基于瞬態熱阻抗的IGBT 工況結溫實時監測研究*

胡 洋，馬智浩，李 策，沈 翃，萬曉航

（河北工業職業技術學院 工業基礎部，河北 石家莊 050091）

引言

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種電壓控制的MOS/雙極復合型器件，同時具備了單極型器件和雙極型器件的優點，是風電機組中風電變流器的主要組成器件之一[1-3]。

在風電變流器實際工況中，由于IGBT 承受間歇性功率循環，其各層結構往復膨脹收縮，材料熱物性參數隨之退化，導致結溫失控性升高，進而影響IGBT 模塊甚至風電機組的可靠性[4-5]，因此實時監測IGBT 的結溫對評估模塊和變流器的工作性能及健康狀態具有重要意義[6-7]。

現有關于IGBT 實時結溫監測的方法以溫敏參數法為主，一般都需要搭建特制的柵極驅動電路或高精度測試電路，因此這方面的研究仍集中在理論方面[8-10]。而從瞬態熱阻抗Zth(j-c)角度對IGBT 進行實時結溫監測的研究較少，本文創新性的研究了IGBT 常見的兩種工作模式，即實驗室下的恒直流模式和工況下的開關模式，從數值分析角度探索恒直流模式下瞬態熱阻抗對開關模式的適用性，最后給出了工況下IGBT 模塊實時結溫監測流程圖，對工況IGBT 實時結溫監測具有一定的科學意義及實用價值。

1 工作模式分析

對于IGBT 模塊的結溫探測，通常實驗室條件下為恒直流模式，而工況下的IGBT 一般工作在開關模式下。對實驗室條件下恒直流模式的試驗結果是否對工況下的開關模式具有適用性，也即兩種模式是否可以近似等效，分為穩態和瞬態兩種情況分別進行討論。

1.1 穩態分析

恒直流模式與開關模式穩態情況下，結溫Tj與功率P 存在如下關系：

其中，Tj.avg為平均結溫，Tc為殼溫，Ploss.avg為平均功率損耗，Rth(j-c)為穩態熱阻。

根據公式可以看出，當處于穩態情況時，若兩種模式下IGBT 模塊殼溫Tc數值相同，針對同一型號IGBT，在同一老化周期內，可認為其熱阻值Rth(j-c)是一致的，當兩種模式下的平均功率損耗值Ploss.avg相同時，則平均結溫值相同。

本節分析說明穩態情況下，實驗室條件下恒直流模式的試驗結果對工況具有適用性。但在實際工況中，一般不進行穩態情況的結溫估算，而是進行實時瞬態結溫監測，故本文重點研究瞬態情況下兩種模式的適用性問題。

1.2 瞬態分析

恒直流模式與開關模式瞬態情況下，結溫Tj與功率P 分別存在如下關系：

其中，Tj.h（t）、Tj.k（t）、Tc.h（t）與Tc.k（t）分別為兩種模式下隨時間變化的結溫和殼溫；Ploss.h（t）與Ploss.k（t）分別為兩種模式下隨時間變化的耗散功率分別為兩種模式下的瞬態熱阻抗，依據Foster 模型可表示為：

其中，ri為第 i 層熱阻，τi為第 i 層熱時間常數。

根據公式可以發現，當處于瞬態情況時，若兩種模式下IGBT 模塊殼溫瞬時值Tc（t）相同，針對同一型號IGBT，在同一老化周期內，可認為其瞬態熱阻抗是相同的，而此時問題的關鍵是兩種模式下的瞬時耗散功率Ploss（t）是否相同，若該值相同或近似，則瞬時結溫值相同或近似，那么在瞬態情況下，實驗室中恒直流模式的試驗結果也將對工況具有適用性。

2 數值分析

2.1 恒直流模式

恒直流模式下電流較大時，在升溫過程中由于溫度的上升，導致集射極壓降vce近似成一次函數線性增大，且電流越大集射極壓降變化越明顯，進而使得耗散功率Ploss.h（t）隨時間近似成一次函數變化。由于結溫的變化趨勢僅與耗散功率及瞬態熱阻抗有關，且已知瞬態熱阻抗成指數形式變化，故結溫的變化趨勢應為指數形式變化，示意圖如圖1 所示。

圖1 恒直流模式P 與Tj 變化

恒直流模式下，電流較大時的耗散功率Ploss.h（t）可表示為：

則得恒流模式下的結溫為：

2.2 開關模式

在開關模式下，由于周期性的開通關斷，導致IGBT模塊上的集電極電流的通斷是周期性的，也即耗散功率Ploss.k（t）是周期性變化的，使得結溫Tj也隨時間成周期性增大；同時與恒直流模式類似，在大電流的作用下，隨著溫度的上升，vce也將近似成一次函數線性增大，那么耗散功率Ploss.k（t）也將增大，其最大值點成一次函數增大；當模塊工作一段時間后達到熱平衡，此時每次功率脈沖幅值相同，結溫波動穩定，且在每次功率下降沿處結溫達到最大，示意圖如圖2 所示。

圖2 開關模式P 與Tj 變化

開關模式下階躍變化的耗散功率Ploss.k（t）可近似表示為：

則得開關模式下的結溫為：

由于工況下IGBT 模塊的開關頻率約為3-5KHz，即每個功率脈沖循環2t0約為0.4-0.667 毫秒，時間十分短暫，為清晰的顯示每一個脈沖過程，圖2（a）是局部放大的示意圖，實際的工作情況下，各個功率脈沖距離很近，密度很大，根據耗散功率最大值點連線，可近似為一條按一次函數上升的直線，取每個功率循環的結溫均值，近似為一條平滑的曲線，如圖2（b）所示，這與恒直流模式下的結溫變化具有一定的相似性。另一方面，由于IGBT 的層狀結構，使得在脈沖功率的作用下，不僅結溫成波動性上升，殼溫隨結溫以同樣頻率呈波動性上升，故其瞬態熱阻抗將不受波動的影響。

也就是說，恒直流模式下按一次函數變化的耗散功率Ploss.h（t）和開關模式下大密度的脈沖耗散功率Ploss.k（t）所產生的影響一致時，對于同一型號的IGBT 模塊，在同一殼溫設定下，其瞬態熱阻抗將是相同的。

那么此時就可以用實驗室下的恒直流模式測定的不同老化情況的IGBT 瞬態熱阻抗等效成工況下開關模式對應的瞬態熱阻抗，且工況下功率應力是可測的，IGBT模塊殼溫也便于測量，此時就可以使用公式（3）對工況下的結溫進行預測。

3 結溫實時監測

根據以上分析可知，在工況下進行IGBT 結溫實時監測時，可以近似使用同一型號同一老化周期的IGBT模塊在實驗室恒直流模式下所測得的瞬態熱阻抗曲線。最后，得到IGBT 工況結溫實時監測方法流程圖如圖3所示。

圖3 工況IGBT 實時結溫監測流程圖

4 結論

本文通過對IGBT 的恒直流模式以及開關模式兩種工作狀態的工作模式分析及數值分析，發現兩種模式在相同條件下測得的瞬態熱阻抗近似一致，因此在工況進行IGBT 結溫實時監測時，可以近似使用恒直流模式下所測得的同一型號同一老化周期的IGBT 模塊的瞬態熱阻抗曲線，該研究對IGBT 工況結溫實時監測具有一定科學意義及指導作用。