基于動態(tài)熱敏電參數法的大容量IGBT模塊結溫在線提取原理和方法研究.pdf

1、大功率IGBT模塊是大容量電力電子裝備最為核心的部件之一。在大容量變流器的運行當中，對IGBT模塊的內部結溫進行在線檢測，是快速過溫保護與瞬時極限運行的先決條件，也是提升變流器輸出容量與增強變流器可靠性的重要途徑。因此，如何實現(xiàn)高精度、快響應和易集成的芯片結溫在線提取，成為近年來學術界與工業(yè)界的研究熱點之一。本論文從大功率IGBT模塊的應用特性需求出發(fā)，開展了功率器件結溫和動態(tài)電氣參數之間的交互原理以及在線提取方法研究。通過研究大功率I

2、GBT模塊的結構和封裝特點，發(fā)現(xiàn)了IGBT模塊內部寄生電感LeE與動態(tài)電氣參數之間的轉換媒介作用。基于此發(fā)現(xiàn)，提出了動態(tài)熱敏感電參數的概念，實現(xiàn)了IGBT模塊的結溫實時動態(tài)捕獲，并將該方法拓展至大功率P-i-N二極管的結溫在線提取。論文還總結了基于寄生電感的動態(tài)熱敏感電參數分類規(guī)則與性能綜合評估。
　　大容量動態(tài)特性測試平臺是研究大功率IGBT模塊在不同結溫情況下瞬態(tài)開關特性的基礎。首先，本文歸納了大容量動態(tài)特性測試平臺的綜合設計

3、準則，在該設計原則的指導下，搭建了一套3600A電流等級的IGBT動態(tài)開關特性測試平臺。該平臺通過獨立雙加熱的結溫控制方法，可以準確地模擬模塊內部IGBT和二極管芯片由于工況不同導致的結溫差異現(xiàn)象。論文還討論了結溫變化對大功率IGBT模塊的瞬態(tài)電氣應力、開關損耗和運行軌跡三類指標的影響規(guī)律。最后，根據大功率多芯片IGBT模塊在額定電氣參數下發(fā)生的開通瞬態(tài)失效現(xiàn)象，提出了一種IGBT模塊的綜合失效機理，為IGBT模塊的動態(tài)失效分析提供了新

4、思路。
　　大功率IGBT模塊的芯片結溫狀態(tài)與動態(tài)電氣參數存在緊密的一一對應關系。本文通過建立載流子抽取模型，揭示關斷動態(tài)電氣參數與關斷過程中載流子運動方程的內在聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)母線電壓、負載電流與芯片結溫三者對關斷動態(tài)電氣參數具有獨立、單調的變化規(guī)律。因此，提出了基于關斷延遲時間和關斷電流最大變化率等動態(tài)熱敏感電參數方法。然后，利用大功率IGBT模塊內部寄生電感LeE的媒介作用，把關斷延遲時間和關斷電流最大變化率兩個動態(tài)熱敏感電參數的

5、測量轉化為對寄生電感LeE上感應電壓觸發(fā)時機與感應電壓負峰值的檢測?；陉P斷延遲時間的熱敏感電參數法僅通過采樣感應電壓即可完成對IGBT關斷延遲時間的檢測，避免了對集電極電流變化率的直接測量。基于關斷電流最大變化率的熱敏感電參數法僅需對感應電壓負峰值采樣即可完成IGBT芯片結溫的提取，大大簡化了校正環(huán)節(jié)。實驗結果證實了關斷延遲時間和關斷電流最大變化率這兩個動態(tài)熱敏感電參數的有效性，且運行工況適應性強、在線實施集成性高，為IGBT芯片結溫

6、的在線檢測提供了理論依據。
　　其次，針對P-i-N二極管中廣為應用的大電流注入法存在的結溫提取盲區(qū)問題，本文通過建立芯片結溫，反向恢復電荷模型，闡明了二極管結溫與換流IGBT及運行環(huán)境參數之間的單調變化規(guī)律。因此，提出了基于恢復電流最大變化率和電流下降時期恢復電荷的動態(tài)熱敏感電參數方法，并巧妙地借助與之換流大功率IGBT模塊內部寄生電感LeE上的感應電壓對反向恢復電流的捕獲功能，把恢復電流最大變化率的測量轉化為感應電壓負峰值的檢

7、測，同時把電流下降時期恢復電荷的測量轉化為感應電壓在恢復階段所包圍的面積與持續(xù)時間之積的運算。實驗結果表明，恢復電流最大變化率和電流下降時期恢復電荷這兩個動態(tài)熱敏感電參數的的靈敏度高，且適合高溫運行工況，為P-i-N二極管的在線結溫提取提供了新方法。
　　再次，論文揭示了IGBT模塊在開通與關斷瞬態(tài)過程中的動態(tài)電氣參數與IGBT模塊寄生電感LeE上感應電壓veE之間的一一對應關系，并深入分析相關動態(tài)電氣參數與芯片結溫的相互作用機理

8、，通過分析動態(tài)熱敏感電參數在感應電壓橫向時間軸與縱向電壓軸的分布特征，把動態(tài)熱敏感電參數分為時變型參數、壓變型參數和荷變型參數等三大類型。該分類方法為尋找和研究新型動態(tài)熱敏感電參數提供了新思路。此外，針對不同類型的動態(tài)熱敏感電參數，分別從線性度、靈敏度、校正程序、和在線實施等方面進行了綜合評估和實驗驗證，為動態(tài)熱敏感電參數的工程應用提供了理論與數據支持。
　　最后，本論文提出的基于IGBT模塊內部寄生電感的動態(tài)熱敏電參數法，由于利

9、用了動態(tài)電氣參數與結溫之間的一一對應關系，從而間接地獲取了模塊內部芯片結溫信息。同時借助IGBT模塊內部寄生電感LeE的媒介作用，實現(xiàn)了對動態(tài)熱敏感電參數進行直接測量。該方法無需打開模塊封裝即可獲取結溫信息，而且又避免了對高電壓大電流電氣量的直接測量;具有響應快、靈敏度高、成本低、集成性好的特點，為大功率IGBT模塊芯片結溫的檢測提供了新思路。該類方法不僅適用于大功率IGBT模塊內部IGBT芯片與二極管芯片的結溫提取，還可以拓展至諸如I