通過結溫變化監測IGBT的健康狀況

摘 要 IGBT功率模塊作為現今電力電子變換裝置的核心器件，已廣泛應用于工業和新能源行業等各個領域，其工況長期運行的安全可靠性直接關系到整個系統的穩定健康與否，而模塊結溫參數是影響器件失效的關鍵因素，如何進行模塊結溫的準確測量也成為了IGBT在線監測與狀態評估的重要關注點。在此簡要介紹了幾種具有代表性的模塊結溫測量方法，對于結溫的提取和估算這些方法各有其優缺點，也有適用方面的限制，選取時需要根據具體情況有所側重。

【關鍵詞】IGBT 結溫提取 在線監測 狀態評估

隨著新能源行業的高速發展，風力發電、光伏發電、電動汽車、高鐵牽引、航空航天等在日常生活中發揮的作用越來越大，這里面的電力電子變換裝置在新能源各個行業扮演著重要的角色。而隨著半導體器件的發展，絕緣柵雙極型晶體管（Insulate Gate Bipolar Transistor）不僅具有大功率晶體管（GTR）高電流、低飽和電壓以及高耐壓的優點，更是具備場效應晶體管（MOSFET）輸入阻抗高、開關頻率高和驅動功率低的優點，因此，IGBT已經作為電力電子變換裝置的核心器件廣泛應用于現代電力電子的各個領域。

而在日益增長的大容量電力電子變換需求下，現有的功率器件往往由于各方面的原因難以完美匹配，為了保證系統的正常運轉，常常會出現大幅度的降額使用或者多組并聯的方式以增大裕量、擴大冗余來進一步提高系統在運行中的安全可靠性。但是這種設計方法勢必會造成資源的浪費和成本的增加，并不能從根本上解決系統整體長期穩定運行的可靠性。因此，針對功率半導體器件本身進行的在線監測和狀態評估就顯得尤為重要，這樣通過實際工況運行的模塊進行數據的采集和進一步分析處理得出結論，從而在模塊損壞失效之前就提前更換，可以避免由于模塊本身失效造成的一系列安全事故和經濟損失，提高系統的整體可靠性。

由于IGBT模塊的應用范圍非常廣泛，工況條件非常復雜，而無論是什么原因導致的模塊過壓失效、過流失效、過溫失效，共同的一點就是IGBT結溫的升高，因此，通過結溫變化來監測IGBT的健康狀況是目前對功率模塊在線狀態監測的重點。

1 IGBT模塊失效分析

對IGBT功率模塊進行在線監測與狀態評估，首先需要清楚導致IGBT模塊失效的主要因素和失效機理。模塊的過壓失效、過流失效、過溫失效是針對IGBT工況運行時開關過程中過高的電壓尖峰、電流尖峰等的浪涌情況以及短路故障等，這些超出功率模塊允許條件的情況往往會引起IGBT的結溫Tj超過其最大溫度限定值，從而導致IGBT的永久性損壞。

在線監測和狀態評估的重點是功率模塊工況穩定運行一段時間之后的健康狀況，由于IGBT模塊內部結構復雜，開關頻率高，鍵合線和芯片的有效接觸面積有限，造成工作時模塊內部溫度的分布不均，對材料和焊接點往往造成沖擊。這是因為IGBT模塊的多層結構以及各層之間不同材料的熱膨脹系數不同，因此在長期運行情況下由于反復的熱循環沖擊，往往造成模塊鍵合線的脫落和焊接層的疲勞，導致IGBT模塊電氣性能和熱性能的改變，這也是IGBT模塊最常見的失效模式。此外，由于每一款IGBT都有其單一的驅動板，器件本身和驅動保護電路不可避免的存在內部的寄生電感、寄生電容等，這樣在運行一段時間后各個因素的綜合作用下，最初的驅動板和工況運行一段時間后的IGBT模塊之間匹配性會下降，也會進一步引發模塊的老化失效。

2 IGBT結溫測量現狀

結溫Tj是功率模塊安全可靠運行狀態的重要參數，在眾多引起IGBT模塊失效的因素中，比較直接和可靠的就是對于模塊結溫的準確測量和進一步監測評估。但是由于IGBT模塊的結構特點，芯片下面有DBC基板，上面有封裝的硅脂，往往很難對芯片處的結溫進行直接準確的在線測量，目前常用的有以下三種結溫測量方法。

2.1 光學法

用光學法對IGBT模塊進行結溫測量時借助的是器件溫度的紅外輻射，往往需要進行一些前期的處理，如打開待測模塊的外部封裝，除去芯片表面的硅脂，將芯片表面涂黑以增加熱輻射系數，進而使得溫度的測量提取更加準確。

光學法測量使用的設備包括紅外輻射傳感器、光纖、紅外顯微鏡、紅外熱像儀等，對結溫進行直接的測量，由于這些設備大都比較昂貴，采樣率與動態結溫的檢測要求也有一定的差距，而且打開模塊的封裝往往會破壞模塊的完整性，多用于半成品器件的檢測，無法進行器件結溫的在線監測。

2.2 使用熱模型估計結溫

對于IGBT模塊結溫的測量，比較常用的方法是采用熱模型來反映其熱性能，其中用等效電阻—電容網絡組成的熱模型由于其相對簡單的普適性和計算方便成為最常用的熱模型評估方法。

具有代表性的是連續網絡熱路模型（Continued fraction circuit），又稱Cauer模型、T模型或者梯形網絡，可以反映帶有內部熱阻的半導體器件熱容量的真實物理傳導過程。建立這個熱網絡模型，需要掌握器件每層的材料特性，將模塊每一層用相應獨立的RC單元表示出來，從熱網絡模型的各節點獲取每層材料的內部溫度，如圖1所示。

每一組RC代表模塊不同層結構的傳導路徑，熱模型的RC值與材料特性及幾何結構有關，需要考慮其厚度、有效截面面積、導熱系數、比熱容等參數。輸入電流源在等效RC網絡模型中表示耗散在半導體芯片中的瞬時功率值，熱網絡模型法對于模塊內部層間結構以及材料特性的掌握要求比較高。

2.3 通過熱敏電學參數測量結溫

目前，使用熱敏電氣參數測量是實現對結溫快速準確測量的有效方法，與結溫相關的熱敏電學參數有飽和壓降VCE（sat）、柵極閾值電壓VGE（th）、柵極開通延時tdon、集射極電壓變化率dVCE/dt等，而在這眾多參數中VCE（sat）是一個IGBT結溫測量的常用熱敏電學參數，也是比較經典的結溫預測方法，同時對于功率模塊熱網絡模型的提取也有很大參考性。endprint

采用VCE（sat）參數測量模塊結溫時，用直流源對IGBT模塊提供小型連續的集電極電流，使其足以達到集電極電壓的飽和值。IGBT的VCE（sat）測量的是不同的環境溫度，將IGBT放置在一個恒溫測試箱里面，采集回來的數據通過曲線擬合可以得到VCE（sat）和結溫Tj之間的關系，該曲線也可以用來驗證通過熱網絡模型估算得出的Tj值的準確性。這種方法的缺點和難點在于功率器件工業應用中的在線監測，飽和壓降法往往需要輔助電路提供恒定的測量激勵源，應用條件有很大的局限性。雖然飽和壓降法測量結溫的要求比較高，但是其優點也是顯而易見的，在不斷改進和優化下，利用熱敏電學參數測量模塊結溫的方法也越來越成熟。

3 結語

無論是在工業還是新能源領域，其電力變換裝置的核心器件都有著IGBT功率模塊不可或缺的重要地位，而溫度誘發的模塊失效則是IGBT在長期工況穩定運行下需要重點關注的影響因素。本文對目前對于模塊結溫測量的光學法、熱網絡模型法、熱敏電氣參數法這三種具有代表性的方法作了簡要的闡述和比較，這幾種方法各有其優缺點，在選用時需要根據具體的情況而定，側重快速方便還是精確無誤，除此之外，還有很多在此基礎上改進或者相關的測量結溫的有效方法。熱敏電氣參數法的響應快、精度高，雖然現在還沒有實現模塊結溫的在線測量，但是目前發展比較快，也取得了較多的研究成果，未來的發展也必定可以實現功率模塊的在線監測。

參考文獻

[1]毛婭婕.絕緣柵雙極型晶體管結溫測量方法的研究[D].重慶大學，2013.

[2]王賀.IGBT功率模塊結溫探測和壽命預測[D].河北工業大學，2014.

[3]秦星.風電變流器IGBT模塊結溫計算及功率循環能力評估[D].重慶大學，2014.

[4]朱炯炯.IGBT模塊故障預測技術[D].電子科技大學，2014.

[5]鄭翔.一種IGBT模塊失效機理分析[D].沈陽工業大學，2014.

[6]胡震.功率器件的故障診斷及疲勞壽命預測[D].天津理工大學，2014.

[7]張巖.風電變流器IGBT器件實時溫熱狀態無線監測系統設計[D].河北工業大學，2013.

[8]趙楊.絕緣柵雙極晶體管的可靠性研究[D].山東大學，2013.

[9]楊旭.基于飽和壓降測量的IGBT功率模塊狀態評估方法研究[D].重慶大學，2012.

[10]杜明星.功率器件狀態監測的關鍵問題研究[D].天津大學，2012.

作者簡介

楊彥朋，西安工程大學碩士研究生，研究方向為中大功率IGBT模塊在線狀態監測。

作者單位

西安工程大學電子信息學院 陜西省西安市 710048endprint