基于通斷延遲時間的功率模塊結(jié)溫探測模型

姚芳 丁祥寬 胡洋 張彧碩 李志剛

關(guān)鍵詞： IGBT; 結(jié)溫; 通斷延遲時間; 動態(tài)測試; 線性關(guān)系; 鉗位電路

中圖分類號： TN313+.4?34; TM56 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2018）24?0028?04

Junction temperature detection model based on on?off delay time for power module

YAO Fang1， DING Xiangkuan1， HU Yang1， ZHANG Yushuo2， LI Zhigang1

（1. School of Electrical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China;

2. Experimental Training Center of Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China）

Abstract： The dynamic test of the wind power IGBT module is designed， and a junction temperature detection model based on on?off delay time is proposed for the power module of the wind power converter. The diode clamping circuit based on the double pulse method and the constant temperature controlled floor heating equipment are adopted to control the temperature of the IGBT chip， so as to improve the testing accuracy of dynamic features. The relationship between the junction temperature and on?off delay time of the IGBT module is analyzed. The results show that there is a good linear relationship between the on?off delay time and junction temperature， which can be used for junction temperature detection. The constructed junction temperature detection model based on on?off delay time has high accuracy， which provides a new idea for junction temperature detection of the IGBT module in wind power condition.

Keywords： IGBT; junction temperature; on?off delay time; dynamic test; linear relationship; clamping circuit

0 ?引 ?言

風(fēng)電變流器是風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中重要的功率處理單元，近年來其健康狀態(tài)及可靠性得到了廣泛的關(guān)注[1]。風(fēng)電變流器故障概率統(tǒng)計結(jié)果表明，功率半導(dǎo)體器件為主要失效器件，且因結(jié)溫造成的失效概率最高[2]。

實際變流工況中，負(fù)載的不斷變化使得系統(tǒng)線路中IGBT模塊承受間歇性功率循環(huán)[3]。由于IGBT模塊的分層結(jié)構(gòu)且各層材料熱膨脹系數(shù)差異較大，使得各層材料往復(fù)膨脹收縮，進(jìn)而引起焊料層松弛或開裂，發(fā)熱嚴(yán)重且結(jié)溫失控性升高等破壞性情況發(fā)生[4?5]。因此，結(jié)溫的探測和計算對提高IGBT模塊甚至電力系統(tǒng)的可靠性有十分重要的意義。

常見的結(jié)溫探測方法包括溫敏參數(shù)法、電熱耦合模型法、物理實測法等[6?7]。其中溫敏參數(shù)法利用電氣參數(shù)與結(jié)溫之間的線性關(guān)系，通過測試電氣參數(shù)間接獲取結(jié)溫。溫敏參數(shù)法由于具有無需打開封裝，無需考慮各層物理參數(shù)、測量精度高等優(yōu)點得到廣泛的研究[8]。IGBT模塊常見的溫敏參數(shù)包括飽和壓降VCEsat、閾值電壓VGEth、開通關(guān)斷延遲時間tdon和tdoff等。目前國內(nèi)外學(xué)者針對飽和壓降等溫敏參數(shù)進(jìn)行了較為細(xì)致的研究，而針對開通關(guān)斷延遲時間的研究較少[9?10]。

本文針對上述問題，設(shè)計IGBT動態(tài)測試試驗測試模塊動態(tài)參數(shù)曲線，進(jìn)而提取開通關(guān)斷延遲時間，最后建立基于開通關(guān)斷延遲時間的結(jié)溫探測模型，為IGBT結(jié)溫探測的研究提供了一種新思路。

1 ?IGBT動態(tài)特性測試試驗

為研究開通延遲時間tdon及關(guān)斷延遲時間tdoff與結(jié)溫的關(guān)系，設(shè)計開通關(guān)斷延遲時間溫度特性測試試驗。

為獲取IGBT開通關(guān)斷時間，采用圖1所示的雙脈沖觸發(fā)信號和二極管鉗位的電路圖測試IGBT動態(tài)特性波形。流過電感Lc的電流由Ic監(jiān)測儀1測量，所需的電壓Vdd由電源控制。高速開關(guān)驅(qū)動器和被測DUT并聯(lián)連接，以使驅(qū)動器或被測IGBT能夠激勵電感。Ic監(jiān)測儀2測量測試過程中流過被測DUT集電極的實際電流。該Ic監(jiān)測儀直接與高精度數(shù)字示波器連接，示波器同樣可以測試門極波形和集射極電壓vce波形。一個測試周期完成后，測試結(jié)果以波形和數(shù)據(jù)的方式保存在計算機中。

為研究不同溫度下開通關(guān)斷延遲時間的變化情況，測試試驗采用一套帶恒溫控制的底板加熱設(shè)備，控制溫度恒定在設(shè)定值并加熱較長時間，以保證內(nèi)部芯片結(jié)溫加熱到設(shè)定溫度。

試驗方案設(shè)計如下：設(shè)置IGBT結(jié)溫分別為30 ℃，50 ℃，70 ℃和90 ℃，試驗記錄不同溫度下IGBT模塊開通和關(guān)斷時刻集射極電壓vce、集電極電流ic和柵極電壓vge的動態(tài)波形數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)精度為ns級。其他參數(shù)設(shè)置如下：母線電壓VCC為200 V;集電極電流ic為50 A;負(fù)載電阻Rg為4 Ω;驅(qū)動模塊VGE為10 V/-5 V。

2 ?動態(tài)特性測試結(jié)果

2.1 ?開關(guān)過程動態(tài)特性分析

2.1.1 ?開通過程分析

如圖2所示為IGBT模塊在30 ℃時開通過程的實測動態(tài)波形。在t1時刻，IGBT電流開始上升，雜散電感對電壓變化率產(chǎn)生影響，vce下降引起密勒電容放電，該電流從柵極流向集電極，減少了向柵射極電容充電，從而使vge上升率減小，導(dǎo)致ic上升率減少。由于密勒電容的反饋作用，vce在t1～t2間首先出現(xiàn)一個電壓陡降的平臺，之后幾乎是一個常數(shù)，此時ic上升直至t2時刻結(jié)束。

在t2時刻，二極管開始恢復(fù)其反向阻斷能力，二極管反向電壓的上升引起vce迅速下降。這時IGBT和二極管均存在能量損耗，負(fù)的dvce/dt引起密勒電容從柵極到集電極的電流，從而使vge有短暫的下降。在t3時刻，由于雜散電感和雜散電容而引起振鈴現(xiàn)象。在t3和t4期間，當(dāng)vce接近IGBT的飽和壓降時，密勒電容增大2～3個數(shù)量級，dvce/dt緩慢減少，當(dāng)vce達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，dvce/dt減小到零時，柵極驅(qū)動電流恢復(fù)對柵射極電容充電，vge上升到驅(qū)動電壓，在t4時刻充分導(dǎo)通。

根據(jù)國標(biāo)GB/T29332—2012，定義開通延遲時間tdon為從10%柵極電壓值至10%集電極電流值的時間;上升時間tr為電流從10%集電極電流值上升到90%集電極電流值的時間。

2.1.2 ?關(guān)斷過程分析

如圖3所示為IGBT模塊在30 ℃時關(guān)斷過程的實測動態(tài)波形。在t1時刻，vce開始慢慢上升，dvce/dt引起的感應(yīng)電流通過密勒電容向柵射極電容充電，由于這種反饋作用，vge在t1～t2期間幾乎是一個常數(shù)。在t2時刻，隨著vce的增大，密勒電容的容量大大減小，因此集電極到柵極的反饋電流明顯減少，vce迅速向母線電壓上升，而由于二極管仍處于反向偏置狀態(tài)，ic仍然等于輸出電流不變。此時由于雜散電感和雜散電容存在，vge和vce均波動式趨于平衡。在t3時刻，IGBT的vce達(dá)到母線電壓，輸出電流由二極管提供。根據(jù)國標(biāo)GB/T29332—2012，定義關(guān)斷延遲時間tdoff為從90%柵極電壓值至90%集電極電流值的時間，下降時間tf為電流從90%集電極電流值下降到10%集電極電流值的時間。

2.2 ?不同溫度下測試結(jié)果

為了確保所得結(jié)論的正確性，在相同工作條件下對多塊同一型號1 200 V/50 A的IGBT模塊進(jìn)行多組試驗，均得到類似的結(jié)果。其中一組不同溫度下開通和關(guān)斷時刻電壓、電流動態(tài)波形數(shù)據(jù)如圖4和圖5所示。

由圖4可知，開通過程中vce很快下降至0 V產(chǎn)生波谷并趨于穩(wěn)定，同時ic上升并趨于穩(wěn)定。由圖5可知，關(guān)斷過程中vce上升產(chǎn)生尖峰并趨于穩(wěn)定，同時ic逐漸下降至0 A并穩(wěn)定。開通和關(guān)斷過程中vce和ic均隨結(jié)溫增大而產(chǎn)生規(guī)律性的移動。根據(jù)開通和關(guān)斷延遲時間定義，對實測結(jié)果進(jìn)行計算，得到不同溫度下通斷延遲時間見表1。

3 ?開通關(guān)斷延遲時間結(jié)溫探測模型

根據(jù)測試結(jié)果，對不同結(jié)溫下的開通延遲時間tdon和關(guān)斷延遲時間tdoff進(jìn)行參數(shù)提取，其結(jié)果及對應(yīng)的擬合曲線如圖6所示。

根據(jù)圖6及擬合結(jié)果可知，開通延遲時間tdon與結(jié)溫Tj近似呈負(fù)相關(guān)，隨結(jié)溫增大線性減小;關(guān)斷延遲時間tdoff與結(jié)溫Tj呈正相關(guān)，隨結(jié)溫增大線性增大。其溫度靈敏度分別為0.23 ns/℃和0.68 ns/℃，開通延遲時間tdon的溫度靈敏度明顯低于關(guān)斷延遲時間tdoff。

圖6中擬合曲線的相關(guān)系數(shù)分別為0.920和0.996，說明關(guān)斷延遲時間tdoff的溫度線性度相比開通延遲時間tdon更優(yōu)，可選作溫敏參數(shù)指示結(jié)溫的變化情況，用于結(jié)溫計算。IGBT關(guān)斷延遲時間結(jié)溫監(jiān)測模型如圖7所示。

根據(jù)圖7以關(guān)斷延遲時間tdoff作為溫敏參數(shù)，得到結(jié)溫探測模型的表達(dá)式為：

[Tj=a1×tdoff+a2]

式中，a1和a2為關(guān)斷延遲時間相關(guān)系數(shù)。

針對本文所研究型號的IGBT模塊，其對應(yīng)值如表2所示。

4 ?結(jié) ?語

本文針對風(fēng)電變流器功率模塊IGBT設(shè)計了通斷延遲時間溫度特性試驗，進(jìn)而分析IGBT模塊開關(guān)瞬態(tài)動態(tài)特性，并提取通斷延遲時間作為溫敏參數(shù)，驗證該參數(shù)與結(jié)溫的線性相關(guān)特征，最終得到了基于關(guān)斷延遲時間的結(jié)溫探測模型。擬合結(jié)果表明，該模型具有較高的探測精度。

注：本文通訊作者為丁祥寬。

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