基于PID自校准算法的IGBT温升控制实现

张小玲，陈 君，谢雪松，张博文，熊文雯，任 云，袁 芳

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124）

基于PID自校准算法的IGBT温升控制实现

张小玲，陈 君，谢雪松，张博文，熊文雯，任 云，袁 芳

（北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京 100124）

针对功率循环实验中绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）温度过冲和滞后问题，设计了一种自校准PID算法控制IGBT温升.通过MATLAB进行PID建模及参数仿真，采用电学法测试原理并结合嵌入式系统测试IGBT结温，使用PID自校准算法控制器件温升进行IGBT热疲劳测试.实验结果表明:该算法的调节方式和温度精度都达到理想的效果，改善了系统的动态性能，为IGBT寿命预测提供了一个良好的实验环境.

自校准PID；电学法；结温

绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar transistor，IGBT）作为一种理想的半导体大功率开关器件，是目前应用最为广泛的全控型电力电子器件［1］.IGBT模块温度的变化是引起芯片失效的主要原因，掌握IGBT工作过程中芯片温度分布及温度变化情况对IGBT寿命预测至关重要［2］.因此，很多半导体器件的寿命预测实验、功率循环实时监测系统都对温度要求严格［3-4］，在进行 IGBT功率循环、寿命预测的时候，没有一个精确的温升会使实验结果不准确，导致寿命预测结果产生误差，给工业生产带来重大损失［5］.

大功率器件正常工作时功率损耗会产生大量的热造成自升温，这将直接影响器件的热应力，导致工作寿命缩短，同时也对周围器件产生影响［6］.因此，温度是工业生产中相当重要的参数之一，工作温升是影响IGBT寿命和评估其可靠性的重要参数［7-8］.针对这一问题，采用现场可编程门阵列（field programmable gate array，FPGA）作为控制核心，兼顾多路IGBT器件并行工作，系统设计中采用高速采集卡和高速隔离型开关设计，减少系统硬件干扰带来的不利影响，该部分工作已经在文献［9］中完成.

本文在前期硬件系统的基础上，采用PID算法对半导体器件进行恒温控制，在以往的控制中PID算法多用于工业控制、仪器仪表、医疗等领域［11-14］，但是在半导体器件可靠性研究领域的应用却极为罕见.本文采用电学方法测试IGBT的结温，利用自校准PID算法控制IGBT的温升，辅助器件寿命预测及老化测试，对半导体器件领域的研究具有重要的指导意义.

1　IGBT测试原理

电学参数法又称热敏参数法，是测量半导体器件结温的重要方法之一，它是一种非破坏性的测试方式.选定IGBT栅极和发射极间的电压VGE作为温度敏感参数［5］，对饱和区下工作的IGBT结温进行实时监测，结合自校准PID算法实现IGBT器件温升控制.

在特定的小电流下IGBT的结压降与温度具有非常好的线性关系，根据这个性质，在小电流（Im=5 mA）时，测量栅极电压VGE与结温θj的线性关系，得到如图1所示的校准曲线［10-11］.

如图2（a）所示，通过快速切换加热电流IC和测试电流Im，对温敏参数VGE进行采集，记录器件停止加热后降温阶段的温敏参数VGE的变化（如图2（b）所示），利用最小二乘法（least square method，LSM）拟合出VGE随时间t的变化关系，得到t1时刻VGE的值.通过式（1）可以计算出器件结温的冷却曲线，结温冷却曲线中的温度和时间的二次方根t1/2呈线性

得到校准曲线后，对其进行线性拟合可得关系，那么通过测得的t1+Δt时刻之后的温度和时间数据可拟合反推出t1时刻的结温θj=θ（t1）.

得到结温后通过控制系统，利用器件结温与电流之间的关系:IC电流越大，器件的温度越高，通过PID算法控制加热电流IC的大小，间接控制结温θj的大小，达到温度控制的目的.

2　软件设计

软件设计是系统中最关键的部分，整个软件工程采用模块化的设计理念.依据功率循环实验测试过程中功能需求，其中软件架构图如图3所示.

其中Host Interface支持Uart串行及LAN两种通信方式；实时操作系统（real time operating sytem，RTOS），采用μC/OS-Ⅱ，提供多线程环境，实现多路IGBT器件并行工作.

Hardware Driver为硬件驱动层，负责驱动电流源模块、监测模块和信号采集模块.

Controller为系统控制层，实现了敏感参数采样、数据传输、温度拟合、升温、恒温、冷却控制等工作，其中Flow Manager层负责系统工作状态切换.算法模块（arithmetic module）是软件部分的核心模块，主要由PID自校准算法和LSM组成；温度控制采用PID自校准算法，这样既有利于减小温度波动，又可以防止突发性温度振荡对IGBT寿命预测实验的影响，并且对加热空间有一定的补偿作用.

2.1PID算法设计

系统工作状态主要有开始、升温过程、恒温过程、冷却过程4个部分，如图4所示.

根据软件流程图4及IGBT结温与电流IC的关系可知，IC越大，Tj温度越高.为了更好地控制IGBT器件的温度，避免过冲，采用两段式PID算法.

1）工作过程中先从初始状态以PD调节升温速度，当温度上升到90%设定温度时为升温阶段；

2）在±10%设定温度时，采用PID算法，此时温度已经接近设定温度θj0，最后一段采用风冷降温措施，整个循环结束后，系统会自动进入下一个循环.

其中2段PID算法采用增量式的表示形式［13］

式中:KP、KI、KD分别为比例增益、积分系数、微分系数；e（k）为系统偏差量；Δu（k）为PID调节器的输出.

2.2PID建模及参数整定

首先在PID参数整定中，采用MATLAB仿真系统建立IGBT器件仿真模型，根据器件的特性，IGBT在仿真过程中可以等效为热阻-热容模型，具体做法如下.

根据热容的定义:在没有相变和化学反应的条件下，材料温度升高1 K时所吸收的热量.

式中:CV是材料的质量定容热容；ΔQ为导热量.根据傅里叶定律，导热量与温度梯度和热导率的关系为

式中:k为IGBT器件管壳的热导率；A为芯片的面积；Δθ为温度梯度.

式中Δθj为IGBT器件的温升，其等效为增加热量减去外部消耗的热量，联立式（4）（5）可以得出

式中:Δθ≈θj-θc-θm，即近似为结温θj与器件管壳温度θc及室温θm的差；Δt为1 s的加热时间.通过式（6）可以推导出Δθj与IC之间具有线性关系.

根据此原理可以建立MATLAB仿真模型，根据式（6）建立IGBT等效热模型，采用先进PID控制理论中的Simulink模型建立离散式PID控制器，依据IGBT跨导和电流之间的关系式（7），IGBT在阈值电压附近时，跨导可以近似为恒定，由此可计算出电流的初始增量，通过PID控制器调节电流的大小，间接控制θj的大小，根据离散Ziegler-Nichols方法进行PID参数整定［16］，整定的公式为

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式中:Km为系统开始振荡时的幅值；Wm为系统的频率；Pi为圆周率π.经过仿真和验证得到某一型号IGBT器件KP、KI、KD的值分别为:0.018、0.002 5和1.8.

IGBT器件在进行多次重复性功率循环实验中，控制作用过于频繁会产生振荡，另一方面，由于IGBT器件温度响应具有迟滞性，采用常规控制会出现较大的超调现象［14-15］，在不给器件带来冲击的前提下，解决这个问题需要对PID算法进行校正.具体实现方式如下:采用带死区的积分分离式PID算法进行控制，取得了良好的控制效果.

1）升温阶段:希望温度上升越快越好，响应时间越短越好，所以采用PD调节.

2）恒温阶段:积分作用可提高温度控制精度，消除静态误差，但具有滞后性，该环节应适当加入积分，为消除控制作用过于频繁引起的振荡采用的带死区的积分分离PID算法.这里要设置一个误差门限值e0，e（k）为

当|e（k）|≤|e0|时，控制器输出为0；当|e（k）|＞|e0|时，控制器有PID输出.如果误差过大，会使温度产生滞后现象，使得整个恒温过程出现震荡.系统通过算法自动识别误差累积的程度，防止积分引入后带来的影响.

3）冷却阶段:采用风冷设备进行外部冷却，直到下降为设定的温度值为止.

2.3测试结果分析

为了验证仿真结果，采用2种不同型号的IGBT器件分别在3种不同温度条件进行功率循环实验，测试结果如表1所示.

表1　不同型号IGBT器件测试结果Table 1 Test results for different types of IGBT devices ℃

从表1可以看出:常规PID控制时，同一型号的器件在每个温度测试点误差约为4℃；使用PID自校准算法时，不同型号的器件在恒温阶段温度精度会有1℃的误差，其误差范围在实验要求的范围内.说明自校准PID算法的恒温效果比常规PID算法的恒温效果好.

在环境温度不变的情况下，设定温度值90℃时，将第1种型号的IGBT在2种不同控制方式下的温度值绘制成如图6所示的曲线并进行对比，PID算法自校准后的温度曲线，误差很小，升温阶段温度呈线性上升.对比实验结果图6和仿真结果图5可以看出:该IGBT测试系统在进行功率循环实验时，可以达到预期的效果，且温度值误差在1%以内，升温时间约为15 s，经过20 s最终温度达到稳定状态.

该算法比修正前温度响应时间约快10 s，温度振荡有明显的减少.说明在恒温区采用带死区的积分分离PID算法进行控制是有效的，解决了温度过冲及响应时间慢这个问题，经过多次功率循环实验，工作状态比较理想.

3　结论

1）将自校准PID算法应用于IGBT器件热疲劳测试系统中，该算法经过自校准后具有良好的稳定性和适应性，可有效防止大电流时IGBT温度波动给器件寿命造成的不利影响.

2）通过验证可知，对于不同型号的器件温度误差均在1%以内.器件在进行热疲劳及功率循环实验时温升稳定，控制效果达到预期要求.

3）本文将可靠性技术与自校准PID算法相结合，应用于半导体器件可靠性研究领域，同时该技术也普遍适用于其他温度控制场合，对IGBT器件研究及寿命预测具有重要的意义.

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（责任编辑 吕小红）

IGBT Temperature Control Based on Self-calibration PID

ZHANG Xiaoling，CHEN Jun，XIE Xuesong，ZHANG Bowen，XIONG Wenwen，REN Yun，YUAN Fang
（College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China）

In order to solve the problem of IGBT temperature overshoot in power cycle test，a selfcalibration PID algorithm was designed.PID controller was simulated by MATLAB.IGBT Junction temperature was tested by electrical testing theory and combined with embedded system.The selfcalibration PID algorithm was applied to control IGBT junction temperature in thermal fatigue test. Experimental results show that both the self-calibration PID control and temperature can achieve better result.Thus system dynamic performance was improved much.It provided a better experimental environment for the IGBT life prediction.

self-calibration PID；electrical method；junction temperature

TP 308

A

0254-0037（2016）07-0989-05

10.11936/bjutxb2016010018

2016-01-12

国家自然科学青年基金资助项目（61204081）

张小玲（1972—），女，副教授，主要从事半导体器件物理、器件设计及可靠性方面的研究，E-mail:zhangxiaoling@ bjut.edu.cn