大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理綜述及展望

胡圣烽

摘 要：在電力生產(chǎn)的持續(xù)變革下，大容量電力電子器件如何有效保障自身的安全可靠性也成為人們比較關(guān)注的問題之一。本文通過選擇以大容量電力電子器件作為主要研究對象，在結(jié)合相關(guān)文獻分別從靜態(tài)提取和動態(tài)提取兩個角度出發(fā)，歸納說明大容量電力電子器件熱敏電參數(shù)結(jié)溫提取原理的基礎(chǔ)之上，指出未來大容量電力電子器件結(jié)溫提取還將朝著集成化的方向發(fā)展。關(guān)于大容量電力電子器件結(jié)溫研究的系統(tǒng)性、統(tǒng)一性以及相關(guān)性也將得到進一步提高。

關(guān)鍵詞：大容量電力電子器件；結(jié)溫提?。辉?/p>

引言：當前在提取大容量電力電子器件結(jié)溫參數(shù)方面，所使用的提取法眾多，其中尤以熱敏感電參數(shù)提取法應(yīng)用最為廣泛。這主要是由于該中提取方法具有高精度、響應(yīng)快等眾多優(yōu)勢特性。因此本文將通過對其提取原理進行相應(yīng)說明，在幫助人們正確理解和認識熱敏感電參數(shù)提取法下，嘗試對該積溫提取法未來的發(fā)展趨勢進行探究，進而為推動大容量電力電子器件結(jié)溫研究提供必要參考幫助。

一、提取大容量電力電子器件熱敏感電參數(shù)結(jié)溫的原理分析

（一）提取靜態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫

目前在提取靜態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫方面擁有各種不同的提取方法，包括短路電流法以及大電流注入法等等。本文將以大電流注入法為例，該方法通過運用負載電流在導(dǎo)通狀態(tài)下，器件將會出現(xiàn)通態(tài)壓降，在直接將其作為熱敏感電參數(shù)下進行相應(yīng)提取即可。在使用大電流注入法下，當完成校正程序后，此時致熱源為集電極電流，通過導(dǎo)通需要測量的大容量電力電子器件后對集電極電流與電壓降進行精準測量，而后運用專業(yè)的離線數(shù)據(jù)庫便可以對瞬時結(jié)溫進行精準計算。但值得注意的是，大容量電力電子器件自身之間的差異性會使得各電壓與電流等級下的器件，在大電流飽和壓降方面不盡相同，進而直接影響該提取法的精準性與靈敏度。因此需要及時精準提取出無關(guān)集電極電流的熱敏感電參數(shù)，以此有效達到控制誤差的效果。

（二）提取動態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫

以內(nèi)置驅(qū)動溫敏電阻法為代表的動態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫提取法，目前也是在大容量電力電子器件結(jié)溫提取當中應(yīng)用比較廣泛的一種提取法。其主要是通過利用在結(jié)溫影響下的門極驅(qū)動回路信息完成對大容量電力電氣功率器件的結(jié)溫提取。

在上圖所示的門極驅(qū)動回路當中，Ig和Cge分別代表著門極電流與門極電阻，，Lp與Rg則分別代表著驅(qū)動回路中等效雜散電感和外部門極電阻。Rgi代表著內(nèi)置驅(qū)動電阻。在該門極驅(qū)動回路當中，模塊結(jié)溫一旦發(fā)生變化，門極電容以及模塊內(nèi)置驅(qū)動電阻也將隨之出現(xiàn)相應(yīng)的變化。也就是說在驅(qū)動電壓固定不變的情況下，各結(jié)溫均有驅(qū)動回路阻抗與之相對應(yīng)，進而使得Vg即外部驅(qū)動測量信號發(fā)生改變。通過利用這一方法提取大容量電力電子器件熱敏感電參數(shù)，可以徹底以往結(jié)溫提取對于有源或是無源輔助電路高度依賴的情況，從而大大減少相關(guān)結(jié)溫提取參數(shù)，以此有效方便順利完成熱敏感電參數(shù)提取工作。通常情況下，在IGBT器件開通瞬態(tài)時，通過利用內(nèi)置驅(qū)動溫敏電阻法便可以高效完成門極有效信息的提取工作，進而避免出現(xiàn)結(jié)溫提取影響中斷變流器正常運行的情況[1]。

二、大容量電力電子器件結(jié)溫提取的研究展望

（一）結(jié)溫提取更加集成化

相比于靜態(tài)熱敏感電參數(shù)提取，動態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫提取具有更高的適應(yīng)性，因此我們有理由相信未來大容量電力電子器件結(jié)溫提取研究重點還將放置在動態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫提取上。由于當前大容量電力電子器件經(jīng)常面臨在高電壓、大電流高頻開關(guān)狀態(tài)下運行，因此包括過流以及短路等在內(nèi)的保護機制長時間處于工作狀態(tài)。為此，本文認為，未來在研究大容量電力電子器件結(jié)溫提取的過程中，研究人員還將在不影響變流系統(tǒng)正常運行的基礎(chǔ)上，高度集成芯片溫度檢測功能，從而可以更加高效地再現(xiàn)完成器件結(jié)溫提取工作。如在IGBT模塊當中，將開爾文發(fā)射極端子同發(fā)射極功率端子間的寄生電感和作為等效寄生電感，當該大容量模塊處于動態(tài)開關(guān)切換狀態(tài)下，各電磁信息在芯片溫度的影響下將會在寄生電感上感應(yīng)出各種動態(tài)熱敏感電參數(shù)。

（二）評價方法準則統(tǒng)一化

考慮到屬性各異的動態(tài)熱敏感電參數(shù)在結(jié)溫提取方法的選用以及影響溫度因素方面存在著巨大差異，即便是在動態(tài)熱敏感電參數(shù)相同的情況下，應(yīng)用工況之間的差異性也會導(dǎo)致最終表現(xiàn)出的性能指標千差萬別。因此本文認為，未來大容量電力電子器件結(jié)溫提取研究還將會把研究目光放置在構(gòu)建統(tǒng)一的評價動態(tài)熱敏感電參數(shù)方法及規(guī)則上，立足具體的硬件以及控制需求，在與實際器件工況進行充分結(jié)合下，研究出一種可以對動態(tài)熱敏感電參數(shù)性能進行綜合反映和全面評價的方法準則。

（三）器件結(jié)溫與工況相關(guān)

有研究人員指出，除了包括擴散系數(shù)以及禁帶寬度等在呢你的內(nèi)部半導(dǎo)體物理參數(shù)會直接影響著大容量電力電子器件結(jié)溫與動態(tài)熱敏電參數(shù)之間的具體作用，同時負載電流以及母線電壓等外部運行環(huán)境也會對其產(chǎn)生相應(yīng)的制約影響[2]。因此日后在對大容量電力電子器件結(jié)溫提取進行研究的過程中，還需要通過站在芯片-模塊-裝置的高度上，主動聯(lián)系動態(tài)熱敏電參數(shù)和大容量電力電子器件運行工況之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性，從而探究出大容量電力電子器件結(jié)溫和動態(tài)熱敏電參數(shù)之間的具體關(guān)系。

結(jié)束語：本文在對大容量電力電子器件結(jié)溫提取進行分析研究的過程中，分別以大電流注入法和內(nèi)置驅(qū)動溫敏電阻法為例，對提取靜態(tài)與動態(tài)大容量電力電子器件熱敏電參數(shù)結(jié)溫的基本原理進行了相應(yīng)說明。鑒于動態(tài)熱敏電參數(shù)結(jié)溫提取自身具有強大的應(yīng)用效用，因此未來大容量電力電子器件結(jié)溫提取中，該提取方法還將得到進一步廣泛使用，并且越來越集成化、系統(tǒng)化，能夠準確說明器件結(jié)溫同動態(tài)熱敏電參數(shù)的相關(guān)性。

參考文獻

[1]李輝，劉盛權(quán)，李洋，等.考慮多熱源耦合的風電變流器IGBT模塊結(jié)溫評估模型[J].電力自動化設(shè)備，2016，36（2）：51-56.

[2]趙爭鳴，袁立強，魯挺，等.我國大容量電力電子技術(shù)與應(yīng)用發(fā)展綜述[J].電氣工程學(xué)報，2015，10（4）：26-34.

（作者單位：空軍預(yù)警學(xué)院）