基于通断延迟时间的功率模块结温探测模型

姚芳 丁祥宽 胡洋 张彧硕 李志刚

关键词： IGBT; 结温; 通断延迟时间; 动态测试; 线性关系; 钳位电路

中图分类号： TN313+.4?34; TM56                  文献标识码： A                 文章编号： 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

風电变流器是风力发电系统中重要的功率处理单元，近年来其健康状态及可靠性得到了广泛的关注[1]。风电变流器故障概率统计结果表明，功率半导体器件为主要失效器件，且因结温造成的失效概率最高[2]。

实际变流工况中，负载的不断变化使得系统线路中IGBT模块承受间歇性功率循环[3]。由于IGBT模块的分层结构且各层材料热膨胀系数差异较大，使得各层材料往复膨胀收缩，进而引起焊料层松弛或开裂，发热严重且结温失控性升高等破坏性情况发生[4?5]。因此，结温的探测和计算对提高IGBT模块甚至电力系统的可靠性有十分重要的意义。

常见的结温探测方法包括温敏参数法、电热耦合模型法、物理实测法等[6?7]。其中温敏参数法利用电气参数与结温之间的线性关系，通过测试电气参数间接获取结温。温敏参数法由于具有无需打开封装，无需考虑各层物理参数、测量精度高等优点得到广泛的研究[8]。IGBT模块常见的温敏参数包括饱和压降VCEsat、阈值电压VGEth、开通关断延迟时间tdon和tdoff等。目前国内外学者针对饱和压降等温敏参数进行了较为细致的研究，而针对开通关断延迟时间的研究较少[9?10]。

本文针对上述问题，设计IGBT动态测试试验测试模块动态参数曲线，进而提取开通关断延迟时间，最后建立基于开通关断延迟时间的结温探测模型，为IGBT结温探测的研究提供了一种新思路。

1  IGBT动态特性测试试验

为研究开通延迟时间tdon及关断延迟时间tdoff与结温的关系，设计开通关断延迟时间温度特性测试试验。

为获取IGBT开通关断时间，采用图1所示的双脉冲触发信号和二极管钳位的电路图测试IGBT动态特性波形。流过电感Lc的电流由Ic监测仪1测量，所需的电压Vdd由电源控制。高速开关驱动器和被测DUT并联连接，以使驱动器或被测IGBT能够激励电感。Ic监测仪2测量测试过程中流过被测DUT集电极的实际电流。该Ic监测仪直接与高精度数字示波器连接，示波器同样可以测试门极波形和集射极电压vce波形。一个测试周期完成后，测试结果以波形和数据的方式保存在计算机中。

为研究不同温度下开通关断延迟时间的变化情况，测试试验采用一套带恒温控制的底板加热设备，控制温度恒定在设定值并加热较长时间，以保证内部芯片结温加热到设定温度。

试验方案设计如下：设置IGBT结温分别为30 ℃，50 ℃，70 ℃和90 ℃，试验记录不同温度下IGBT模块开通和关断时刻集射极电压vce、集电极电流ic和栅极电压vge的动态波形数据，数据精度为ns级。其他参数设置如下：母线电压VCC为200 V;集电极电流ic为50 A;负载电阻Rg为4 Ω;驱动模块VGE为10 V/-5 V。

2  动态特性测试结果

2.1  开关过程动态特性分析

2.1.1  开通过程分析

如图2所示为IGBT模块在30 ℃时开通过程的实测动态波形。在t1时刻，IGBT电流开始上升，杂散电感对电压变化率产生影响，vce下降引起密勒电容放电，该电流从栅极流向集电极，减少了向栅射极电容充电，从而使vge上升率减小，导致ic上升率减少。由于密勒电容的反馈作用，vce在t1～t2间首先出现一个电压陡降的平台，之后几乎是一个常数，此时ic上升直至t2时刻结束。

在t2时刻，二极管开始恢复其反向阻断能力，二极管反向电压的上升引起vce迅速下降。这时IGBT和二极管均存在能量损耗，负的dvce/dt引起密勒电容从栅极到集电极的电流，从而使vge有短暂的下降。在t3时刻，由于杂散电感和杂散电容而引起振铃现象。在t3和t4期间，当vce接近IGBT的饱和压降时，密勒电容增大2～3个数量级，dvce/dt緩慢减少，当vce达到稳态值，dvce/dt减小到零时，栅极驱动电流恢复对栅射极电容充电，vge上升到驱动电压，在t4时刻充分导通。

根据国标GB/T29332—2012，定义开通延迟时间tdon为从10%栅极电压值至10%集电极电流值的时间;上升时间tr为电流从10%集电极电流值上升到90%集电极电流值的时间。

2.1.2  关断过程分析

如图3所示为IGBT模块在30 ℃时关断过程的实测动态波形。在t1时刻，vce开始慢慢上升，dvce/dt引起的感应电流通过密勒电容向栅射极电容充电，由于这种反馈作用，vge在t1～t2期间几乎是一个常数。在t2时刻，随着vce的增大，密勒电容的容量大大减小，因此集电极到栅极的反馈电流明显减少，vce迅速向母线电压上升，而由于二极管仍处于反向偏置状态，ic仍然等于输出电流不变。此时由于杂散电感和杂散电容存在，vge和vce均波动式趋于平衡。在t3时刻，IGBT的vce达到母线电压，输出电流由二极管提供。根据国标GB/T29332—2012，定义关断延迟时间tdoff为从90%栅极电压值至90%集电极电流值的时间，下降时间tf为电流从90%集电极电流值下降到10%集电极电流值的时间。

2.2  不同温度下测试结果

为了确保所得结论的正确性，在相同工作条件下对多块同一型号1 200 V/50 A的IGBT模块进行多组试验，均得到类似的结果。其中一组不同温度下开通和关断时刻电压、电流动态波形数据如图4和图5所示。

由图4可知，开通过程中vce很快下降至0 V产生波谷并趋于稳定，同时ic上升并趋于稳定。由图5可知，关断过程中vce上升产生尖峰并趋于稳定，同时ic逐渐下降至0 A并稳定。开通和关断过程中vce和ic均随结温增大而产生规律性的移动。根据开通和关断延迟时间定义，对实测结果进行计算，得到不同温度下通断延迟时间见表1。

3  开通关断延迟时间结温探测模型

根据测试结果，对不同结温下的开通延迟时间tdon和关断延迟时间tdoff进行参数提取，其结果及对应的拟合曲线如图6所示。

根据图6及拟合结果可知，开通延迟时间tdon与结温Tj近似呈负相关，随结温增大线性减小;关断延迟时间tdoff与结温Tj呈正相关，随结温增大线性增大。其温度灵敏度分别为0.23 ns/℃和0.68 ns/℃，开通延迟时间tdon的温度灵敏度明显低于关断延迟时间tdoff。

图6中拟合曲线的相关系数分别为0.920和0.996，说明关断延迟时间tdoff的温度线性度相比开通延迟时间tdon更优，可选作温敏参数指示结温的变化情况，用于结温计算。IGBT关断延迟时间结温监测模型如图7所示。

根据图7以关断延迟时间tdoff作为温敏参数，得到结温探测模型的表达式为：

[Tj=a1×tdoff+a2]

式中，a1和a2为关断延迟时间相关系数。

针对本文所研究型号的IGBT模块，其对应值如表2所示。

4  结  语

本文针对风电变流器功率模块IGBT设计了通断延迟时间温度特性试验，进而分析IGBT模块开关瞬态动态特性，并提取通断延迟时间作为温敏参数，驗证该参数与结温的线性相关特征，最终得到了基于关断延迟时间的结温探测模型。拟合结果表明，该模型具有较高的探测精度。

注：本文通讯作者为丁祥宽。

参考文献

[1] 陈根，王勇，蔡旭.兆瓦级中压风电变流器的新型串联混合三电平NPC拓扑[J].中国电机工程学报，2013，33（9）：48?54.

CHEN Gen， WANG Yong， CAI Xu. A novel serial hybrid three?level NPC topology for multi?MW medium voltage wind power converters [J]. Proceedings of the CSEE， 2013， 33（9）： 48?54.

[2] CHOI U M， BLAABJERG F， LEE K B. Study and handling methods of power IGBT module failures in power electronic converter systems [J]. IEEE transactions on power electronics， 2015， 30（5）： 2517?2533.

[3] LI H， LIAO X， ZENG Z， et al. Thermal coupling analysis in a multichip paralleled IGBT module for a DFIG wind turbine power converter [J]. IEEE transactions on energy conversion， 2017， 32（1）： 80?90.

[4] 姚芳，王少杰，李志刚.考虑退化状态的功率器件寿命预测研究[J].现代电子技术，2017，40（14）：132?135.

YAO Fang， WANG Shaojie， LI Zhigang. Exploration of power device lifetime evaluation considering degradation status [J]. Modern electronics technique， 2017， 40（14）： 132?135.

[5] MA K， LISERRE M， BLAABJERG F， et al. Thermal loading and lifetime estimation for power device considering mission profiles in wind power converter [J]. IEEE transactions on power electronics， 2015， 30（2）： 590?602.

[6] BARLINIA D， CIAPPAA M， CASTELLAZZI A， et al. New technique for the measurement of the static and of the transient junction temperature in IGBT devices under operating conditions [J]. Microelectronics reliability， 2006， 46（9）： 1772?1777.

[7] 姚芳，王少杰，李志刚.逆变器中IGBT功率模块的电热联合仿真模型[J].半导体技术，2016，41（6）：440?445.

YAO Fang， WANG Shaojie， LI Zhigang. Dynamic electro?thermal simulation model of inverter IGBT power module [J]. Semiconductor technology， 2016， 41（6）： 440?445.

[8] 李武华，陈玉香，罗皓泽，等.大容量电力电子器件结温提取原理综述及展望[J].中国电机工程学报，2016，36（13）：3546?3557.

LI Wuhua， CHEN Yuxiang， LUO Haoze， et al. Review and prospect of junction temperature extraction principle of high power semiconductor devices [J]. Proceedings of the CSEE， 2016， 36（13）： 3546?3557.

[9] GHIMIRE P， VEGA A R D， BECZKOWSKI S， et al. Improving power converter reliability： online monitoring of high?power IGBT modules [J]. IEEE industrial electronics magazine， 2014， 8（3）： 40?50.

[10] DUPONT L， AVENAS Y， JEANNIN P O. Comparison of junction temperature evaluations in a power IGBT module using an IR camera and three thermosensitive electrical parameters [J]. IEEE transactions on industry applications， 2013， 49（4）： 1599?1608.