一種新型的基于Vce-on的IGBT模塊結(jié)溫實(shí)時(shí)估測(cè)法*

文星，杜明星，景雷，魏克新

(天津理工大學(xué) 天津市復(fù)雜系統(tǒng)控制理論及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

0 引 言

近年來(lái)，電力電子系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，如新能源開(kāi)發(fā)、航天航空、自動(dòng)駕駛、鐵路運(yùn)輸?shù)萚1-2]。電力電子系統(tǒng)由不同的元器件組成,式中功率器件是系統(tǒng)可靠性關(guān)鍵部件之一[3-5],其對(duì)整個(gè)電力電子系統(tǒng)的可靠性和魯棒性至關(guān)重要。研究表明，IGBT模塊是電力電子系統(tǒng)中最脆弱的部件，因其不斷受到溫度梯度、溫度波動(dòng)和電子元件損耗等作用[6-8]。IGBT模塊作為電力電子系統(tǒng)的核心部件，其失效可能引起整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行中斷。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行，對(duì)IGBT模塊結(jié)溫的精確測(cè)量是十分必要的。

目前，結(jié)溫測(cè)量主要有兩種方法——直接法和間接法。直接法主要包括光學(xué)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(jìn)行緊密的物理接觸，這在變換器正常工作期間是無(wú)法實(shí)現(xiàn)。間接法主要指熱敏電參數(shù)法TSEPs(Thermo-Sensitive ElectricalParameters)，因其無(wú)需改變IGBT模塊結(jié)構(gòu)而大受歡迎。近年來(lái)許多學(xué)者都采用TSEPs來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)溫的實(shí)時(shí)測(cè)量。最常用的TSEPs包括集射通態(tài)電壓Vce-on[9-10]，閾值電壓VGE(th)[11-12]，門(mén)極電流Ige[13]等。文獻(xiàn)[14]比較了各個(gè)TSEPs在7個(gè)不同標(biāo)準(zhǔn)下的可行性。該文總結(jié)得出低電流下的飽和Vce-on測(cè)量精度最佳，是最適合的TSEP，但其不適宜在線(xiàn)測(cè)量。相反，大電流下的通態(tài)Vce-on可以實(shí)現(xiàn)離線(xiàn)和在線(xiàn)測(cè)量，但其在線(xiàn)測(cè)量精確不佳。因此，為了克服這些缺陷，設(shè)計(jì)精確的Vce-on測(cè)量電路是很有必要的。文獻(xiàn)[1，15-16]提出了準(zhǔn)確測(cè)量集射通態(tài)電壓Vce-on的電路，這些電路均可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量。實(shí)際上，實(shí)現(xiàn)IGBT模塊結(jié)溫的精確測(cè)量不僅要設(shè)計(jì)精確的Vce-on測(cè)量電路，還要考慮到IGBT模塊內(nèi)部材料參數(shù)對(duì)結(jié)溫的影響。文獻(xiàn)[17]指出由于在實(shí)際的轉(zhuǎn)換過(guò)程中非均勻溫度分布造成的電氣連接結(jié)構(gòu)的不同電壓下降也會(huì)引起很大的估計(jì)誤差。因此提取IGBT模塊內(nèi)部材料參數(shù)并掌握其溫度變化特性是極其必要的。文獻(xiàn)[18]提出了一種新穎的IGBT模塊內(nèi)部材料參數(shù)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(xiàn)寄生參數(shù)，與傳統(tǒng)的利用精密儀器提取參數(shù)的方法相比，該法既節(jié)省成本，操作也更加簡(jiǎn)便。文獻(xiàn)[19]應(yīng)用四點(diǎn)探針?lè)y(cè)量出了IGBT模塊內(nèi)部材料電阻的溫度變化特性，并進(jìn)行了內(nèi)部材料電阻的溫度效應(yīng)補(bǔ)償。該文考慮到了內(nèi)部材料電阻對(duì)溫度的影響，但在小電流下，IGBT模塊并未完全導(dǎo)通，所測(cè)內(nèi)部材料電阻值比實(shí)際的偏小，最終造成結(jié)溫估測(cè)誤差較大。

文中提出了一種新型的利用通態(tài)Vce-on實(shí)時(shí)估測(cè)結(jié)溫的方法。首先分析了被測(cè)IGBT模塊通態(tài)Vce-on與溫度的相關(guān)性，然后利用軟件提取了模塊的互連材料參數(shù)，該方法大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，操作也更加簡(jiǎn)便。最為重要的是，文中充分考慮了互連材料內(nèi)阻對(duì)IGBT模塊結(jié)溫的影響并對(duì)其進(jìn)行了補(bǔ)償。最后，文中通過(guò)比較紅外攝像儀測(cè)量結(jié)果和實(shí)時(shí)估測(cè)結(jié)溫驗(yàn)證了該方法的有效性。

1 IGBT模塊的基本結(jié)構(gòu)

文中采用的是SKM300GB128DIGBT模塊，如圖1所示。該模塊是由4個(gè)IGBT芯片，4個(gè)反并聯(lián)二極管和48跟鍵合線(xiàn)組成的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)。

圖1 SKM300GB128DIGBT模塊

圖2所示為標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊基本結(jié)構(gòu)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(tǒng)和散熱系統(tǒng)起到了良好的隔離作用，并為散熱系統(tǒng)提供良好的熱連接。鍵合線(xiàn)將硅芯片與IGBT模塊的發(fā)射極連接在一起。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)IGBT模塊基本結(jié)構(gòu)

表1 IGBT模塊的材料屬性及尺寸

2 運(yùn)用TSEP法估測(cè)結(jié)溫

2.1 通態(tài)Vce-on的溫度依賴(lài)性

目前，研究學(xué)者廣泛應(yīng)用熱敏電參數(shù)法估測(cè)IGBT模塊的結(jié)溫，其中通態(tài)Vce-on是最常用的熱敏電參量。運(yùn)用通態(tài)Vce-on估測(cè)IGBT模塊結(jié)溫前進(jìn)行初步溫度校正是很有必要的，該目的是為了獲得通態(tài)Vce-on的溫度依賴(lài)性[8]。圖3所示為被測(cè)IGBT模塊在不同溫度下的I-V特性曲線(xiàn)。通態(tài)電壓Vce-on和溫度的關(guān)系依賴(lài)于集電極電流Ic，且有一個(gè)非線(xiàn)性溫度系數(shù)，該系數(shù)稱(chēng)為校正因子k,如圖4所示。顯而易見(jiàn)，校正因子k是電流的函數(shù)，且小電流時(shí)k< 0,即為負(fù)溫度系數(shù)NTC (Negative Temperature Coefficient)；大電流時(shí)k> 0,即為正溫度系數(shù)PTC (Positive Temperature Coefficient)。校正因子k變化的點(diǎn)稱(chēng)為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在該點(diǎn)處通態(tài)Vce-on與溫度無(wú)關(guān)[20]。圖3(a)中最小負(fù)溫度系數(shù)為-3.67℃/mV，圖3(b)中最大正溫度系數(shù)為1.63℃/mV。

2.2 基于查表法的結(jié)溫估測(cè)

圖3 被測(cè)IGBT模塊的I-V特性曲線(xiàn)

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(guān)。因此，k可表示為:

k=ΔT/ΔV

(1)

因在變換器正常運(yùn)行期間，電流變化很大，而I-V特性曲線(xiàn)僅代表特定電流下的結(jié)溫，故采用查表法來(lái)代替IGBT模塊的I-V特性曲線(xiàn)，如圖5所示。那么，利用測(cè)量的Vce-on和電流可實(shí)現(xiàn)結(jié)溫Tj的估測(cè)。

Tj=k×(Vce-on-V0)+T0

(2)

其中Vce-on為實(shí)時(shí)測(cè)量的通態(tài)集射電壓；V0是與電流有關(guān)的基準(zhǔn)電壓，可從查表法中選?。籘0是與基準(zhǔn)電壓V0相對(duì)應(yīng)的基準(zhǔn)溫度。

圖5 應(yīng)用Vce-on和電流測(cè)量結(jié)溫Tj的查表法

事實(shí)上，每一個(gè)功率器件都是通過(guò)一系列的互連電路連接到輸出端，如鍵合線(xiàn)和銅片[19]。因此通態(tài)Vce-on絕對(duì)包括內(nèi)部材料電壓，即:

Vce-on=Vchip+VRint=Vchip+Rint×Ic

(3)

3 IGBT模塊內(nèi)部參數(shù)提取

3.1 內(nèi)部材料參數(shù)提取

國(guó)內(nèi)外學(xué)者大多采用精密儀器提取設(shè)備內(nèi)部材料參數(shù)，如精密阻抗分析儀等。而文中則采用仿真軟件來(lái)提取IGBT模塊內(nèi)部材料參數(shù)。

將圖1的IGBT模塊3-D圖導(dǎo)入仿真軟件中，設(shè)置材料屬性及電導(dǎo)率、劃分網(wǎng)格、設(shè)置激勵(lì)并進(jìn)行仿真，仿真結(jié)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(nèi)部材料電阻Rint=Rin+Rout= 3.4 mΩ，該結(jié)果與數(shù)據(jù)表給出一致。

圖6 仿真結(jié)果

3.2 內(nèi)部材料電阻對(duì)結(jié)溫的影響

圖7所示為金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值和溫度的典型關(guān)系。顯而易見(jiàn)，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(dǎo)體材料電阻隨溫度升高而減小。

圖7 金屬和半導(dǎo)體材料的電阻值與溫度的典型關(guān)系

當(dāng)IGBT模塊完全導(dǎo)通時(shí)，受功率損耗作用，IGBT模塊溫度升高，半導(dǎo)體芯片電阻減小，互連材料內(nèi)阻升高。因結(jié)溫與Vce-on密切相關(guān)，而Vce-on又包括內(nèi)部材料電壓，故考慮內(nèi)部材料電阻對(duì)結(jié)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(chēng)為電阻溫度系數(shù)RTC(Resistance Temperature Coefficient),用α表示，其滿(mǎn)足如下數(shù)學(xué)模型：

(4)

式中R0為溫度T0時(shí)的電阻值；R1為溫度T1時(shí)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(shù)；Rint為溫度T0時(shí)IGBT模塊內(nèi)部材料內(nèi)阻；Tj-real為IGBT模塊實(shí)時(shí)結(jié)溫。

資料顯示，化學(xué)純金屬的電阻溫度系數(shù)接近于0.004 1/℃。IGBT模塊內(nèi)部材料主要為銅和鋁，0～100時(shí)，銅和鋁的電阻溫度系數(shù)分別為0.004/℃，0.004 2/℃，從而可得平均電阻溫度系數(shù)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該方法的有效性，文中進(jìn)行了如下實(shí)驗(yàn)。將紅外攝像儀測(cè)到的結(jié)溫與估測(cè)的結(jié)溫進(jìn)行比較。

實(shí)驗(yàn)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(shí)紅外測(cè)量結(jié)果與補(bǔ)償前后估測(cè)結(jié)溫比較圖。由圖可知，補(bǔ)償前后的溫度差為7.5 ℃；紅外測(cè)量的最高結(jié)溫為40.9 ℃，補(bǔ)償后的最高估測(cè)結(jié)溫為41.7 ℃，誤差大約為0.8 ℃。

圖8 Ic = 10 A時(shí)的結(jié)溫對(duì)比

圖9所示為Ic= 25 A時(shí)不同測(cè)量條件下的結(jié)溫對(duì)比圖。紅外攝像儀測(cè)量的最高結(jié)溫為73.8 ℃，補(bǔ)償后估測(cè)結(jié)溫為75.2 ℃，誤差大約為1.4 ℃；補(bǔ)償前后最大誤差為13.1 ℃。

圖9 Ic = 25 A時(shí)的結(jié)溫對(duì)比

Ic= 30 A時(shí)結(jié)溫對(duì)比圖如圖10所示。紅外攝像儀測(cè)量結(jié)溫為89.1 ℃，補(bǔ)償前最高結(jié)溫為71.9 ℃，補(bǔ)償后估測(cè)結(jié)溫為88.2 ℃，測(cè)量結(jié)溫和估測(cè)結(jié)溫的誤差低于1 ℃。

圖10 Ic = 30 A時(shí)的結(jié)溫對(duì)比

圖11所示為Ic= 40 A時(shí)的結(jié)溫比較圖。紅外攝像儀測(cè)量結(jié)溫和估測(cè)結(jié)溫分別為111.5 ℃和110.3 ℃，誤差為1.2 ℃，而補(bǔ)償前后誤差為18.8 ℃。

圖11 Ic= 40 A時(shí)的結(jié)溫對(duì)比

所有測(cè)量結(jié)果匯總在表2中。結(jié)果顯示，由所提出的方法估測(cè)的結(jié)溫與紅外攝像儀測(cè)量結(jié)果高度一致。經(jīng)分析，測(cè)量誤差主要來(lái)源于紅外攝像儀測(cè)量速度較慢。

表2 不同測(cè)量方法下的結(jié)溫比較：補(bǔ)償前、后和紅外攝像儀

5 結(jié)束語(yǔ)

文中提出了一種新穎而又精確的基于通態(tài)Vce-on的IGBT模塊結(jié)溫實(shí)時(shí)估測(cè)法。首先，文中分析并建立了IGBT模塊通態(tài)Vce-on、電流Ic和結(jié)溫Tj三者之間的關(guān)系。然后，文中充分考慮了IGBT模塊內(nèi)部互連電阻對(duì)IGBT模塊結(jié)溫的影響并進(jìn)行了補(bǔ)償。最后，通過(guò)與紅外攝像機(jī)的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法測(cè)量精度高且可實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)結(jié)溫監(jiān)測(cè)與估測(cè)。