一種新型的基于Vce-on的IGBT模塊結溫實時估測法*

文星，杜明星，景雷，魏克新

(天津理工大學 天津市復雜系統控制理論及應用實驗室，天津 300384)

0 引 言

近年來，電力電子系統廣泛應用于各行各業，如新能源開發、航天航空、自動駕駛、鐵路運輸等[1-2]。電力電子系統由不同的元器件組成,式中功率器件是系統可靠性關鍵部件之一[3-5],其對整個電力電子系統的可靠性和魯棒性至關重要。研究表明，IGBT模塊是電力電子系統中最脆弱的部件，因其不斷受到溫度梯度、溫度波動和電子元件損耗等作用[6-8]。IGBT模塊作為電力電子系統的核心部件，其失效可能引起整個系統的運行中斷。為了實現系統的長期可靠運行，對IGBT模塊結溫的精確測量是十分必要的。

目前，結溫測量主要有兩種方法——直接法和間接法。直接法主要包括光學法和物理接觸法，如光纖、紅外熱成像儀、熱電偶等。因該方法需與芯片進行緊密的物理接觸，這在變換器正常工作期間是無法實現。間接法主要指熱敏電參數法TSEPs(Thermo-Sensitive ElectricalParameters)，因其無需改變IGBT模塊結構而大受歡迎。近年來許多學者都采用TSEPs來實現結溫的實時測量。最常用的TSEPs包括集射通態電壓Vce-on[9-10]，閾值電壓VGE(th)[11-12]，門極電流Ige[13]等。文獻[14]比較了各個TSEPs在7個不同標準下的可行性。該文總結得出低電流下的飽和Vce-on測量精度最佳，是最適合的TSEP，但其不適宜在線測量。相反，大電流下的通態Vce-on可以實現離線和在線測量，但其在線測量精確不佳。因此，為了克服這些缺陷，設計精確的Vce-on測量電路是很有必要的。文獻[1，15-16]提出了準確測量集射通態電壓Vce-on的電路，這些電路均可實現在線測量。實際上，實現IGBT模塊結溫的精確測量不僅要設計精確的Vce-on測量電路，還要考慮到IGBT模塊內部材料參數對結溫的影響。文獻[17]指出由于在實際的轉換過程中非均勻溫度分布造成的電氣連接結構的不同電壓下降也會引起很大的估計誤差。因此提取IGBT模塊內部材料參數并掌握其溫度變化特性是極其必要的。文獻[18]提出了一種新穎的IGBT模塊內部材料參數提取方法——邊界元法。該文利用仿真軟件提取了IGBT模塊鍵合引線寄生參數，與傳統的利用精密儀器提取參數的方法相比，該法既節省成本，操作也更加簡便。文獻[19]應用四點探針法測量出了IGBT模塊內部材料電阻的溫度變化特性，并進行了內部材料電阻的溫度效應補償。該文考慮到了內部材料電阻對溫度的影響，但在小電流下，IGBT模塊并未完全導通，所測內部材料電阻值比實際的偏小，最終造成結溫估測誤差較大。

文中提出了一種新型的利用通態Vce-on實時估測結溫的方法。首先分析了被測IGBT模塊通態Vce-on與溫度的相關性，然后利用軟件提取了模塊的互連材料參數，該方法大大降低了實驗成本，操作也更加簡便。最為重要的是，文中充分考慮了互連材料內阻對IGBT模塊結溫的影響并對其進行了補償。最后，文中通過比較紅外攝像儀測量結果和實時估測結溫驗證了該方法的有效性。

1 IGBT模塊的基本結構

文中采用的是SKM300GB128DIGBT模塊，如圖1所示。該模塊是由4個IGBT芯片，4個反并聯二極管和48跟鍵合線組成的對稱結構。

圖1 SKM300GB128DIGBT模塊

圖2所示為標準IGBT模塊基本結構圖,表1為其每一層的材料屬性及厚度。DCB(Direct Copper Bonded)基板上層焊接了芯片，下層焊接了銅底板。該基板為IGBT模塊的電氣系統和散熱系統起到了良好的隔離作用，并為散熱系統提供良好的熱連接。鍵合線將硅芯片與IGBT模塊的發射極連接在一起。

圖2 標準IGBT模塊基本結構

表1 IGBT模塊的材料屬性及尺寸

2 運用TSEP法估測結溫

2.1 通態Vce-on的溫度依賴性

目前，研究學者廣泛應用熱敏電參數法估測IGBT模塊的結溫，其中通態Vce-on是最常用的熱敏電參量。運用通態Vce-on估測IGBT模塊結溫前進行初步溫度校正是很有必要的，該目的是為了獲得通態Vce-on的溫度依賴性[8]。圖3所示為被測IGBT模塊在不同溫度下的I-V特性曲線。通態電壓Vce-on和溫度的關系依賴于集電極電流Ic，且有一個非線性溫度系數，該系數稱為校正因子k,如圖4所示。顯而易見，校正因子k是電流的函數，且小電流時k< 0,即為負溫度系數NTC (Negative Temperature Coefficient)；大電流時k> 0,即為正溫度系數PTC (Positive Temperature Coefficient)。校正因子k變化的點稱為轉折點，在該點處通態Vce-on與溫度無關[20]。圖3(a)中最小負溫度系數為-3.67℃/mV，圖3(b)中最大正溫度系數為1.63℃/mV。

2.2 基于查表法的結溫估測

圖3 被測IGBT模塊的I-V特性曲線

圖4 校正因子k (a) NTC和 (b) PTC

由上述分析可知，校正因子k是溫度變化量和電壓變化量之比，且與電流有關。因此，k可表示為:

k=ΔT/ΔV

(1)

因在變換器正常運行期間，電流變化很大，而I-V特性曲線僅代表特定電流下的結溫，故采用查表法來代替IGBT模塊的I-V特性曲線，如圖5所示。那么，利用測量的Vce-on和電流可實現結溫Tj的估測。

Tj=k×(Vce-on-V0)+T0

(2)

其中Vce-on為實時測量的通態集射電壓；V0是與電流有關的基準電壓，可從查表法中選?。籘0是與基準電壓V0相對應的基準溫度。

圖5 應用Vce-on和電流測量結溫Tj的查表法

事實上，每一個功率器件都是通過一系列的互連電路連接到輸出端，如鍵合線和銅片[19]。因此通態Vce-on絕對包括內部材料電壓，即:

Vce-on=Vchip+VRint=Vchip+Rint×Ic

(3)

3 IGBT模塊內部參數提取

3.1 內部材料參數提取

國內外學者大多采用精密儀器提取設備內部材料參數，如精密阻抗分析儀等。而文中則采用仿真軟件來提取IGBT模塊內部材料參數。

將圖1的IGBT模塊3-D圖導入仿真軟件中，設置材料屬性及電導率、劃分網格、設置激勵并進行仿真，仿真結果如圖6所示。輸入端電阻Rin和輸出端電阻分別為1.054 mΩ，2.3 mΩ，則內部材料電阻Rint=Rin+Rout= 3.4 mΩ，該結果與數據表給出一致。

圖6 仿真結果

3.2 內部材料電阻對結溫的影響

圖7所示為金屬和半導體材料的電阻值和溫度的典型關系。顯而易見，隨著溫度的變化，金屬材料的電阻隨溫度升高而增大，而半導體材料電阻隨溫度升高而減小。

圖7 金屬和半導體材料的電阻值與溫度的典型關系

當IGBT模塊完全導通時，受功率損耗作用，IGBT模塊溫度升高，半導體芯片電阻減小，互連材料內阻升高。因結溫與Vce-on密切相關，而Vce-on又包括內部材料電壓，故考慮內部材料電阻對結溫的影響是非常有必要的。物理材料電阻隨溫度變化的物理量稱為電阻溫度系數RTC(Resistance Temperature Coefficient),用α表示，其滿足如下數學模型：

(4)

式中R0為溫度T0時的電阻值；R1為溫度T1時的電阻值。

由(3)可得:

ΔRint=α×Rint×(Tj-real-T0)

(5)

式中α為電阻溫度系數；Rint為溫度T0時IGBT模塊內部材料內阻；Tj-real為IGBT模塊實時結溫。

資料顯示，化學純金屬的電阻溫度系數接近于0.004 1/℃。IGBT模塊內部材料主要為銅和鋁，0～100時，銅和鋁的電阻溫度系數分別為0.004/℃，0.004 2/℃，從而可得平均電阻溫度系數α=0.004 1/℃。

Vce-comp=ΔRint×I=α×I×Rint×(Tj-real-T0)

(6)

由公式(2)、(6)可得

(7)

4 實驗驗證

為了驗證該方法的有效性，文中進行了如下實驗。將紅外攝像儀測到的結溫與估測的結溫進行比較。

實驗條件為Vge= 15 V，散熱板溫度控制在28 ℃，Ic分別為1 A,25 A,30A,40 A。圖8所示為Ic=10 A 時紅外測量結果與補償前后估測結溫比較圖。由圖可知，補償前后的溫度差為7.5 ℃；紅外測量的最高結溫為40.9 ℃，補償后的最高估測結溫為41.7 ℃，誤差大約為0.8 ℃。

圖8 Ic = 10 A時的結溫對比

圖9所示為Ic= 25 A時不同測量條件下的結溫對比圖。紅外攝像儀測量的最高結溫為73.8 ℃，補償后估測結溫為75.2 ℃，誤差大約為1.4 ℃；補償前后最大誤差為13.1 ℃。

圖9 Ic = 25 A時的結溫對比

Ic= 30 A時結溫對比圖如圖10所示。紅外攝像儀測量結溫為89.1 ℃，補償前最高結溫為71.9 ℃，補償后估測結溫為88.2 ℃，測量結溫和估測結溫的誤差低于1 ℃。

圖10 Ic = 30 A時的結溫對比

圖11所示為Ic= 40 A時的結溫比較圖。紅外攝像儀測量結溫和估測結溫分別為111.5 ℃和110.3 ℃，誤差為1.2 ℃，而補償前后誤差為18.8 ℃。

圖11 Ic= 40 A時的結溫對比

所有測量結果匯總在表2中。結果顯示，由所提出的方法估測的結溫與紅外攝像儀測量結果高度一致。經分析，測量誤差主要來源于紅外攝像儀測量速度較慢。

表2 不同測量方法下的結溫比較：補償前、后和紅外攝像儀

5 結束語

文中提出了一種新穎而又精確的基于通態Vce-on的IGBT模塊結溫實時估測法。首先，文中分析并建立了IGBT模塊通態Vce-on、電流Ic和結溫Tj三者之間的關系。然后，文中充分考慮了IGBT模塊內部互連電阻對IGBT模塊結溫的影響并進行了補償。最后，通過與紅外攝像機的測量結果進行對比，驗證了該方法的有效性和可行性。實驗結果表明，該方法測量精度高且可實現在線結溫監測與估測。