV/dt under different junction temperatures

圖5 不同直流母線電壓時的電壓變化率dV/dtFig.5 dV/dt under different DC voltages

圖6 不同門極電阻時的電壓變化率dV/dtFig.6 dV/dt under different gate resistances

圖7 不同雜散電感時的電壓變化率dV/dtFig.7 dV/dt under differentstray inductances

圖8 不同突波吸收電容時的電壓變化率dV/dtFig.8 dV/dt under different snubber capacitances

不同因素及結溫與dV/dt的關系如表2所示。對表2數(shù)據(jù)進行分析可知，IGBT結溫與其關斷時的dV/dt基本呈線性關系，結溫越高，dV/dt越小。

直流母線電壓VDC對IGBT關斷時的dV/dt產(chǎn)生了影響。電壓越高，IGBT關斷時的dV/dt越大。直流電壓VDC與dV/dt基本呈線性關系。當直流母線電壓從898 V下降到845 V時dV/dt變化約4.5%，按表2中dV/dt的溫度特性進行估計，53 V直流電壓的變化量引起結溫估算誤差可能達到 21°C。因此，實際結溫測量時需同時監(jiān)測直流母線電壓并進行線性補償。

不同門極電阻對IGBT關斷時的dV/dt產(chǎn)生了影響。門極電阻越大，IGBT關斷時的dV/dt則越小。普通金屬膜電阻溫漂系數(shù)典型值為±100 ppm/°C，按表2中dV/dt的溫度特性估計，環(huán)境溫度-10°C到+40°C變化時，金屬膜電阻溫漂引起結溫估算誤差約為11°C。若采用高精度電阻如溫漂系數(shù)為±25 ppm/°C，環(huán)境溫度變化引起結溫估算誤差小于3°C，基本可以忽略。

因此，不同雜散電感、不同突波吸收電容基本對IGBT關斷時的dV/dt無影響

表2 不同因素及結溫與dV/dt的關系Tab.2 Relationship among dV/dt,Tjand different factors

4 結論

通過理論分析與實驗研究了不同因素對IGBT溫敏參數(shù)dV/dt的影響。研究結果表明：

（1）在實際系統(tǒng)中，直流母線電壓對基于dV/dt的IGBT結溫測量結果有較大的影響，因此需要對直流母線電壓進行線性補償；

（2）門極電阻雖然對IGBT關斷時的dV/dt產(chǎn)生了影響，但若采用高精度、低溫漂電阻，則其對IGBT結溫測量結果影響較??；

（3）雜散電感與突波吸收電容，對IGBT關斷過程中Vce迅速上升階段的dV/dt影響不大，不會對結溫測量造成影響。論文工作對研發(fā)基于dV/dt的IGBT結溫測量技術具有一定參考價值。

致謝：感謝英飛凌科技（中國）有限公司為相關研究工作提供技術與經(jīng)費支持。

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Study on Effects of Different Factors on IGBT Thermal Sensitive Electrical Parameter dV/dt

YUAN Yichao,XIANG Dawei
（Department of Electrical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China）

Junction temperature is an important condition variable for IGBT,which can be measured by monitoring the thermo-sensitive electrical parameter dV/dt.However,it is difficult to measure IGBT junction temperature accurately in a real system.In this paper,the effects of different factors,such as the DC voltage,gate resistor,stray inductance and snubber capacitor,on the IGBT thermal sensitive parameter dV/dt is studied.The effects is firstly analyzed theoretically and investigated by a series of double-pulse tests experimentally.It is hoped that the research results will provide some reference for the R&D of dV/dt based IGBT junction temperature measurement technique.

IGBT;dV/dt;Junction temperature measurement;stray inductance

袁逸超（1992-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail：1433144@#edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.35

TM 46

A

2016-08-11

中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目（0800219334）

Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China（0800219334）

向大為（1977-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：電力電子可靠性與狀態(tài)監(jiān)測、新能源發(fā)電、電機運行與控制，E-mail：xdw_cqu@sina.com。