基于IGBT結(jié)溫波動(dòng)平滑控制的主動(dòng)熱管理方法綜述

魏云海 陳民鈾 賴 偉 張金保 胡宇隆

基于IGBT結(jié)溫波動(dòng)平滑控制的主動(dòng)熱管理方法綜述

魏云海 陳民鈾 賴 偉 張金保 胡宇隆

（輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（重慶大學(xué)） 重慶 400044）

IGBT作為功率變流器的核心器件，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、軌道交通、航空航天和電力系統(tǒng)等領(lǐng)域，由于功率變流器的運(yùn)行環(huán)境復(fù)雜多變，處理功率大幅波動(dòng)，導(dǎo)致IGBT內(nèi)部結(jié)溫發(fā)生劇烈變化，器件在熱應(yīng)力持續(xù)作用下引起疲勞老化失效，進(jìn)而影響系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的問題已受到業(yè)界的普遍關(guān)注和高度重視。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞如何通過內(nèi)部熱管理來平抑功率器件的結(jié)溫波動(dòng)、延長(zhǎng)運(yùn)行壽命展開了大量的研究工作，從不同的角度提出各種主動(dòng)熱管理方法，這對(duì)延緩功率器件疲勞老化速率、提升器件運(yùn)行可靠性有著重要意義。該文分別從功率器件層面和變流器運(yùn)行控制層面系統(tǒng)性地闡述和歸納現(xiàn)有IGBT主動(dòng)熱管理方法的原理和特點(diǎn)，并基于IGBT器件壽命評(píng)估模型對(duì)各類主動(dòng)熱管理方法的效果進(jìn)行量化評(píng)估，從熱應(yīng)力緩解程度、實(shí)現(xiàn)難度、壽命延長(zhǎng)倍數(shù)和適用范圍等多角度進(jìn)行綜合對(duì)比分析，并對(duì)IGBT器件主動(dòng)熱管理方法的進(jìn)一步研究提出建議，為IGBT器件健康管理和運(yùn)行可靠性的提升提供參考意義。

主動(dòng)熱管理 結(jié)溫平滑 損耗控制 可靠性

0 引言

絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作為能量轉(zhuǎn)換和電能控制的核心功率器件，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道交通、新能源汽車、智能電網(wǎng)等領(lǐng)域，預(yù)計(jì)2022年全球IGBT模塊的市場(chǎng)規(guī)模將高達(dá)47.75億美元，其可靠性受到業(yè)界廣泛關(guān)注[1-2]。這與其所處的服役環(huán)境有著密切關(guān)系，例如，在電動(dòng)汽車的應(yīng)用中其引擎蓋下的溫度可能超過150℃；新能源發(fā)電系統(tǒng)中功率器件上的結(jié)溫波動(dòng)高達(dá)80℃。文獻(xiàn)[3-4]指出，電力電子器件的可靠性主要受最高溫度和溫度循環(huán)的影響，55%的電驅(qū)動(dòng)故障由功率器件的熱循環(huán)或溫度升高導(dǎo)致[5]。其根本原因是具有不同熱膨脹系數(shù)的材料在溫度梯度下產(chǎn)生熱位移，在不同材料交界處形成熱應(yīng)力，從而引起功率模塊材料界面老化導(dǎo)致接觸變差，使得器件結(jié)溫上升，最終導(dǎo)致焊料層和鍵合引線失效[6-7]，這會(huì)給用戶造成代價(jià)高昂的系統(tǒng)停運(yùn)甚至災(zāi)難性的故障。因此，功率器件的熱管理對(duì)提高系統(tǒng)可靠性有著重要意義，是目前研究的熱點(diǎn)。

為了改善器件的可靠性，半導(dǎo)體器件廠商對(duì)部件連接技術(shù)和模塊組裝做了改進(jìn)[8]，但該方法受限于工藝技術(shù)。通常，功率器件制造廠商會(huì)在研發(fā)與量產(chǎn)階段通過加速老化試驗(yàn)檢測(cè)部分模塊樣品可靠性，根據(jù)數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法進(jìn)行評(píng)估，從而獲得某一產(chǎn)品系列的可靠性與壽命指標(biāo)。但研發(fā)設(shè)計(jì)階段的測(cè)試很難涵蓋功率模塊實(shí)際工作時(shí)所經(jīng)歷的電氣、熱載荷情況。實(shí)際工況下所出現(xiàn)的大多數(shù)故障仍然是熱管理不足所造成的。在具體的應(yīng)用中，由于冷卻系統(tǒng)和半導(dǎo)體器件基板之間的熱容很大，只有緩慢變化的溫度才能得到補(bǔ)償[9-10]，因此外部熱管理適用于低頻結(jié)溫波動(dòng)。而對(duì)快速的溫度變化，則考慮調(diào)節(jié)系統(tǒng)中與溫度相關(guān)的電參量來直接影響結(jié)溫。D. A. Murdock等首次提出主動(dòng)熱管理概念[11]，希望通過該技術(shù)控制功率模塊的穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱應(yīng)力。迄今為止，學(xué)者們已經(jīng)探索出了包括調(diào)節(jié)開關(guān)頻率、柵極電阻、占空比、循環(huán)無功功率和功率路由器等多種主動(dòng)熱管理策略，并從理論和實(shí)驗(yàn)上證明了其可行性。但這些方法尚未得到全面總結(jié)，本文旨在對(duì)這些方法進(jìn)行回顧，并將這些方法按器件級(jí)主動(dòng)熱管理和系統(tǒng)級(jí)主動(dòng)熱管理進(jìn)行分類分析和對(duì)比，主動(dòng)熱管理方法如圖1所示。針對(duì)功率器件的主動(dòng)熱管理可分為降低器件平均結(jié)溫和減小結(jié)溫波動(dòng)[12]，按控制目標(biāo)參量又可分為內(nèi)部熱管理和外部熱管理，本文將重點(diǎn)討論通過內(nèi)部熱管理來減小器件結(jié)溫波動(dòng)。

圖1 主動(dòng)熱管理方法

1 功率器件層主動(dòng)熱管理

1.1 開關(guān)頻率

式中，sw為開關(guān)頻率；on為開通損耗；off為關(guān)斷損耗。由于功耗和結(jié)溫成正比，可通過控制開關(guān)頻率來降低或者增大結(jié)溫，實(shí)現(xiàn)結(jié)溫波動(dòng)平滑。圖2為某1 200V/50A的IGBT模塊在不同開關(guān)頻率下集電極電流C和結(jié)溫波動(dòng)Dj的對(duì)應(yīng)關(guān)系[13]。從圖可知，在負(fù)載波動(dòng)即集電極電流變化的情況下，調(diào)節(jié)開關(guān)頻率能夠控制結(jié)溫波動(dòng)。

通過梳理現(xiàn)有的文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)開關(guān)頻率的控制可分為提高頻率和降低頻率兩大類。文獻(xiàn)[14]提出對(duì)IGBT結(jié)溫波動(dòng)采取開關(guān)頻率滯環(huán)控制，開關(guān)頻率滯環(huán)控制如圖3所示。該方法用于當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在低轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩時(shí)，逆變器中功率器件結(jié)溫會(huì)產(chǎn)生較大波動(dòng)，系統(tǒng)以采樣周期為的時(shí)間間隔檢測(cè)IGBT結(jié)溫波動(dòng)幅度，當(dāng)超過滯環(huán)設(shè)定上限時(shí)降低開關(guān)頻率；當(dāng)結(jié)溫波動(dòng)幅度降低至滯環(huán)設(shè)定下限時(shí)，開關(guān)頻率恢復(fù)到最初設(shè)定值。該策略在電機(jī)起動(dòng)時(shí)將最高結(jié)溫降低約30℃。

圖2 不同頻率下輸出電流和結(jié)溫波動(dòng)關(guān)系

圖3 開關(guān)頻率滯環(huán)控制

另一種方法是提高開關(guān)頻率補(bǔ)償結(jié)溫，使結(jié)溫波動(dòng)減小[15]。文獻(xiàn)[16]所提控制策略在結(jié)溫循環(huán)的降溫期間，選擇更高的開關(guān)頻率以加熱功率器件以及平滑變流器在輸出功率降低時(shí)的結(jié)溫波動(dòng)。當(dāng)結(jié)溫波動(dòng)幅度符合要求后重置開關(guān)頻率為最小值。為避免控制器在兩個(gè)開關(guān)頻率之間快速切換，應(yīng)設(shè)置合適的滯環(huán)環(huán)寬。圖4展示了開關(guān)頻率控制結(jié)溫波動(dòng)[16]。

開關(guān)頻率的降低會(huì)導(dǎo)致電壓諧波畸變率的增加，且在開關(guān)頻率本來就很低的場(chǎng)合，如柔性直流輸電系統(tǒng)中的模塊化多電平變流器（Modular Multi- level Converter, MMC）采用最近電平調(diào)制（Nearest Level Modulation, NLM）方法時(shí)，開關(guān)頻率只有20～30Hz，不適宜通過降低開關(guān)頻率來控制結(jié)溫。開關(guān)頻率的升高則是通過增加損耗來換取結(jié)溫的平滑，但對(duì)于功率器件壽命的延長(zhǎng)和系統(tǒng)可靠性的提高是有益的。另外考慮到后續(xù)濾波和性能穩(wěn)定，開關(guān)頻率通常被設(shè)計(jì)為一個(gè)定值，因此使用該方法調(diào)節(jié)能力有限。

圖4 開關(guān)頻率控制結(jié)溫波動(dòng)

1.2 驅(qū)動(dòng)電壓

P. Hofer等提出了有源柵極控制來調(diào)節(jié)功率器件的損耗而又不影響器件的功能[17-18]，為控制許多應(yīng)用背景下控制損耗提供了巨大潛力。文獻(xiàn)[19-20]研究了IGBT的輸出特性，如圖5所示。從圖5可知，在輸出電流不變的情況下增加驅(qū)動(dòng)電壓，器件導(dǎo)通壓降將減小，從而降低了導(dǎo)通損耗。因此可以在系統(tǒng)運(yùn)行中，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)IGBT驅(qū)動(dòng)電壓來影響其導(dǎo)通壓降，進(jìn)而抑制器件結(jié)溫波動(dòng)。

圖5 IGBT輸出特性

進(jìn)一步研究表明，調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓不僅可以影響導(dǎo)通損耗，而且可改變器件開關(guān)過程的開通損耗。文獻(xiàn)[21]指出器件的開通損耗與驅(qū)動(dòng)電壓成反比，而關(guān)斷損耗受影響不大，并通過實(shí)驗(yàn)得到了Infineon FF50R12RT4模塊在不同柵極開通電壓下IGBT的開關(guān)損耗，其參數(shù)見表1，提出在IGBT結(jié)溫上升時(shí)增大驅(qū)動(dòng)電壓以降低開通損耗；在IGBT結(jié)溫下降時(shí)減小驅(qū)動(dòng)電壓以增大開通損耗，從而平滑結(jié)溫波動(dòng)。

表1 不同驅(qū)動(dòng)開通電壓下的開關(guān)動(dòng)態(tài)參數(shù)

Tab.1 Switching parameters of different gate drive voltages

文獻(xiàn)[22]指出在功率器件導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通電壓下降斜率受米勒平臺(tái)電荷數(shù)量影響，電荷數(shù)量越多則電壓下降速率越慢。米勒平臺(tái)在驅(qū)動(dòng)電壓介于器件開啟電壓和平臺(tái)電壓時(shí)開始充電。因此該文設(shè)計(jì)了一個(gè)兩步式柵極驅(qū)動(dòng)器，其輸出驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖6所示。該驅(qū)動(dòng)器首先輸出器件的米勒平臺(tái)電壓on（3V），然后輸出器件的典型驅(qū)動(dòng)電壓g.nom（6V），通過調(diào)整米勒平臺(tái)電壓持續(xù)時(shí)間來改變功率器件導(dǎo)通電壓下降速率，以此改變功率器件開通損耗，從而達(dá)到控制結(jié)溫的目的。

圖6 兩步式柵極驅(qū)動(dòng)波形

1.3 柵極電阻

調(diào)節(jié)柵極電阻同樣能改變IGBT開關(guān)過程的電流變化斜率dC/d和電壓變化斜率dCE/d[23]。文獻(xiàn)[24]測(cè)試了不同電流等級(jí)下柵極電阻與IGBT損耗之間的關(guān)系，如圖7所示。

圖7中，功率損耗曲線的斜率隨著電流等級(jí)的上升而增加，且在大電流等級(jí)下柵極電阻對(duì)器件損耗的影響顯著增加，因此該方法在高壓大功率場(chǎng)合效果明顯。在某時(shí)刻負(fù)載變化時(shí)，圖7中器件電流從400A降至200A時(shí)，若柵極電阻保持不變，則器件損耗功率將從A點(diǎn)降至B點(diǎn)，但增加?xùn)艠O電阻可使器件的損耗功率移至C點(diǎn)，與之前相當(dāng)，從而平滑結(jié)溫波動(dòng)。

圖7 不同器件電流下柵極電阻與損耗關(guān)系

文獻(xiàn)[25]提出了一種三段式柵極驅(qū)動(dòng)電路，其柵極電阻取值會(huì)在導(dǎo)通和關(guān)斷期間分為三個(gè)階段進(jìn)行變化，旨在減少開關(guān)損耗、縮短開關(guān)延遲時(shí)間。文獻(xiàn)[26]在此基礎(chǔ)上提出并實(shí)現(xiàn)了由現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）控制的多級(jí)柵極驅(qū)動(dòng)器拓?fù)?，多?jí)驅(qū)動(dòng)器如圖8 所示。

圖8 多級(jí)驅(qū)動(dòng)器

文獻(xiàn)[26]將IGBT開關(guān)瞬變過程細(xì)分為多個(gè)階段，通過FPGA快速控制橋臂的金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field- Effect Transistor, MOSFET）開斷，使得每個(gè)階段具有不同的驅(qū)動(dòng)電阻阻值，以優(yōu)化IGBT開通和關(guān)斷軌跡，使開關(guān)損耗降低。文中對(duì)比了普通驅(qū)動(dòng)器與多級(jí)驅(qū)動(dòng)器關(guān)斷IGBT的損耗差異，在dc=200V，C=300A，j=35℃條件下，使用多級(jí)驅(qū)動(dòng)器將使IGBT關(guān)斷損耗下降26%，該方法為IGBT結(jié)溫控制提供了新的可能。

文獻(xiàn)[27]創(chuàng)新性地提出具有柵極電阻網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)器如圖9所示，只需在傳統(tǒng)的電壓源型驅(qū)動(dòng)器上加裝可調(diào)電阻網(wǎng)絡(luò)即可實(shí)現(xiàn)主動(dòng)熱管理控制。其主要思想是將輸出交流電流按幅度劃分為多個(gè)區(qū)域，在電流幅度較大，即結(jié)溫更高時(shí)，將開關(guān)S1～S4全閉合，以減小柵極電阻，平滑結(jié)溫波動(dòng)；而當(dāng)電流幅度較小時(shí)，則適當(dāng)增大柵極電阻，且該方案無需知道原驅(qū)動(dòng)器的控制策略和結(jié)溫信息即可調(diào)控結(jié)溫波動(dòng)。

圖9 具有柵極電阻網(wǎng)絡(luò)的改進(jìn)驅(qū)動(dòng)器

運(yùn)用柵極電阻法控制結(jié)溫，應(yīng)注意電阻值的選取要綜合考慮器件損耗、電壓和電流過沖等。過小的柵極電阻會(huì)導(dǎo)致器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生電壓過沖和開通時(shí)產(chǎn)生過大的反向恢復(fù)電流。過大的柵極電阻會(huì)減緩柵極充放電過程，使IGBT開關(guān)速度變慢。以英飛凌HybridPACK2功率模塊為例，其柵極電阻典型值為1.5～6W，文獻(xiàn)[27]將其擴(kuò)大至1.8～18W時(shí)，系統(tǒng)同樣能正常運(yùn)行。

1.4 調(diào)制方式

傳統(tǒng)的空間矢量脈寬調(diào)制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）以其優(yōu)異的性能被廣泛應(yīng)用于逆變、整流控制領(lǐng)域。以兩電平三相電壓源型逆變器為例，如圖10所示，該拓?fù)溆腥齻€(gè)橋臂，每個(gè)橋臂可以有兩種狀態(tài)（不能同時(shí)導(dǎo)通或關(guān)斷），故可以提供23=8種電壓矢量，對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)電壓矢量可有多種合成方案，因此衍生出了用于減小開關(guān)損耗[28]等可改善結(jié)溫的調(diào)制方法。

圖10 兩電平三相電壓源型逆變器

文獻(xiàn)[29]結(jié)合連續(xù)調(diào)制和不連續(xù)調(diào)制的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種混合調(diào)制。具體為在變流器工作期間，當(dāng)風(fēng)速低于設(shè)定值時(shí)，將采用常規(guī)的SVPWM方式，以確保輸出電能質(zhì)量；當(dāng)風(fēng)速高于設(shè)定值時(shí)，將采用不連續(xù)脈沖寬度調(diào)制（Discontinuous PWM, DPWM）方法，DPWM使得功率器件在一個(gè)周期內(nèi)動(dòng)作次數(shù)減少，能夠明顯降低器件開關(guān)損耗，且DPWM在較高的調(diào)制指數(shù)下同樣能輸出良好的波形。文獻(xiàn)[29]還指出，采用優(yōu)化后的調(diào)制方法能夠使其內(nèi)部的IGBT壽命消耗減少50%左右，因此該方案能有效延長(zhǎng)IGBT的使用壽命。

電機(jī)運(yùn)行在低速、大轉(zhuǎn)矩時(shí)，逆變器需要提供低頻大電流，功率模塊的溫度會(huì)急劇增加，嚴(yán)重影響系統(tǒng)可靠性。在功率模塊中，IGBT的熱容高于二極管，因此二極管升溫更快，更易遭受熱失效。文獻(xiàn)[30]指出，零矢量在低調(diào)制指數(shù)下駐留時(shí)間長(zhǎng)，且零矢量對(duì)電流產(chǎn)生沒有貢獻(xiàn)，因此可以利用這段時(shí)間重新分配器件損耗。該文通過比較IGBT和二極管的溫度決定零矢量0和7的使用時(shí)長(zhǎng)，以均衡橋臂中IGBT和二極管的溫度，從而延長(zhǎng)器件熱失效時(shí)刻。圖11為在沒有改進(jìn)措施的情況，0.32s二極管到達(dá)熱極限。圖12為加入主動(dòng)熱管理控制后，IGBT和二極管的結(jié)溫均衡上升，系統(tǒng)在0.96s才達(dá)到熱極限。

圖11 改進(jìn)前溫度變化

圖12 改進(jìn)后溫度變化

近年來，現(xiàn)代控制理論中的有限控制集模型預(yù)測(cè)控制得到了廣泛的研究與應(yīng)用，被認(rèn)為是主動(dòng)熱管理中最具潛力的方法，因?yàn)樗试S對(duì)每個(gè)開關(guān)事件進(jìn)行最優(yōu)控制，并將與壽命相關(guān)的模型納入控制方法中[31]。文獻(xiàn)[32-33]提出多參數(shù)優(yōu)化，采用有限集模型預(yù)測(cè)控制，充分利用三相兩電平電壓源型逆變器只有八種開關(guān)狀態(tài)的特點(diǎn)，通過窮舉的方式即可確定成本函數(shù)的最優(yōu)解，達(dá)到減小IGBT結(jié)溫波動(dòng)、穩(wěn)定負(fù)載電流、提升總體效率等目標(biāo)。

1.5 占空比

對(duì)于大功率DC-DC變流器，如雙有源橋DC-DC變流器，由于工作在軟開關(guān)模式，其固有的開關(guān)損耗很低，且變流器與變壓器相連，開關(guān)頻率降低會(huì)增加變壓器內(nèi)部磁通，易引起磁飽和；而頻率的增高則會(huì)引起變壓器鐵損上升，降低傳輸功率。因此通過調(diào)節(jié)開關(guān)損耗來平滑結(jié)溫的方法不適用于此類變流器。

為了解決這類應(yīng)用的IGBT結(jié)溫波動(dòng)，文獻(xiàn)[34]提出通過控制DC-DC變流器開關(guān)占空比而無需事先知道變流器負(fù)載曲線，即可影響開關(guān)熱應(yīng)力。在負(fù)載功率降低時(shí)減小占空比，這會(huì)產(chǎn)生更大的電流去傳輸相同的功率，由此加熱功率器件。文獻(xiàn)[35]則將該方法成功應(yīng)用于交錯(cuò)并聯(lián)變流器，當(dāng)任一橋臂的占空比減小時(shí)，對(duì)應(yīng)橋臂的電流也會(huì)減小，而其他橋臂的電流則會(huì)升高，系統(tǒng)中功率器件的熱應(yīng)力得到重新分配。

1.6 緩沖電路

緩沖電路如圖13所示。圖13a為傳統(tǒng)RCD緩沖電路（由電阻、電容和二極管VD構(gòu)成），是功率器件的一種重要保護(hù)電路，其中，電容能夠限制器件關(guān)斷時(shí)IGBT集-射極電壓上升斜率。若能對(duì)緩沖電路加以控制，則可以動(dòng)態(tài)地改變器件的開關(guān)軌跡，影響開關(guān)損耗，用于主動(dòng)熱管理控制。文獻(xiàn)[36]提出在傳統(tǒng)的RCD緩沖電路中增加一個(gè)輔助開關(guān)，如圖13b所示。當(dāng)輔助開關(guān)閉合時(shí)，電容儲(chǔ)存的能量將直接通過IGBT放電，可快速加熱功率器件。當(dāng)輔助開關(guān)斷開時(shí)，RCD緩沖電路可以減小器件的關(guān)斷損耗，因此該方法可以平滑器件結(jié)溫波動(dòng)。文獻(xiàn)[37]則重點(diǎn)關(guān)注電容，認(rèn)為動(dòng)態(tài)調(diào)整電容的大小同樣能夠改變IGBT關(guān)斷軌跡，進(jìn)而可以平滑結(jié)溫波動(dòng)，其拓?fù)淙鐖D13c所示。該拓?fù)渲腥葜档母淖兺ㄟ^開關(guān)管切入切出電容并聯(lián)數(shù)量實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[38]進(jìn)一步提出功能更完善的改進(jìn)緩沖電路3，如圖13d所示。

圖13 緩沖電路

緩沖電路的關(guān)斷軌跡如圖14所示。圖14將改進(jìn)緩沖電路3與傳統(tǒng)RC緩沖電路（由電阻和電容構(gòu)成）和傳統(tǒng)RCD緩沖電路的關(guān)斷軌跡進(jìn)行了對(duì)比。

圖14 緩沖電路的關(guān)斷軌跡

從圖14可知，由于傳統(tǒng)的緩沖電路不可調(diào)節(jié)，其關(guān)斷軌跡是固定不變的。而改進(jìn)緩沖電路3是在IGBT關(guān)斷過程中，調(diào)節(jié)輔助開關(guān)S使緩沖電路在RC型和RCD型切換，通過改變開關(guān)S閉合的時(shí)延，產(chǎn)生不同的關(guān)斷軌跡，如圖14所示。該拓?fù)涞妮o助開關(guān)S在發(fā)生短路故障時(shí)，此電路衍變?yōu)镽CD緩沖電路；當(dāng)開關(guān)發(fā)生斷路故障時(shí)，此電路衍變?yōu)镽C緩沖電路。以上情況均能正常工作，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)運(yùn)行層主動(dòng)熱管理

2.1 輸出頻率

IGBT的損耗主要由導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗組成[39]。文獻(xiàn)[20]認(rèn)為由開關(guān)過程導(dǎo)致的結(jié)溫波動(dòng)很小，足以被器件的熱容所濾除；而負(fù)載電流的變化才是引起IGBT結(jié)溫波動(dòng)的主要原因。圖15展示了分別由輸出電流引起的結(jié)溫波動(dòng)Djfo和由開關(guān)動(dòng)作引起的結(jié)溫波動(dòng)Djfsw。盡管變流器中存在與開關(guān)頻率相關(guān)的高頻結(jié)溫波動(dòng)，但由于其幅值很小，功率循環(huán)所引起的熱應(yīng)力主要?dú)w因于基頻輸出。圖16驗(yàn)證了不同輸出電流頻率對(duì)結(jié)溫波動(dòng)幅度的影響。

圖15 典型結(jié)溫波動(dòng)

圖16 不同輸出電流頻率下的結(jié)溫波動(dòng)

從圖16可知，隨著輸出頻率的升高，結(jié)溫波動(dòng)幅度將減小。但許多應(yīng)用對(duì)變流器的輸出頻率有嚴(yán)格的限制，輸出頻率的改變將直接影響負(fù)載的性能，因此該方法適用于對(duì)輸出頻率留有一定裕度的場(chǎng)合，如具有中間交流環(huán)節(jié)的兩級(jí)DC-DC變流器和雙有源橋AC-AC變流器等。

2.2 直流母線電壓

文獻(xiàn)[40]指出，電機(jī)在低速時(shí)所需的直流母線電壓遠(yuǎn)低于額定速度時(shí)所需的值。IGBT的開關(guān)損耗和續(xù)流二極管的反向恢復(fù)損耗[8]分別為

文獻(xiàn)[42]認(rèn)為，若使二極管和IGBT總損耗最低，并不一定使得IGBT溫度最低，因?yàn)樽钚〉闹绷髂妇€電壓會(huì)要求更大的調(diào)制指數(shù)去滿足定子側(cè)所需電壓，這會(huì)引起更大的IGBT導(dǎo)通損耗。因此本文以最低IGBT結(jié)溫為目的選擇合適的直流母線電壓。

動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)直流母線電壓這種方法提供了一定的自由度去管理功率器件損耗[43]，但要求系統(tǒng)中有直流變換環(huán)節(jié)，這會(huì)增加系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本，且此策略不適合用于如風(fēng)力發(fā)電等這類需要維持恒定電壓以接入電網(wǎng)的應(yīng)用。

2.3 無功調(diào)節(jié)

圖17為并網(wǎng)逆變器無功調(diào)節(jié)。圖中，c為逆變器輸出電壓矢量，g為電網(wǎng)電壓矢量，U為輸出濾波電感壓降矢量，g為輸出電流矢量，P為有功電流矢量，Q為無功電流矢量，為功率因數(shù)角，為相位。從圖可知，無功電流的引入可以改變功率變流器的電壓、電流大小和相位，從而改變功率器件損耗的大小和分布。

圖17 并網(wǎng)逆變器無功調(diào)節(jié)

文獻(xiàn)[44]提出在并聯(lián)的并網(wǎng)逆變器中控制循環(huán)的無功功率來穩(wěn)定陣風(fēng)時(shí)功率器件的熱波動(dòng)，而不會(huì)對(duì)電網(wǎng)注入過多的無功功率，并聯(lián)變流器中循環(huán)無功功率如圖18所示[44]。該策略只在風(fēng)速較低時(shí)實(shí)施，并且無功電流大小會(huì)隨風(fēng)速變化，當(dāng)風(fēng)速高于設(shè)定值時(shí)，無功電流保持為0A，以避免設(shè)備過熱。

圖18 并聯(lián)變流器中循環(huán)無功功率

但是，循環(huán)無功功率法只適用于并聯(lián)變流器場(chǎng)合，因?yàn)樵趩蝹€(gè)變流器場(chǎng)合中，調(diào)節(jié)無功功率會(huì)直接影響輸出電能質(zhì)量，使得允許的無功調(diào)節(jié)范圍受限，對(duì)功率器件結(jié)溫控制效果不明顯。

2.4 有功調(diào)節(jié)

調(diào)研發(fā)現(xiàn)，通過有功功率實(shí)現(xiàn)主動(dòng)熱管理可分為兩類：一類是通過循環(huán)有功電流減小結(jié)溫波動(dòng)；另一類是減小有功功率輸出，限制結(jié)溫上升。

MMC于2003年首次由R. Marquardt等提出[45]，已經(jīng)成為高壓直流輸電系統(tǒng)中常用的解決方案。由于MMC數(shù)量眾多的子模塊和嚴(yán)苛的工作條件，其可靠性問題亟待解決。文獻(xiàn)[46]提出通過控制MMC所特有的橋臂循環(huán)電流來加熱功率器件，以減小結(jié)溫波動(dòng)，其中循環(huán)電流的控制方法已在文獻(xiàn)[47]詳述，不過該方法應(yīng)充分考慮循環(huán)電流幅值的邊界，包括變流器的調(diào)制指數(shù)限制和器件的額定電流限制。

對(duì)于光伏發(fā)電，常見的控制策略是最大功率點(diǎn)跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）控制，然而單純的追求最大功率會(huì)給功率器件造成極大的熱應(yīng)力，增加逆變器的壽命消耗。文獻(xiàn)[48]提出將絕對(duì)有功功率控制（Absolute Active Power Control, AAPC）和MPPT結(jié)合，即當(dāng)可用的光伏輸出功率小于參考值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入MPPT模式，實(shí)現(xiàn)能量收集的最大化；當(dāng)可用光伏輸出超過參考值時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)入AAPC模式，使系統(tǒng)恒定輸出參考功率，從而限制IGBT結(jié)溫進(jìn)一步升高。

2.5 功率動(dòng)態(tài)分配

為適應(yīng)高壓大功率場(chǎng)合，由多個(gè)子模塊單元串并聯(lián)組合而成的功率變流器成為一種可行的解決方案，如圖19為帶直流變流器的單相級(jí)聯(lián)H橋。通常為均衡器件熱應(yīng)力，這些子模塊承擔(dān)相同的功率。然而由于制造工藝不完善或運(yùn)行中局部部件受損導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的功率器件壽命并不相同，更合理的控制方案是根據(jù)各單元器件老化程度來分配功率，使老化程度低的單元處理更多的功率。這類通過改變功率路徑的方法稱為功率動(dòng)態(tài)分配法。事實(shí)上，這類變流器由于特殊的連接方式，使系統(tǒng)內(nèi)相應(yīng)的存在電壓、電流等可自由調(diào)節(jié)的參量，為功率動(dòng)態(tài)分配創(chuàng)造了條件，利于提高系統(tǒng)可靠性[49-50]。

圖19 帶DC-DC變流器的單相級(jí)聯(lián)H橋

文獻(xiàn)[51]指出在級(jí)聯(lián)H橋變流器中僅通過改變電壓來不均衡分配功率的方法存在不足。原因在于系統(tǒng)在設(shè)計(jì)之初考慮到工作效率，直流母線電壓通常裕度較小，且在正弦脈寬調(diào)制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）模式下直流電壓利用率只有86.6%。因此該文提出，對(duì)需要承擔(dān)更多功率的子模塊，在其調(diào)制波中注入3次諧波，可將調(diào)制比擴(kuò)大至1.155，使直流母線電壓利用率提高15%，同時(shí)在其他子模塊的調(diào)制波中注入極性相反的諧波，該方法既擴(kuò)展了系統(tǒng)熱平衡能力，又保證輸出電能質(zhì)量。

文獻(xiàn)[52]中，功率動(dòng)態(tài)分配法被用于延長(zhǎng)永磁同步電機(jī)模塊化驅(qū)動(dòng)器的壽命。三重模塊化永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)如圖20所示，該驅(qū)動(dòng)器是由三個(gè)相同逆變器并聯(lián)而成，具有相同的輸入電壓，因此每個(gè)逆變器的輸入電流成為被控量。其基本思想是將三個(gè)逆變器的溫度與參考溫度對(duì)比，從而計(jì)算出每個(gè)逆變器應(yīng)分配到的功率，以延長(zhǎng)老化程度高的器件的壽命。

圖20 三重模塊化永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

2.6 負(fù)載電流

IGBT開關(guān)損耗sw和導(dǎo)通損耗cond對(duì)某些電參數(shù)具有一定的依賴性，即

式中，為集電極電流；為直流母線電壓；為開關(guān)周期；為占空比。若減小負(fù)載電流，將同時(shí)減小功率器件的導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗，那么功率器件上的熱應(yīng)力將得到大幅度緩解。負(fù)載電流直接影響負(fù)載運(yùn)行情況，即使保守的電流限制用于減輕功率器件熱應(yīng)力，通常也不必要地降低了系統(tǒng)性能，因此負(fù)載電流法通常在系統(tǒng)接近熱極限時(shí)使用。文獻(xiàn)[11]建議對(duì)IGBT進(jìn)行分區(qū)域模糊控制，基于區(qū)域的主動(dòng)熱管理如圖21所示，使器件能在熱極限工況下運(yùn)行。

圖21 基于區(qū)域的主動(dòng)熱管理

在正常工作區(qū)域，將電流極限設(shè)置為標(biāo)稱電流的兩倍，開關(guān)頻率設(shè)為15kHz；在過熱區(qū)域首先降低開關(guān)頻率，若熱應(yīng)力緩解程度不足則再降低輸出電流；當(dāng)開關(guān)頻率和輸出電流已經(jīng)調(diào)至允許最低值后，而結(jié)溫尚未得到有效控制，則執(zhí)行關(guān)機(jī)操作。

文獻(xiàn)[53]提出了一種用于永磁同步電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的主動(dòng)熱管理策略，綜合考慮了IGBT結(jié)溫、二極管結(jié)溫和轉(zhuǎn)子繞組溫度。在系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)接近最大溫度時(shí)，首先降低開關(guān)頻率；當(dāng)系統(tǒng)組件到達(dá)預(yù)定義的熱極限時(shí)立即限制輸出電流，防止繼續(xù)溫升。

3 主動(dòng)熱管理對(duì)IGBT器件壽命影響及綜合對(duì)比

3.1 IGBT的壽命評(píng)估

IGBT的壽命預(yù)估有賴于IGBT的壽命模型，在實(shí)際應(yīng)用中，由于材料參數(shù)、物理化學(xué)特性等難以獲取，因此壽命模型一般是通過加速老化實(shí)驗(yàn)獲得的故障數(shù)據(jù)擬合而成。以下出現(xiàn)的f為功率循環(huán)次數(shù)，表示器件達(dá)到失效時(shí)所需的循環(huán)次數(shù)（次），工程中以此代表器件的預(yù)估壽命。Coffin-Manson- Arrhenius模型[54]在壽命模型中綜合考慮了平均結(jié)溫和結(jié)溫波動(dòng)對(duì)失效周期的影響，即

式中，DTj為結(jié)溫波動(dòng)幅度（℃）；Tjm為平均結(jié)溫（℃）；k1、k2、k3為從實(shí)驗(yàn)中提取的擬合參數(shù)；kB為玻耳茲曼常數(shù)。盡管還有考慮更多參數(shù)影響的壽命模型，如Bayerer模型[55]等，本文僅就目前應(yīng)用廣泛的Coffin-Manson-Arrhenius壽命模型展開討論。將Coffin-Manson-Arrhenius模型的典型參數(shù)代入式（6），在某電驅(qū)動(dòng)應(yīng)用[27]下，IGBT的最高結(jié)溫為101℃，最低結(jié)溫為80℃，則平均結(jié)溫Tjm=90.5℃，結(jié)溫波動(dòng)DTj=21℃，此時(shí)Nf=2.5×107。若采用柵極電阻法主動(dòng)熱管理策略后，最高結(jié)溫為99℃，最低結(jié)溫為81℃，則平均結(jié)溫Tjm=90℃，結(jié)溫波動(dòng)DTj= 18℃，此時(shí)Nf=5.6×107，IGBT模塊的壽命為原來的2.2倍。圖22通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步展示了DTj和Tjm對(duì)IGBT壽命的影響。

由圖22可知，平均結(jié)溫和結(jié)溫波動(dòng)幅度的降低均對(duì)功率器件壽命提高有益，但結(jié)溫波動(dòng)幅度對(duì)壽命影響更大。圖中，虛線代表特定應(yīng)用中通過主動(dòng)熱管理控制，IGBT模塊的工作點(diǎn)從A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了B點(diǎn)，即使平均結(jié)溫上升了20℃，B點(diǎn)的預(yù)期功率循環(huán)次數(shù)也遠(yuǎn)高于A點(diǎn)。因此許多控制策略都通過增加輕載條件下的功率損耗來加熱功率器件以延長(zhǎng)其運(yùn)行壽命。

不過在實(shí)際情況中，功率變流器的任務(wù)曲線是難以確定的，且熱循環(huán)以不同的幅度和不同的平均結(jié)溫分布，這意味著功率曲線不可直接應(yīng)用。為解決這個(gè)問題，需要一種循環(huán)計(jì)數(shù)法來分解功率循環(huán)曲線。文獻(xiàn)[56]已經(jīng)提出多種方法用于統(tǒng)計(jì)熱循環(huán)，其中雨流計(jì)數(shù)法是應(yīng)用最為廣泛的[57]。雨流計(jì)數(shù)法可根據(jù)溫度時(shí)間曲線得出器件的熱循環(huán)次數(shù)，由Palmgren-Miner法則[58]表示為

式中，為累積損傷；n為器件在應(yīng)力范圍中的功率循環(huán)次數(shù)；N為器件在應(yīng)力范圍中功率循環(huán)至失效的次數(shù)。隨著熱循環(huán)的增加，功率器件的累積損壞將增加，當(dāng)=1時(shí)設(shè)備將發(fā)生故障[12]。

3.2 主動(dòng)熱管理方法綜合對(duì)比

不同的熱管理方法在其影響參量、應(yīng)用場(chǎng)景和調(diào)節(jié)方式等諸多方面均存在差異，因此不能從單一角度對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。本文將各方法按是否需要修改原拓?fù)洹?duì)輸出有無影響、響應(yīng)速度、實(shí)現(xiàn)難度、熱應(yīng)力緩解程度和適用場(chǎng)合等多方面進(jìn)行綜合對(duì)比，建立一個(gè)全面的評(píng)價(jià)體系，涵蓋了開關(guān)頻 率[11, 13-16, 59-65]、驅(qū)動(dòng)電壓[17-22, 66-67]、柵極電阻[23-24, 26-27]、調(diào)制方式[28-31, 68-77, 81]、占空比[34-35, 53, 78-79]、緩沖電路[36-38]、輸出頻率[80]、直流母線電壓[40-42, 82]、無功調(diào)節(jié)[44, 83]、有功調(diào)節(jié)[46, 48]、功率動(dòng)態(tài)分配[50-52, 84-85]和負(fù)載電流[86-89]等主動(dòng)控制方法。

主動(dòng)熱管理方法綜合對(duì)比見表2。具體分析如下：

（1）修改電路：對(duì)于通過調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電壓和柵極電阻進(jìn)而平滑結(jié)溫這兩類技術(shù)，均需要特制的柵極驅(qū)動(dòng)器才能實(shí)現(xiàn)，而系統(tǒng)自帶的驅(qū)動(dòng)器通常不能滿足。同樣地，緩沖電路法也需要對(duì)原電路進(jìn)行修改。其余方法則只需在現(xiàn)有的拓?fù)浠A(chǔ)上對(duì)控制算法進(jìn)行改進(jìn)即可。其中，通過調(diào)整電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)平滑結(jié)溫的策略，需要引入輔助開關(guān)管，來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的切換，增加的輔助電路勢(shì)必會(huì)帶來額外損耗。

（2）輸出影響：驅(qū)動(dòng)電壓法、柵極電阻法和緩沖電路法均是基于調(diào)節(jié)IGBT開關(guān)瞬態(tài)的dC/d和dCE/d，從而改變器件的開關(guān)損耗；直流母線電壓法則在電機(jī)處于低速時(shí)，利用母線電壓的冗余調(diào)節(jié)器件開關(guān)損耗；無功調(diào)節(jié)法將用于平滑結(jié)溫的無功功率限制在系統(tǒng)內(nèi)部；功率動(dòng)態(tài)分配法只是根據(jù)器件老化程度而重新分配每個(gè)子模塊輸出功率，因此以上熱管理策略均認(rèn)為對(duì)輸出電能質(zhì)量沒有影響。

（3）響應(yīng)速度：由文獻(xiàn)[90]可知，根據(jù)控制策略所作用的位置不同，響應(yīng)速度也會(huì)不同，即越靠近功率器件，對(duì)結(jié)溫的調(diào)控速度將越快。

表2 主動(dòng)熱管理方法綜合對(duì)比

Tab.2 Comprehensive comparison of active thermal management methods

（4）實(shí)現(xiàn)難度：主動(dòng)熱管理的實(shí)現(xiàn)難度很大程度上取決于是否需要更改原電路結(jié)構(gòu)，更改電路將會(huì)使得實(shí)現(xiàn)難度加大，同時(shí)還要考慮算法上的難度。

（5）結(jié)溫波動(dòng)減小百分比：對(duì)比分析了不同熱管理方法降低結(jié)溫的百分比，并結(jié)合式（6）計(jì)算出對(duì)應(yīng)的IGBT器件壽命延長(zhǎng)倍數(shù)。本文所列舉的主動(dòng)熱管理方法有著不同的適用場(chǎng)景，且同類熱管理方法由于使用的差異也會(huì)造成效果的不同。因此該比值和IGBT壽命延長(zhǎng)倍數(shù)僅代表此類熱管理方法在其適用場(chǎng)合下的典型效果。

（6）適用場(chǎng)合：對(duì)比分析變流器拓?fù)浼翱刂品椒?，得到了其典型適用場(chǎng)合，并通過理論與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其實(shí)用性。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)性地闡述了針對(duì)功率器件的主動(dòng)熱管理方法，包括開關(guān)頻率法、驅(qū)動(dòng)電壓法、輸出頻率法和直流母線電壓法等，并從實(shí)現(xiàn)難度、響應(yīng)速度和對(duì)輸出有無影響等多個(gè)角度對(duì)這些方法進(jìn)行綜合對(duì)比分析。同時(shí)也針對(duì)當(dāng)前功率器件主動(dòng)熱管理方法的不足之處，建議從以下幾方面展開進(jìn)一步 研究：

1）結(jié)溫測(cè)量是功率器件主動(dòng)熱管理的基礎(chǔ)，結(jié)溫測(cè)量的精度、速度將影響主動(dòng)熱管理的效果，因此成本低、高速而準(zhǔn)確地獲得結(jié)溫并配合相應(yīng)的主動(dòng)熱管理策略，面臨著挑戰(zhàn)也是機(jī)遇。

2）主動(dòng)熱應(yīng)力控制可以減少熱循環(huán)的影響，但在許多系統(tǒng)中主要目標(biāo)是使效率最大化，因此這類系統(tǒng)的熱管理策略應(yīng)盡量減小功率損耗引入。

3）延長(zhǎng)功率器件壽命對(duì)電能質(zhì)量的影響尚未在已有的文獻(xiàn)中進(jìn)行深入探討，但許多應(yīng)用對(duì)電能質(zhì)量要求嚴(yán)苛，因此量化主動(dòng)熱管理與電能質(zhì)量之間的關(guān)系將在器件壽命與系統(tǒng)性能之間取得一個(gè)良好的折中。

4）本文所列舉的主動(dòng)熱管理方法大都具有一定的兼容性，因此可根據(jù)需要在一個(gè)系統(tǒng)中使用多種熱管理方法，通過融合多個(gè)策略以最大程度減小功率器件的熱效應(yīng)沖擊。

5）通過對(duì)電力系統(tǒng)的熱分析表明，同一個(gè)變流器中的各功率器件承受熱應(yīng)力存在差異，這種差異在系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)尤為明顯。因此有必要對(duì)系統(tǒng)內(nèi)各功率器件實(shí)現(xiàn)差異性的主動(dòng)熱管理。

[1] 賈英杰, 肖飛, 羅毅飛, 等. 基于場(chǎng)路耦合的大功率IGBT多速率電熱聯(lián)合仿真方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(9): 1952-1961.

Jia Yingjie, Xiao Fei, Luo Yifei, et al. Multi-rate electro-thermal simulation method for high power IGBT based on field-circuit coupling[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 1952- 1961.

[2] 劉國(guó)友, 羅海輝, 張鴻鑫, 等. 基于全銅工藝的750A/6500V高性能IGBT模塊[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(21): 4501-4510.

Liu Guoyou, Luo Haihui, Zhang Hongxin, et al. High performance 750A/6500V IGBT module based on full-copper processes[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2020, 35(21): 4501-4510.

[3] 王莉娜, 鄧潔, 楊軍一, 等. Si和SiC功率器件結(jié)溫提取技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(4): 703-716.

Wang Lina, Deng Jie, Yang Junyi, et al. Junction temperature extraction methods for Si and SiC power devices-a review and possible alternatives[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(4): 703-716.

[4] 張軍, 張犁, 成瑜. IGBT模塊壽命評(píng)估研究綜述[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2021, 36(12): 2560-2575.

Zhang Jun, Zhang Li, Cheng Yu. Review of the lifetime evaluation for the IGBT module[J]. Transa- ctions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(12): 2560-2575.

[5] Desingu K, Selvaraj R, Chelliah T R. Control of reactive power for stabilized junction temperature in power electronic devices serving to a 250MW asynchronous hydrogenerating unit[J]. IEEE Transa- ctions on Industry Applications, 2019, 55(99): 7584- 7867.

[6] Ciappa M. Selected failure mechanisms of modern power modules[J]. Microelectronics Reliability, 2002, 42(4-5): 653-667.

[7] 王學(xué)梅, 張波, 吳海平. 基于失效物理的功率器件疲勞失效機(jī)理[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2019, 34(4): 717- 727.

Wang Xuemei, Zhang Bo, Wu Haiping. A review of fatigue mechanism of power devices based on physics-of-failure[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2019, 34(4): 717-727.

[8] Wintrich A, Nicolai U, Tursky W, et al. Application manual power semiconductors[M]. Nuremberg: SEMIKRON International, 2011.

[9] Wang Xiang, Castellazzi A, Zanchetta P. Regulated cooling for reduced thermal cycling of power devices[C]//7th International Power Electronics and Motion Control Conference, Harbin, 2012: 238-244.

[10] 吳軍科. 非平穩(wěn)工況變流器IGBT模塊結(jié)溫平滑控制研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2015.

[11] Murdock D A, Torres J E R, Connors J J, et al. Active thermal control of power electronic modules[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 42(2): 552-558.

[12] 羅旭, 王學(xué)梅, 吳海平. 基于多目標(biāo)優(yōu)化的電動(dòng)汽車變流器IGBT及開關(guān)頻率的選擇[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2020, 35(10): 2181-2193.

Luo Xu, Wang Xuemei, Wu Haiping. Selections of IGBTs and switching frequency of the electric vehicle converter based on multi-objective optimization[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(10): 2181-2193.

[13] Wu Junke, Zhou Luowei, Sun Pengju, et al. Control of IGBT junction temperature in small-scale wind power converter[C]//2014 International Power Electronics and Application Conference and Exposition, Shanghai, 2014: 41-48.

[14] Wei Lixiang, McGuire J, Lukaszewski R A. Analysis of PWM frequency control to improve the lifetime of PWM inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2011, 47(2): 922-929.

[15] Lemmens J, Vanassche P, Driesen J. Optimal control of traction motor drives under electrothermal con- straints[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2014, 2(2): 249-263.

[16] Falck J, Andresen M, Liserre M. Active thermal control of IGBT power electronic converters[C]// IECON 2015-41st Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Yokohama, 2016: 1-6.

[17] Hofer P, Karrer N, Gerster C. Paralleling intelligent IGBT power modules with active gate-controlled current balancing[C]//27th Annual IEEE Power Elec- tronics Specialists Conference, Baveno, 2002: 1312- 1316.

[18] Wu Liang, Castellazzi A. Temperature adaptive driving of power semiconductor devices[C]//2010 IEEE International Symposium on Industrial Elec- tronics, Bari, 2010: 1110-1114.

[19] Wu T, Castellazzi A. Temperature adaptive IGBT gate-driver design[C]//14th European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, 2011: 1-6.

[20] Sathik M H M, Prasanth S, Sasongko F, et al. A dynamic thermal controller for power semiconductor devices[C]//2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), San Antonio, 2018: 2792-2797.

[21] 桑亞雷, 王學(xué)梅, 張波. 基于驅(qū)動(dòng)電壓調(diào)節(jié)的IGBT結(jié)溫跟蹤管控策略及實(shí)現(xiàn)[J]. 電工電能新技術(shù), 2019, 38(4): 47-54.

Sang Yalei, Wang Xuemei, Zhang Bo. Tracking control strategy and implementation of IGBTs junction temperature based on gate drive voltage adjustment[J]. Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy, 2019, 38(4): 47-54.

[22] Prasobhu P K, Raveendran V, Buticchi G, et al. Active thermal control of GaN-based DC/DC con- verter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(4): 3529-3540.

[23] Ali S H, Heydarzadeh M, Dusmez S, et al. Lifetime estimation of discrete IGBT devices based on gaussian process[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(1): 395-403.

[24] Broeck C, Ruppert L A, Lorenz R D, et al. Active thermal cycle reduction of power modules via gate resistance manipulation[C]//2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), San Antonio, 2018: 3074-3082.

[25] Sun Yaxiu, Sun Li, Esmaeli A, et al. A novel three stage drive circuit for IGBT[C]//1st IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications, Singapore, 2006: 1-6.

[26] Engelmann G, Ludecke C, Bundgen D, et al. Experimental analysis of the switching behavior of an IGBT using a three-stage gate driver[C]//8th Inter- national Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Florianopolis, 2017: 1-8.

[27] Luo Haoze, Iannuzzo F, Ma Ke, et al. Active gate driving method for reliability improvement of IGBTs via junction temperature swing reduction[C]//7th International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems (PEDG), Vancouver, 2016: 1-7.

[28] Trzynadlowski A M, Kirlin R L. Space vector PWM technique with minimum switching losses and a variable pulse rate for VSI[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 1997, 44(2): 173-181.

[29] Du Xiong, Li Gaoxian, Sun Pengju, et al. A hybrid modulation method for lifetime extension of power semiconductors in wind power converters[C]//2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Charlotte, 2015: 2565-2570.

[30] Ali S Q, Bhattacharya S, Mascarella D, et al. Thermal management during stalled rotor by conduction loss redistribution[C]//2015 IEEE Transportation Electri- fication Conference and Expo (ITEC), Dearborn, 2015: 1-6.

[31] Falck J, Andresen M, Liserre M. Thermal-based finite control set model predictive control for IGBT power electronic converters[C]//2016 IEEE Energy Con- version Congress and Exposition (ECCE), Milwaukee, 2016: 1-7.

[32] Ozkan G, Papari B, Hoang P H, et al. An active thermal control method for AC-DC power converter with sequence-based control approach[C]//2019 IEEE Electric Ship Technologies Symposium (ESTS), Washington, 2019: 263-267.

[33] Falck J, Buticchi G, Liserre M. Thermal stress based model predictive control of electric drives[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2018, 54(2): 1513-1522.

[34] Andresen M, Buticchi G, Liserre M. Active thermal control of isolated soft switching DC/DC con- verters[C]//42nd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Florence, 2016: 6818- 6823.

[35] Dusmez S, Akin B. An active life extension strategy for thermally aged power switches based on the pulse-width adjustment method in interleaved con- verters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(7): 5149-5160.

[36] 吳軍科, 周雒維, 王博, 等. 基于開關(guān)軌跡動(dòng)態(tài)調(diào)整的變流器內(nèi)部熱管理[J]. 電源學(xué)報(bào), 2016, 14(6): 46-52.

Wu Junke, Zhou Luowei, Wang Bo, et al. Internal thermal management of power converter based on switching trace adjustment[J]. Journal of Power Supply, 2016, 14(6): 46-52.

[37] 周雒維, 張益, 王博. 一種基于調(diào)節(jié)緩沖電容的IGBT熱管理方法[J]. 電機(jī)與控制學(xué)報(bào), 2019, 23(4): 28-36.

Zhou Luowei, Zhang Yi, Wang Bo. IGBT thermal management method based on snubber capacitor[J]. Electric Machines and Control, 2019, 23(4): 28-36.

[38] Wang Bo, Zhou Luowei, Zhang Yi, et al. Active junction temperature control of IGBT based on adjusting the turn-off trajectory[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2018, 33(7): 5811-5823.

[39] Robinson F. Power electronics converters, appli- cations and design[J]. Microelectronics Journal, 1997, 28(1): 150-106.

[40] Yu Chenyen, Tamura J, Lorenz R D. Optimum DC bus voltage analysis and calculation method for inverters/motors with variable DC bus voltage[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, 49(6): 2619-2627.

[41] Lemmens J, Vanassche P, Driesen J. Dynamic DC- link voltage adaptation for thermal management of traction drives[C]//IEEE Energy Conversion Congress and Expo, Denver, 2013: 180-187.

[42] Wang Xubin, Wang Xuemei, Yuan Xun. An optimal DC bus voltage control method to improve the junction temperature of IGBTs in low speed oper- ations of traction applications[C]//2nd Annual Southern Power Electronics Conference (SPEC), Auckland, 2016: 1-6.

[43] Estima J O, Marques C A J. Efficiency analysis of drive train topologies applied to electric/hybrid vehicles[J]. IEEE Transactions on Vehicular Tech- nology, 2012, 61(3): 1021-1031.

[44] Ma Ke, Liserre M, Blaabjerg F. Reactive power influence on the thermal cycling of multi-MW wind power inverter[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2013, 49(2): 922-930.

[45] Lesnicar A, Marquardt R. An innovative modular multilevel converter topology suitable for a wide power range[C]//IEEE Bologna Power Tech Con- ference, Bologna, 2003: 1-6.

[46] Bakhshizadeh M K, Ma K, Loh P C, et al. Indirect thermal control for improved reliability of modular multilevel converter by utilizing circulating current[C]// 2015 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Charlotte, 2015: 2167-2173.

[47] Tu Qingrui, Xu Zheng, Xu Lie. Reduced switching- frequency modulation and circulating current suppression for modular multilevel converters[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2011, 26(3): 2009-2017.

[48] Yang Yongheng, Koutroulis E, Sangwongwanich A, et al. Minimizing the levelized cost of energy in single-phase photovoltaic systems with an absolute active power control[C]//2015 IEEE Energy Con- version Congress and Exposition (ECCE), Montreal, 2015: 28-34.

[49] Falck J, Andresen M, Liserre M. Active methods to improve reliability in power electronics[C]//43rd Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, Beijing, 2017: 7923-7928.

[50] Liserre M, Andresen M, Costa L, et al. Power routing in modular smart transformers: active thermal control through uneven loading of cells[J]. IEEE Industrial Electronics Magazine, 2016, 10(3): 43-53.

[51] Ko Y, Andresen M, Buticchi G, et al. Power routing for cascaded H-bridge converters[J]. IEEE Transa- ctions on Power Electronics, 2017, 32(12): 9435- 9446.

[52] Yan Hao, Buticchi G, Yang Jiajun, et al. Active thermal control for modular power converters in multi-phase permanent magnet synchronous motor drive system[J]. IEEE Access, 2021, 9: 7054-7063.

[53] Blasko V, Lukaszewski R, Sladky R. On line thermal model and thermal management strategy of a three phase voltage source inverter[C]//34th IAS Annual Meeting, Phoenix, 1999: 1423-1431.

[54] Yang Shaoyong, Xiang Dawei, Bryant A, et al. Condition monitoring for device reliability in power electronic converters: a review[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 25(11): 2734-2752.

[55] Kovaevi I F, Drofenik U, Kolar J W. New physical model for lifetime estimation of power modules[C]// Power Electronics Conference, Sapporo, 2010: 2106- 2114.

[56] 王博. 基于壽命模型的IGBT模塊結(jié)溫管理研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2018.

[57] 姚芳, 胡洋, 李錚, 等. 基于結(jié)溫監(jiān)測(cè)的風(fēng)電IGBT熱安全性和壽命耗損研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2018, 33(9): 2024-2033.

Yao Fang, Hu Yang, Li Zheng, et al. Study on thermal safety and lifetime consumption of IGBT in wind power converters based on junction temperature monitoring[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(9): 2024-2033.

[58] Chen Ying, Men Weiyang, Yuan Zenghui, et al. Nonlinear damage accumulation rule for solder life prediction under combined temperature profile with varying amplitude[J]. IEEE Transactions on Com- ponents, Packaging and Manufacturing Technology, 2019, 9(1): 39-50.

[59] Zhang Jun, Du Xiong, Zeng Cheng, et al. A lifetime extension strategy for power devices in the wind power converters based on the distribution characteri- stics of consumed lifetime[C]//2017 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Tampa, 2017: 761-766.

[61] Kaczorowski D, Michalak B, Mertens A. A novel thermal management algorithm for improved lifetime and overload capabilities of traction converters[C]// 17th European Conference on Power Electronics and Applications, Geneva, 2015: 1-10.

[62] Andresen M, Buticchi G, Falck J, et al. Active thermal management for a single-phase H-bridge inverter employing switching frequency control[C]// PCIM Europe 2015, Nuremberg, 2015: 1-8.

[63] Weckert M, J?rg Roth-Stielow. Chances and limits of a thermal control for a three-phase voltage source inverter in traction applications using permanent magnet synchronous or induction machines[C]//14th European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, 2011: 1-10.

[64] Blasko V, Lukaszewski R, Sladky R. On line thermal model and thermal management strategy of a three phase voltage source inverter[C]//Thirty-Forth IAS Annual Meeting, Phoenix, 1999: 1423-1431.

[65] Wu Junke, Zhou Luowei, Sun Pengju, et al. Smooth control of insulated gate bipolar transistors junction temperature in a small-scale wind power converter[J]. IET Power Electronics, 2016, 9(3): 393-400.

[66] Prasobhu P K, Buticchi G, Brueske S, et al. Gate driver for the active thermal control of a DC/DC GaN-based converter[C]//2016 IEEE Engery Con- version Congress and Exposition (ECCE), Milwaukee, 2016: 1-8.

[67] Soldati A, Dossena F, Pietrini G, et al. Thermal stress mitigation by active thermal control: architectures, models and specific hardware[C]//2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Cincinnati, 2017: 3822-3829.

[68] Ugur E, Dusmez S, Akin B. An investigation on diagnosis-based power switch lifetime extension strategies for three-phase inverters[J]. IEEE Transa- ctions on Industry Applications, 2019, 55(2): 2064- 2075.

[69] Chen Quan, Chen Zhe, Wang Qunjing, et al. Analyze and improve lifetime in 3L-NPC inverter from power cycle and thermal balance[C]//17th International Con- ference on Electrical Machines and Systems (ICEMS), Hangzhou, 2014: 974-980.

[70] Weckert M, J?rg Roth-Stielow. Chances and limits of a thermal control for a three-phase voltage source inverter in traction applications using permanent magnet synchronous or induction machines[C]//14th European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, 2011: 1-10.

[71] Sujod M Z, Erlich I, Engelhardt S. Improving the reactive power capability of the DFIG-based wind turbine during operation around the synchronous speed[J]. IEEE Transactions on Energy Conversion, 2013, 28(3): 736-745.

[72] Ma Ke, Blaabjerg F. Modulation methods for neutral- point-clamped wind power converter achieving loss and thermal redistribution under low-voltage ride- through[J]. IEEE Transactions on Industrial Elec- tronics, 2014, 61(2): 835-845.

[73] Lemmens J, Vanassche P, Driesen J. Optimal control of traction motor drives under electrothermal con- straints[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2014, 2(2): 249-263.

[74] He Jiangbiao, Wei Lixiang, Demerdash N A O. Power cycling lifetime improvement of three-level NPC inverters with an improved DPWM method[C]// Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), Long Beach, 2016: 2826-2832.

[75] Kaku B. Switching loss minimized space vector PWM method for IGBT three-level inverter[J]. IEE Proceedings-Electric Power Applications, 1997, 144(3): 182-190.

[76] Blaabjerg F, Ma Ke. Thermal optimised modulation methods of three-level neutral-point-clamped inverter for 10MW wind turbines under low-voltage ride through[J]. IET Power Electronics, 2012, 5(6): 920- 927.

[77] Ko Y, Andresen M, Buticchi G, et al. Thermally compensated discontinuous modulation strategy for cascaded H-bridge converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 33(3): 2704-2713.

[78] Mughis M A, Sudiharto I, Ferdiansyah I, et al. Design and implementation of partial M-type zero voltage resonant circuit interleaved bidirectional DC-DC converter (energy storage and load sharing)[C]// International Electronics Symposium on Engineering Technology and Applications, Bali, 2018: 123-128.

[79] Polom T A, Wang Boru, Lorenz R D.Djcontrol of switching power devices at thermal boundaries via physics-based loss manipulation[C]//2016 IEEE EnergyConversion Congress and Exposition (ECCE), Milwaukee, 2016: 1-8.

[80] Sathik M H M, Prasanth S, Sasongko F, et al. A dynamic thermal controller for power semiconductor devices[C]//2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition, San Antonio, 2018: 2792- 2797.

[81] Weckert M, J?rg Roth-Stielow. Chances and limits of a thermal control for a three-phase voltage source inverter in traction applications using permanent magnet synchronous or induction machines[C]//14th European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, 2011: 1-10.

[82] Yu Chenyen, Tamura J, Lorenz R D. Control method for calculating optimum DC bus voltage to improve drive system efficiency in variable DC bus drive systems[C]//Energy Conversion Congress & Exposition, Raleigh, 2012: 2992-2999.

[83] Zhang Jianwen, Wang Jiacheng, Cai Xu. Active thermal control-based anticondensation strategy in paralleled wind power converters by adjusting reactive circulating current[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2018, 6(1): 277-291.

[84] Raveendran V, Andresen M, Buticchi G, et al. Thermal stress based power routing of smart trans- former with CHB and DAB converters[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(4): 4205-4215.

[85] Ko Y, Raveendran V, Andresen M, et al. Thermally compensated discontinuous modulation for MVAC/ LVDC building blocks of modular smart transfor- mers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(1): 220-231.

[86] Kaczorowski D, Michalak B, Mertens A. A novel thermal management algorithm for improved lifetime and overload capabilities of traction converters[C]// 17th European Conference on Power Electronics and Applications, Geneva, 2015: 1-10.

[87] Murdock D A, Torres J E R, Member, et al. Active thermal control of power electronic modules[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 2006, 42(2): 552-558.

[88] Weckert M, J?rg Roth-Stielow. Chances and limits of a thermal control for a three-phase voltage source inverter in traction applications using permanent magnet synchronous or induction machines[C]//14th European Conference on Power Electronics and Applications, Birmingham, 2011: 1-10.

[89] Lemmens J, Vanassche P, Driesen J. Optimal control of traction motor drives under electrothermal con- straints[J]. IEEE Journal of Emerging & Selected Topics in Power Electronics, 2014, 2(2): 249-263.

[90] Andresen M, Liserre M, Buticchi G. Review of active thermal and lifetime control techniques for power electronic modules[C]//16th European Conference on Power Electronics and Applications, Lappeenranta, 2014: 1-10.

Review on Active Thermal Control Methods Based on Junction Temperature Swing Smooth Control of IGBTs

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China）

Served as core devices in power converters, IGBT devices are used in electric vehicles, rail transit, aerospace, and power systems. However, the junction temperature of IGBT devices swings dramatically due to the harsh operating environment. Hence, under the continuous impact of thermal stress, IGBT devices suffer degradations, which affects the reliability of system operation. At present, domestic and foreign scholars have carried out a lot of research work regarding internal thermal management to extend the operating lifetime. Simultaneously, various active thermal management methods have also been proposed, which are of great significance to delay the aging rate of power devices and improve the reliability of systems. Firstly, this paper clarifies and summarizes the principles and characteristics of the existing methods of active thermal control for IGBTs from the perspective of device level and the system level respectively. Secondly, the effects of the active thermal control methods based on the lifetime evaluation model of IGBTs are evaluated quantitatively. Finally, these methods are comprehensively compared and analyzed from the mitigated degree of the thermal stress, the difficulty of realization, the degree of the lifetime extension and the scope of the application. And the exploration direction of the active thermal control for IGBT devices is prospected, which provides a meaningful reference for the health management of IGBT devices.

Active thermal control, junction temperature smoothing, loss control, reliability

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210144

TM46

魏云海 男，1996年生，碩士研究生，研究方向?yàn)楣β拾雽?dǎo)體器件可靠性。E-mail: wyh55043@163.com

賴 偉 男，1986年生，副教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮悠骷煽啃詨勖：蜖顟B(tài)監(jiān)測(cè)等。E-mail: laiweicqu@126.com（通信作者）

2021-01-27

2021-05-17

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（2018YFB0905800）、國(guó)家自然科學(xué)基金（51707024）、山西省揭榜招標(biāo)（20201101017）、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)（2020CDJQY-A026）和國(guó)家自然科學(xué)基金-智能電網(wǎng)聯(lián)合基金重點(diǎn)（U1966213）資助項(xiàng)目。

（編輯 陳 誠(chéng)）