基于動態(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行當(dāng)中，對IGBT模塊的內(nèi)部結(jié)溫進(jìn)行在線檢測，是快速過溫保護(hù)與瞬時極限運行的先決條件，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，發(fā)現(xiàn)了IGBT模塊內(nèi)部寄生電感LeE與動態(tài)電氣參數(shù)之間的轉(zhuǎn)換媒介作用?；诖税l(fā)現(xiàn)，提出了動態(tài)熱敏感電參數(shù)的概念，實現(xiàn)了IGBT模塊的結(jié)溫實時動態(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態(tài)熱敏感電參數(shù)分類規(guī)則與性能綜合評估。
　　大容量動態(tài)特性測試平臺是研究大功率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態(tài)特性測試平臺的綜合設(shè)計

3、準(zhǔn)則，在該設(shè)計原則的指導(dǎo)下，搭建了一套3600A電流等級的IGBT動態(tài)開關(guān)特性測試平臺。該平臺通過獨立雙加熱的結(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)溫變化對大功率IGBT模塊的瞬態(tài)電氣應(yīng)力、開關(guān)損耗和運行軌跡三類指標(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)與動態(tài)電氣參數(shù)存在緊密的一一對應(yīng)關(guān)系。本文通過建立載流子抽取模型，揭示關(guān)斷動態(tài)電氣參數(shù)與關(guān)斷過程中載流子運動方程的內(nèi)在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)母線電壓、負(fù)載電流與芯片結(jié)溫三者對關(guān)斷動態(tài)電氣參數(shù)具有獨立、單調(diào)的變化規(guī)律。因此，提出了基于關(guān)斷延遲時間和關(guān)斷電流最大變化率等動態(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)斷延遲時間和關(guān)斷電流最大變化率兩個動態(tài)熱敏感電參數(shù)的

5、測量轉(zhuǎn)化為對寄生電感LeE上感應(yīng)電壓觸發(fā)時機(jī)與感應(yīng)電壓負(fù)峰值的檢測?；陉P(guān)斷延遲時間的熱敏感電參數(shù)法僅通過采樣感應(yīng)電壓即可完成對IGBT關(guān)斷延遲時間的檢測，避免了對集電極電流變化率的直接測量?；陉P(guān)斷電流最大變化率的熱敏感電參數(shù)法僅需對感應(yīng)電壓負(fù)峰值采樣即可完成IGBT芯片結(jié)溫的提取，大大簡化了校正環(huán)節(jié)。實驗結(jié)果證實了關(guān)斷延遲時間和關(guān)斷電流最大變化率這兩個動態(tài)熱敏感電參數(shù)的有效性，且運行工況適應(yīng)性強(qiáng)、在線實施集成性高，為IGBT芯片結(jié)溫

6、的在線檢測提供了理論依據(jù)。
　　其次，針對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期恢復(fù)電荷的動態(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量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓負(fù)峰值的檢

7、測，同時把電流下降時期恢復(fù)電荷的測量轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電壓在恢復(fù)階段所包圍的面積與持續(xù)時間之積的運算。實驗結(jié)果表明，恢復(fù)電流最大變化率和電流下降時期恢復(fù)電荷這兩個動態(tài)熱敏感電參數(shù)的的靈敏度高，且適合高溫運行工況，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之間的一一對應(yīng)關(guān)系，并深入分析相關(guān)動態(tài)電氣參數(shù)與芯片結(jié)溫的相互作用機(jī)理

8、，通過分析動態(tài)熱敏感電參數(shù)在感應(yīng)電壓橫向時間軸與縱向電壓軸的分布特征，把動態(tài)熱敏感電參數(shù)分為時變型參數(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態(tài)熱敏感電參數(shù)提供了新思路。此外，針對不同類型的動態(tài)熱敏感電參數(shù)，分別從線性度、靈敏度、校正程序、和在線實施等方面進(jìn)行了綜合評估和實驗驗證，為動態(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)部寄生電感的動態(tài)熱敏電參數(shù)法，由于利

9、用了動態(tài)電氣參數(shù)與結(jié)溫之間的一一對應(yīng)關(guān)系，從而間接地獲取了模塊內(nèi)部芯片結(jié)溫信息。同時借助IGBT模塊內(nèi)部寄生電感LeE的媒介作用，實現(xiàn)了對動態(tài)熱敏感電參數(shù)進(jìn)行直接測量。該方法無需打開模塊封裝即可獲取結(jié)溫信息，而且又避免了對高電壓大電流電氣量的直接測量;具有響應(yīng)快、靈敏度高、成本低、集成性好的特點，為大功率IGBT模塊芯片結(jié)溫的檢測提供了新思路。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