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IGBT结温获取方法微探夏乙珩

发表时间：2020/5/9 来源：《电力设备》2020年第2期作者：夏乙珩

[导读] 摘要：IGBT模块结温和寿命预测、可靠性分析密切相关，在进行结温获取方法研究过程中，文章主要围绕IGBT结温模拟方法、结温检测方法以及结温实时探测方法进行探究，并对各方法的适用范围进行探究，最后提出了IGBT结温探测的发展趋势。

        (珠海格力电器股份有限公司 519070)
        摘要：IGBT模块结温和寿命预测、可靠性分析密切相关，在进行结温获取方法研究过程中，文章主要围绕IGBT结温模拟方法、结温检测方法以及结温实时探测方法进行探究，并对各方法的适用范围进行探究，最后提出了IGBT结温探测的发展趋势。
        关键词：IGBT结温；获取方法
        IGBT，它是一种绝缘栅双极型晶体管是一种符合型的新型功率半导体元件，被广泛使用在通信系统、新能源系统、工业、交通等各个领域，由于IGBT模块容易受到温度的影响，这会严重的影响IGBT晶体管的使用寿命，为了全面提高晶体管的可靠性，需要做好IGBT寿命预测、可靠性分析等等，从多个领域找到晶体管失效和结温之间的联系。因此，应该采取有效的方法，更好地进行IGBT晶体管寿命预测优化设计，全面提高可靠性。通常情况下，IGBT晶体管在使用时由于受到封装特性的影响，可以使用模拟法获取结温，也可以使用实际探测的方式获取结温，两种方法各有各的优势和缺点，本文主要针对IGBT晶体管诘问获取方法进行阐述，详细如下:
        一、IGBT 结温模拟方法
        1 电热耦合模型法
        电热耦合模型法在使用过程中主要包括两大类，第一类需要考虑到IGBT模块内部的温度参数，建立和温度相关的物理模型，第二类是通过使用电器模型和热模型两种进行温度反馈模型的建立。电热耦合模型法，它主要是通过IGBT模块电气参数建立的一种结温预测模型。首先，在进行大温度参数物理模型分析时，由于IGBT内部载流子在进行运动时和电器行为有关，可以通过计算机系统能够精准的模拟IGBT模块的开关电压、电流波形等等，能够精准的计算损耗，这样可以有效地建立器件内部参数和半导体物理模型之间的联系。现阶段，在进行带温度参数物理模型分析时，需要将半导体的物化机理与温度有机融合，这样建立的模型更加的准确，然而在进行模型建设过程中，需要使用大量的参数，提取过程较为复杂。因为在进行参数提取过程中，需要进行仿真步长的计算。所以在计算时，每次开关过程均需要求解偏微分方程计算量巨大。其次，再进行温度反馈模型建设过程中需要考虑到电流电压参数。在电气模型和热模型之间建立相应的耦合关系，能够如实地反映IGBT模块内部的热电关系如图一。

        图一温度反馈型电热耦合模型
        在进行器件损耗计算过程中，可以使用电器模型，主要有数值模型和LUT模型两种数值模型能够分析IGBT模块中的电压电流波形，进而建立开关损耗模型和通态损耗模型，利用模型中的温敏参数，实现损耗和温度的耦合。LUT模型是在IGBT模块开关损耗动态建设之前，需要进行开关实验，仿真实验，模拟每次开关过程。这样，就不必计算损耗，可以通过查表方法，得到电流电压。在一定温度下，开关损耗和通态损耗能够加快仿真速度。然而，电热耦合模型在使用过程中，它也是当前最常用的结温模拟方法，能够在多个时间段检测结温历史，通过编程实现结温的在线检测。除此之外，它也可以针对IGBT老化之后的模块进行开关试验，提取老化过程的损耗参数，它能有效地反映器件的老化状态。然而，电热耦合模型只能使用在温度精准度要求不高的场合进行寿命预测分析。
        2 FEM 数值计算法
        FEM数值计算法在使用时，需要在计算机软件系统中建立完善的IGBT模块三维立体模型，通过网络划分有限元分析的方式对温度场热进行仿真模拟，能够精准地得到IGBT模块的温度分布情况，可以使用FEM数值分析法得到精准的温度的分布图，准确地得到结温点位置，进行功率半导体器件失效机理散热设计。然而，有限元计算法再进行三维建模过程中，需要得到各层材料的属性和尺寸参数，能有效地反映出器件的退化状态，通过使用仿真模拟的方式，对大量的网格节点进行迭代计算。在求解过程中，过程较为复杂，不能进行长时间的结温数据的计算，而且取得的有效导热面积多为近似值，存在的误差较大。
        3 迭代计算法
        现阶段，迭代计算法在使用时，需要建立精准的数学模型，在进行周期结温计算时，将上一周期的结温作为初始值进行计算。对于每个模块来说，在使用时需要严格的管控IGBT芯片以及反并联二极管热源的比例。在进行周期计算时，需要考虑到每个计算周期包含的开关周期，分别得到IGBT模块和使用Diode计算周期得到的平均损耗。在进行该种方法计算时，建立的数学模型较为细致，能对IGBT模块内部每层封装材料的温度差进行分析，能有效地计算出每层封装材料的温度曲线，迭代计算法在使用时速度较快，可以计算长时间尺度的结温数据。然而，在进行使用过程中，需要设定的参数较多，不容易建立模型【1】。
        二、IGBT 结温探测方法
        1 热敏参数法
        IGBT在内的许多参数都有一定的温度敏感性，和集射极饱和压降、电压变化率、门极电压等等有着密切的联系，在进行热敏参数法分析时，第一，需要对集射极饱和压降进行探究，IGBT模块主要是通过集射极饱和压降和结温之间的线性关系，测量集射极饱和压降，进而推算出结温值在特定的电流之下集射极饱和压降，它和结温呈负相关的关系。然而在大电流的作用下，IGBT模块本身产生的热量和结温成正相关。在进行热敏参数测量时，需要测量模块外部电参数，测量电路较为简单，然而，在进行测量过程中，测量的条件较高在进行。第二，需要进行短路电流分析，在IGBT模块工作期间需要输入短路脉冲的峰值，它和集射极饱和电压成线性关系。因此，需要建立完善的短路电流峰值和结温关系模型。第三，需要进行及涉及电压变化率进行分析，集射极饱和电压变化率是在不同负载电流之下和结温呈现出的线性关系，可以通过热敏参数测量结温。第四，需要进行门级电压、门极电阻电压的分析，两者在进行关断器件时，波形会随着温度发生变化。可以将温度参数的变化作为热敏参数测量数值，门极电压在关断期间，宽度也会随着结温的升高逐渐加宽。IGBT模块在不同的温度进行关断时，载流子分布情况都会随着温度的升高而呈现出不同的变化，这时需要使用高分辨率的示波器。
        2 物理接触法
        物理接触法主要是通过热敏元件，通常我们常使用的热电偶、热电阻、光纤等等，和IGBT模块芯片进行接触，能够获得结温的方式。在使用时，该方法操作较为简单，能够在实验条件下直接到获取结温，不需要放置热敏元件，在进行测量温度时将IGBT的封装打开，避免影响温度的精准性。
        3 红外热成像法
        红外热成像法在使用时主要是利用红外热成像仪对IGBT模块进行高速的拍摄，能够根据颜色计算出模块的温度值。对红外热成像系统的测温原理进行探究，找到温度分布和真实温度之间存在的差异，能全面提高芯片温度测量的准确性，它是一种非接触测量结温的方式，在进行检测之前，需要考虑到空气中的温度、湿度、压力等等【2】。
        三、IGBT 结温实时探测方法
        在进行IGBT模块结温实时探测方法探究过程中，需要考虑到仿真方法使用的准确性，避免由于模块疲劳引起的电热参数发生改变，通过大量的研究，发现IGBT模块本身存在的疲劳老化、电热参数映射关系退化极其缓慢。近年来，预埋温度传感器模块应运而生，它能有效地降低测量条件的真实要求，实现结温的在线检测【3】。
        参考文献：
        [1]姚芳,王少杰,李志刚.IGBT结温获取方法及其讨论[J].电测与仪表,2018,54(12):42-48.
        [2]张省伟,王博.IGBT模块集成NTC的应用研究[J].工业仪表与自动化装置,2019,(5):87-90.
        [3]常垚,陈玉香,李武华, 等.基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法[J].电工技术学报,2019,32(12):70-78.
        [4]重庆大学.一种基于MMC换流阀应用工况的IGBT器件功率循环测评方法:CN201910399482.5[P].2019-08-16.