大容量電力電子器件結溫提取原理綜述及展望

胡圣烽

摘 要：在電力生產的持續變革下，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，在結合相關文獻分別從靜態提取和動態提取兩個角度出發，歸納說明大容量電力電子器件熱敏電參數結溫提取原理的基礎之上，指出未來大容量電力電子器件結溫提取還將朝著集成化的方向發展。關于大容量電力電子器件結溫研究的系統性、統一性以及相關性也將得到進一步提高。

關鍵詞：大容量電力電子器件；結溫提??；原理

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

（一）提取靜態熱敏感電參數結溫

目前在提取靜態熱敏感電參數結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通狀態下，器件將會出現通態壓降，在直接將其作為熱敏感電參數下進行相應提取即可。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，而后運用專業的離線數據庫便可以對瞬時結溫進行精準計算。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集電極電流的熱敏感電參數，以此有效達到控制誤差的效果。

（二）提取動態熱敏感電參數結溫

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

在上圖所示的門極驅動回路當中，Ig和Cge分別代表著門極電流與門極電阻，，Lp與Rg則分別代表著驅動回路中等效雜散電感和外部門極電阻。Rgi代表著內置驅動電阻。在該門極驅動回路當中，模塊結溫一旦發生變化，門極電容以及模塊內置驅動電阻也將隨之出現相應的變化。也就是說在驅動電壓固定不變的情況下，各結溫均有驅動回路阻抗與之相對應，進而使得Vg即外部驅動測量信號發生改變。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，可以徹底以往結溫提取對于有源或是無源輔助電路高度依賴的情況，從而大大減少相關結溫提取參數，以此有效方便順利完成熱敏感電參數提取工作。通常情況下，在IGBT器件開通瞬態時，通過利用內置驅動溫敏電阻法便可以高效完成門極有效信息的提取工作，進而避免出現結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溫提取的研究展望

（一）結溫提取更加集成化

相比于靜態熱敏感電參數提取，動態熱敏感電參數結溫提取具有更高的適應性，因此我們有理由相信未來大容量電力電子器件結溫提取研究重點還將放置在動態熱敏感電參數結溫提取上。由于當前大容量電力電子器件經常面臨在高電壓、大電流高頻開關狀態下運行，因此包括過流以及短路等在內的保護機制長時間處于工作狀態。為此，本文認為，未來在研究大容量電力電子器件結溫提取的過程中，研究人員還將在不影響變流系統正常運行的基礎上，高度集成芯片溫度檢測功能，從而可以更加高效地再現完成器件結溫提取工作。如在IGBT模塊當中，將開爾文發射極端子同發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開關切換狀態下，各電磁信息在芯片溫度的影響下將會在寄生電感上感應出各種動態熱敏感電參數。

（二）評價方法準則統一化

考慮到屬性各異的動態熱敏感電參數在結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，即便是在動態熱敏感電參數相同的情況下，應用工況之間的差異性也會導致最終表現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溫提取研究還將會把研究目光放置在構建統一的評價動態熱敏感電參數方法及規則上，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合下，研究出一種可以對動態熱敏感電參數性能進行綜合反映和全面評價的方法準則。

（三）器件結溫與工況相關

有研究人員指出，除了包括擴散系數以及禁帶寬度等在呢你的內部半導體物理參數會直接影響著大容量電力電子器件結溫與動態熱敏電參數之間的具體作用，同時負載電流以及母線電壓等外部運行環境也會對其產生相應的制約影響[2]。因此日后在對大容量電力電子器件結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，主動聯系動態熱敏電參數和大容量電力電子器件運行工況之間的內在關聯性，從而探究出大容量電力電子器件結溫和動態熱敏電參數之間的具體關系。

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

參考文獻

[1]李輝，劉盛權，李洋，等.考慮多熱源耦合的風電變流器IGBT模塊結溫評估模型[J].電力自動化設備，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與應用發展綜述[J].電氣工程學報，2015，10（4）：26-34.

（作者單位：空軍預警學院）