基于瞬態(tài)熱阻抗的IGBT 工況結(jié)溫實時監(jiān)測研究*

胡 洋，馬智浩，李 策，沈 翃，萬曉航

（河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工業(yè)基礎(chǔ)部，河北 石家莊 050091）

引言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種電壓控制的MOS/雙極復(fù)合型器件，同時具備了單極型器件和雙極型器件的優(yōu)點，是風(fēng)電機組中風(fēng)電變流器的主要組成器件之一[1-3]。

在風(fēng)電變流器實際工況中，由于IGBT 承受間歇性功率循環(huán)，其各層結(jié)構(gòu)往復(fù)膨脹收縮，材料熱物性參數(shù)隨之退化，導(dǎo)致結(jié)溫失控性升高，進而影響IGBT 模塊甚至風(fēng)電機組的可靠性[4-5]，因此實時監(jiān)測IGBT 的結(jié)溫對評估模塊和變流器的工作性能及健康狀態(tài)具有重要意義[6-7]。

現(xiàn)有關(guān)于IGBT 實時結(jié)溫監(jiān)測的方法以溫敏參數(shù)法為主，一般都需要搭建特制的柵極驅(qū)動電路或高精度測試電路，因此這方面的研究仍集中在理論方面[8-10]。而從瞬態(tài)熱阻抗Zth(j-c)角度對IGBT 進行實時結(jié)溫監(jiān)測的研究較少，本文創(chuàng)新性的研究了IGBT 常見的兩種工作模式，即實驗室下的恒直流模式和工況下的開關(guān)模式，從數(shù)值分析角度探索恒直流模式下瞬態(tài)熱阻抗對開關(guān)模式的適用性，最后給出了工況下IGBT 模塊實時結(jié)溫監(jiān)測流程圖，對工況IGBT 實時結(jié)溫監(jiān)測具有一定的科學(xué)意義及實用價值。

1 工作模式分析

對于IGBT 模塊的結(jié)溫探測，通常實驗室條件下為恒直流模式，而工況下的IGBT 一般工作在開關(guān)模式下。對實驗室條件下恒直流模式的試驗結(jié)果是否對工況下的開關(guān)模式具有適用性，也即兩種模式是否可以近似等效，分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種情況分別進行討論。

1.1 穩(wěn)態(tài)分析

恒直流模式與開關(guān)模式穩(wěn)態(tài)情況下，結(jié)溫Tj與功率P 存在如下關(guān)系：

其中，Tj.avg為平均結(jié)溫，Tc為殼溫，Ploss.avg為平均功率損耗，Rth(j-c)為穩(wěn)態(tài)熱阻。

根據(jù)公式可以看出，當(dāng)處于穩(wěn)態(tài)情況時，若兩種模式下IGBT 模塊殼溫Tc數(shù)值相同，針對同一型號IGBT，在同一老化周期內(nèi)，可認(rèn)為其熱阻值Rth(j-c)是一致的，當(dāng)兩種模式下的平均功率損耗值Ploss.avg相同時，則平均結(jié)溫值相同。

本節(jié)分析說明穩(wěn)態(tài)情況下，實驗室條件下恒直流模式的試驗結(jié)果對工況具有適用性。但在實際工況中，一般不進行穩(wěn)態(tài)情況的結(jié)溫估算，而是進行實時瞬態(tài)結(jié)溫監(jiān)測，故本文重點研究瞬態(tài)情況下兩種模式的適用性問題。

1.2 瞬態(tài)分析

恒直流模式與開關(guān)模式瞬態(tài)情況下，結(jié)溫Tj與功率P 分別存在如下關(guān)系：

其中，Tj.h（t）、Tj.k（t）、Tc.h（t）與Tc.k（t）分別為兩種模式下隨時間變化的結(jié)溫和殼溫；Ploss.h（t）與Ploss.k（t）分別為兩種模式下隨時間變化的耗散功率分別為兩種模式下的瞬態(tài)熱阻抗，依據(jù)Foster 模型可表示為：

其中，ri為第 i 層熱阻，τi為第 i 層熱時間常數(shù)。

根據(jù)公式可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)處于瞬態(tài)情況時，若兩種模式下IGBT 模塊殼溫瞬時值Tc（t）相同，針對同一型號IGBT，在同一老化周期內(nèi)，可認(rèn)為其瞬態(tài)熱阻抗是相同的，而此時問題的關(guān)鍵是兩種模式下的瞬時耗散功率Ploss（t）是否相同，若該值相同或近似，則瞬時結(jié)溫值相同或近似，那么在瞬態(tài)情況下，實驗室中恒直流模式的試驗結(jié)果也將對工況具有適用性。

2 數(shù)值分析

2.1 恒直流模式

恒直流模式下電流較大時，在升溫過程中由于溫度的上升，導(dǎo)致集射極壓降vce近似成一次函數(shù)線性增大，且電流越大集射極壓降變化越明顯，進而使得耗散功率Ploss.h（t）隨時間近似成一次函數(shù)變化。由于結(jié)溫的變化趨勢僅與耗散功率及瞬態(tài)熱阻抗有關(guān)，且已知瞬態(tài)熱阻抗成指數(shù)形式變化，故結(jié)溫的變化趨勢應(yīng)為指數(shù)形式變化，示意圖如圖1 所示。

圖1 恒直流模式P 與Tj 變化

恒直流模式下，電流較大時的耗散功率Ploss.h（t）可表示為：

則得恒流模式下的結(jié)溫為：

2.2 開關(guān)模式

在開關(guān)模式下，由于周期性的開通關(guān)斷，導(dǎo)致IGBT模塊上的集電極電流的通斷是周期性的，也即耗散功率Ploss.k（t）是周期性變化的，使得結(jié)溫Tj也隨時間成周期性增大；同時與恒直流模式類似，在大電流的作用下，隨著溫度的上升，vce也將近似成一次函數(shù)線性增大，那么耗散功率Ploss.k（t）也將增大，其最大值點成一次函數(shù)增大；當(dāng)模塊工作一段時間后達到熱平衡，此時每次功率脈沖幅值相同，結(jié)溫波動穩(wěn)定，且在每次功率下降沿處結(jié)溫達到最大，示意圖如圖2 所示。

圖2 開關(guān)模式P 與Tj 變化

開關(guān)模式下階躍變化的耗散功率Ploss.k（t）可近似表示為：

則得開關(guān)模式下的結(jié)溫為：

由于工況下IGBT 模塊的開關(guān)頻率約為3-5KHz，即每個功率脈沖循環(huán)2t0約為0.4-0.667 毫秒，時間十分短暫，為清晰的顯示每一個脈沖過程，圖2（a）是局部放大的示意圖，實際的工作情況下，各個功率脈沖距離很近，密度很大，根據(jù)耗散功率最大值點連線，可近似為一條按一次函數(shù)上升的直線，取每個功率循環(huán)的結(jié)溫均值，近似為一條平滑的曲線，如圖2（b）所示，這與恒直流模式下的結(jié)溫變化具有一定的相似性。另一方面，由于IGBT 的層狀結(jié)構(gòu)，使得在脈沖功率的作用下，不僅結(jié)溫成波動性上升，殼溫隨結(jié)溫以同樣頻率呈波動性上升，故其瞬態(tài)熱阻抗將不受波動的影響。

也就是說，恒直流模式下按一次函數(shù)變化的耗散功率Ploss.h（t）和開關(guān)模式下大密度的脈沖耗散功率Ploss.k（t）所產(chǎn)生的影響一致時，對于同一型號的IGBT 模塊，在同一殼溫設(shè)定下，其瞬態(tài)熱阻抗將是相同的。

那么此時就可以用實驗室下的恒直流模式測定的不同老化情況的IGBT 瞬態(tài)熱阻抗等效成工況下開關(guān)模式對應(yīng)的瞬態(tài)熱阻抗，且工況下功率應(yīng)力是可測的，IGBT模塊殼溫也便于測量，此時就可以使用公式（3）對工況下的結(jié)溫進行預(yù)測。

3 結(jié)溫實時監(jiān)測

根據(jù)以上分析可知，在工況下進行IGBT 結(jié)溫實時監(jiān)測時，可以近似使用同一型號同一老化周期的IGBT模塊在實驗室恒直流模式下所測得的瞬態(tài)熱阻抗曲線。最后，得到IGBT 工況結(jié)溫實時監(jiān)測方法流程圖如圖3所示。

圖3 工況IGBT 實時結(jié)溫監(jiān)測流程圖

4 結(jié)論

本文通過對IGBT 的恒直流模式以及開關(guān)模式兩種工作狀態(tài)的工作模式分析及數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)兩種模式在相同條件下測得的瞬態(tài)熱阻抗近似一致，因此在工況進行IGBT 結(jié)溫實時監(jiān)測時，可以近似使用恒直流模式下所測得的同一型號同一老化周期的IGBT 模塊的瞬態(tài)熱阻抗曲線，該研究對IGBT 工況結(jié)溫實時監(jiān)測具有一定科學(xué)意義及指導(dǎo)作用。