基于通斷延遲時間的功率模塊結溫探測模型

姚芳 丁祥寬 胡洋 張彧碩 李志剛

關鍵詞： IGBT; 結溫; 通斷延遲時間; 動態測試; 線性關系; 鉗位電路

中圖分類號： TN313+.4?34; TM56 ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2018）24?0028?04

Junction temperature detection model based on on?off delay time for power module

YAO Fang1， DING Xiangkuan1， HU Yang1， ZHANG Yushuo2， LI Zhigang1

（1. School of Electrical Engineering， Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China;

2. Experimental Training Center of Hebei University of Technology， Tianjin 300130， China）

Abstract： The dynamic test of the wind power IGBT module is designed， and a junction temperature detection model based on on?off delay time is proposed for the power module of the wind power converter. The diode clamping circuit based on the double pulse method and the constant temperature controlled floor heating equipment are adopted to control the temperature of the IGBT chip， so as to improve the testing accuracy of dynamic features. The relationship between the junction temperature and on?off delay time of the IGBT module is analyzed. The results show that there is a good linear relationship between the on?off delay time and junction temperature， which can be used for junction temperature detection. The constructed junction temperature detection model based on on?off delay time has high accuracy， which provides a new idea for junction temperature detection of the IGBT module in wind power condition.

Keywords： IGBT; junction temperature; on?off delay time; dynamic test; linear relationship; clamping circuit

0 ?引 ?言

風電變流器是風力發電系統中重要的功率處理單元，近年來其健康狀態及可靠性得到了廣泛的關注[1]。風電變流器故障概率統計結果表明，功率半導體器件為主要失效器件，且因結溫造成的失效概率最高[2]。

實際變流工況中，負載的不斷變化使得系統線路中IGBT模塊承受間歇性功率循環[3]。由于IGBT模塊的分層結構且各層材料熱膨脹系數差異較大，使得各層材料往復膨脹收縮，進而引起焊料層松弛或開裂，發熱嚴重且結溫失控性升高等破壞性情況發生[4?5]。因此，結溫的探測和計算對提高IGBT模塊甚至電力系統的可靠性有十分重要的意義。

常見的結溫探測方法包括溫敏參數法、電熱耦合模型法、物理實測法等[6?7]。其中溫敏參數法利用電氣參數與結溫之間的線性關系，通過測試電氣參數間接獲取結溫。溫敏參數法由于具有無需打開封裝，無需考慮各層物理參數、測量精度高等優點得到廣泛的研究[8]。IGBT模塊常見的溫敏參數包括飽和壓降VCEsat、閾值電壓VGEth、開通關斷延遲時間tdon和tdoff等。目前國內外學者針對飽和壓降等溫敏參數進行了較為細致的研究，而針對開通關斷延遲時間的研究較少[9?10]。

本文針對上述問題，設計IGBT動態測試試驗測試模塊動態參數曲線，進而提取開通關斷延遲時間，最后建立基于開通關斷延遲時間的結溫探測模型，為IGBT結溫探測的研究提供了一種新思路。

1 ?IGBT動態特性測試試驗

為研究開通延遲時間tdon及關斷延遲時間tdoff與結溫的關系，設計開通關斷延遲時間溫度特性測試試驗。

為獲取IGBT開通關斷時間，采用圖1所示的雙脈沖觸發信號和二極管鉗位的電路圖測試IGBT動態特性波形。流過電感Lc的電流由Ic監測儀1測量，所需的電壓Vdd由電源控制。高速開關驅動器和被測DUT并聯連接，以使驅動器或被測IGBT能夠激勵電感。Ic監測儀2測量測試過程中流過被測DUT集電極的實際電流。該Ic監測儀直接與高精度數字示波器連接，示波器同樣可以測試門極波形和集射極電壓vce波形。一個測試周期完成后，測試結果以波形和數據的方式保存在計算機中。

為研究不同溫度下開通關斷延遲時間的變化情況，測試試驗采用一套帶恒溫控制的底板加熱設備，控制溫度恒定在設定值并加熱較長時間，以保證內部芯片結溫加熱到設定溫度。

試驗方案設計如下：設置IGBT結溫分別為30 ℃，50 ℃，70 ℃和90 ℃，試驗記錄不同溫度下IGBT模塊開通和關斷時刻集射極電壓vce、集電極電流ic和柵極電壓vge的動態波形數據，數據精度為ns級。其他參數設置如下：母線電壓VCC為200 V;集電極電流ic為50 A;負載電阻Rg為4 Ω;驅動模塊VGE為10 V/-5 V。

2 ?動態特性測試結果

2.1 ?開關過程動態特性分析

2.1.1 ?開通過程分析

如圖2所示為IGBT模塊在30 ℃時開通過程的實測動態波形。在t1時刻，IGBT電流開始上升，雜散電感對電壓變化率產生影響，vce下降引起密勒電容放電，該電流從柵極流向集電極，減少了向柵射極電容充電，從而使vge上升率減小，導致ic上升率減少。由于密勒電容的反饋作用，vce在t1～t2間首先出現一個電壓陡降的平臺，之后幾乎是一個常數，此時ic上升直至t2時刻結束。

在t2時刻，二極管開始恢復其反向阻斷能力，二極管反向電壓的上升引起vce迅速下降。這時IGBT和二極管均存在能量損耗，負的dvce/dt引起密勒電容從柵極到集電極的電流，從而使vge有短暫的下降。在t3時刻，由于雜散電感和雜散電容而引起振鈴現象。在t3和t4期間，當vce接近IGBT的飽和壓降時，密勒電容增大2～3個數量級，dvce/dt緩慢減少，當vce達到穩態值，dvce/dt減小到零時，柵極驅動電流恢復對柵射極電容充電，vge上升到驅動電壓，在t4時刻充分導通。

根據國標GB/T29332—2012，定義開通延遲時間tdon為從10%柵極電壓值至10%集電極電流值的時間;上升時間tr為電流從10%集電極電流值上升到90%集電極電流值的時間。

2.1.2 ?關斷過程分析

如圖3所示為IGBT模塊在30 ℃時關斷過程的實測動態波形。在t1時刻，vce開始慢慢上升，dvce/dt引起的感應電流通過密勒電容向柵射極電容充電，由于這種反饋作用，vge在t1～t2期間幾乎是一個常數。在t2時刻，隨著vce的增大，密勒電容的容量大大減小，因此集電極到柵極的反饋電流明顯減少，vce迅速向母線電壓上升，而由于二極管仍處于反向偏置狀態，ic仍然等于輸出電流不變。此時由于雜散電感和雜散電容存在，vge和vce均波動式趨于平衡。在t3時刻，IGBT的vce達到母線電壓，輸出電流由二極管提供。根據國標GB/T29332—2012，定義關斷延遲時間tdoff為從90%柵極電壓值至90%集電極電流值的時間，下降時間tf為電流從90%集電極電流值下降到10%集電極電流值的時間。

2.2 ?不同溫度下測試結果

為了確保所得結論的正確性，在相同工作條件下對多塊同一型號1 200 V/50 A的IGBT模塊進行多組試驗，均得到類似的結果。其中一組不同溫度下開通和關斷時刻電壓、電流動態波形數據如圖4和圖5所示。

由圖4可知，開通過程中vce很快下降至0 V產生波谷并趨于穩定，同時ic上升并趨于穩定。由圖5可知，關斷過程中vce上升產生尖峰并趨于穩定，同時ic逐漸下降至0 A并穩定。開通和關斷過程中vce和ic均隨結溫增大而產生規律性的移動。根據開通和關斷延遲時間定義，對實測結果進行計算，得到不同溫度下通斷延遲時間見表1。

3 ?開通關斷延遲時間結溫探測模型

根據測試結果，對不同結溫下的開通延遲時間tdon和關斷延遲時間tdoff進行參數提取，其結果及對應的擬合曲線如圖6所示。

根據圖6及擬合結果可知，開通延遲時間tdon與結溫Tj近似呈負相關，隨結溫增大線性減小;關斷延遲時間tdoff與結溫Tj呈正相關，隨結溫增大線性增大。其溫度靈敏度分別為0.23 ns/℃和0.68 ns/℃，開通延遲時間tdon的溫度靈敏度明顯低于關斷延遲時間tdoff。

圖6中擬合曲線的相關系數分別為0.920和0.996，說明關斷延遲時間tdoff的溫度線性度相比開通延遲時間tdon更優，可選作溫敏參數指示結溫的變化情況，用于結溫計算。IGBT關斷延遲時間結溫監測模型如圖7所示。

根據圖7以關斷延遲時間tdoff作為溫敏參數，得到結溫探測模型的表達式為：

[Tj=a1×tdoff+a2]

式中，a1和a2為關斷延遲時間相關系數。

針對本文所研究型號的IGBT模塊，其對應值如表2所示。

4 ?結 ?語

本文針對風電變流器功率模塊IGBT設計了通斷延遲時間溫度特性試驗，進而分析IGBT模塊開關瞬態動態特性，并提取通斷延遲時間作為溫敏參數，驗證該參數與結溫的線性相關特征，最終得到了基于關斷延遲時間的結溫探測模型。擬合結果表明，該模型具有較高的探測精度。

注：本文通訊作者為丁祥寬。

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