一種改進(jìn)的IGBT模塊結(jié)溫提取算法及實(shí)驗(yàn)研究

郭遠(yuǎn)欣，王學(xué)梅，張 波

（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣州 510640）

大容量的IGBT模塊是電力電子變換器的主要器件，被廣泛應(yīng)用于高壓直流輸電、新能源系統(tǒng)、汽車牽引、高速列車、航天航空及軍事等領(lǐng)域，其可靠性也受到越來(lái)越多的關(guān)注[1-3]。根據(jù)有關(guān)資料顯示，功率器件是電流變換系統(tǒng)中失效率最高的部件，占比約34%[4]，而誘發(fā)電力電子系統(tǒng)失效的事故溫度問(wèn)題占比55%[5]。此外，功率器件的結(jié)溫也是進(jìn)行損耗計(jì)算、壽命預(yù)測(cè)和可靠性評(píng)估的重要參考。因此，對(duì)功率器件結(jié)溫提取方法的研究十分有必要。目前針對(duì)功率器件的結(jié)溫提取方法主要有：物理測(cè)溫，如熱電偶測(cè)溫和紅外測(cè)溫；熱阻抗模型預(yù)測(cè)法[6]；靜態(tài)熱敏感電參數(shù)法，如小電流飽和壓降法和大電流注入法等[5]；動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)法，如閾值電壓法、內(nèi)部溫敏驅(qū)動(dòng)電阻法和內(nèi)部寄生電感法等[7-10]。

結(jié)溫的在線監(jiān)測(cè)是為了實(shí)時(shí)獲取器件的結(jié)溫工況，進(jìn)而研究器件的壽命和可靠性。功率器件結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)的理想要求是，既不能打斷被測(cè)裝置的運(yùn)行狀態(tài)，也不能對(duì)被測(cè)裝置造成干擾，同時(shí)還要保證足夠的精度。動(dòng)態(tài)熱敏電參數(shù)法提取結(jié)溫是比較適合的方法，目前用到的動(dòng)態(tài)電參數(shù)主要有閾值電壓[11]、開(kāi)通延遲時(shí)間[12]、米勒平臺(tái)電壓[13]、關(guān)斷延遲時(shí)間[14]、關(guān)斷電壓變化率du/dt[15]和電流變化率di/dt等[16-17]。文獻(xiàn)[11,13]從線性程度、敏感程度以及實(shí)施難度方面比較了方法的優(yōu)劣，其中缺點(diǎn)有：閾值電壓和開(kāi)通延遲對(duì)溫度的敏感度較低，準(zhǔn)確性不夠高；關(guān)斷和關(guān)斷延遲時(shí)間需要高精度的傳感器或提取電路，且魯棒性不強(qiáng)；關(guān)斷電壓變化率的提取采用了并聯(lián)電容，影響了電路的開(kāi)關(guān)特性；開(kāi)通電流變化率受到二極管反向恢復(fù)電流的影響，反映的不全是IGBT芯片的結(jié)溫；最大關(guān)斷電流變化率的傳統(tǒng)提取方法用到電流互感器[16]，增加了裝置的復(fù)雜程度，不易于集成，限制了其在工程方面的應(yīng)用。

研究表明，在IGBT關(guān)斷瞬間，di/dt與結(jié)溫呈現(xiàn)較好的線性關(guān)系[17]，但由于關(guān)斷過(guò)程非常短暫，di/dt的獲取往往存在較大困難。Chen等[17]研究發(fā)現(xiàn)，可利用模塊開(kāi)爾文端子提取寄生電感兩端電壓，獲得關(guān)斷時(shí)的di/dt，從而間接獲得器件結(jié)溫。該方法優(yōu)點(diǎn)在于，能在不破壞模塊結(jié)構(gòu)、增加較少輔助測(cè)量元件的情況下獲取相關(guān)的溫度敏感參數(shù)。但文獻(xiàn)[17]僅給出了半導(dǎo)體物理表達(dá)式，證明了實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析趨勢(shì)一致，而準(zhǔn)確地提取這些半導(dǎo)體物理參數(shù)是困難的。另外，由于溫敏參數(shù)和結(jié)溫存在的非線性關(guān)系，目前曲線校準(zhǔn)大多采用采集大量數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合的方法，繁瑣且不能保證準(zhǔn)確性，大大限制了該方法的推廣應(yīng)用。本文在文獻(xiàn)[17]的基礎(chǔ)上，提出了一種基于數(shù)值外推法的簡(jiǎn)化溫敏參數(shù)模型和算法。通過(guò)該簡(jiǎn)化模型，可在不提取寄生電感參數(shù)和半導(dǎo)體參數(shù)的情況下，利用少量的數(shù)據(jù)獲得溫度特性曲線，進(jìn)而快速提取IGBT的結(jié)溫。

本文從半導(dǎo)體物理原理出發(fā)，分析推導(dǎo)了結(jié)溫與相關(guān)電參數(shù)的簡(jiǎn)化算法模型，給出了最優(yōu)基準(zhǔn)點(diǎn)的選法，最后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了其正確性和實(shí)用性。

1 IGBT模塊等效電路模型

以賽米控的IGBT模塊SKM50GB12T4（1 200 V/50 A）為例，其外觀及內(nèi)部等效電路如圖1所示，圖1（b）中：粗線標(biāo)示的為雜散電感存在的回路，據(jù)此得到考慮雜散電感的等效電路如圖1（c）所示，其中，半橋的下管為待測(cè)元件，7腳和2腳間為雜散電感 LeE。

圖1 IGBT模塊外觀及內(nèi)部等效電路Fig.1 Appearance of IGBT module and its internal equivalent circuit

從等效電路模型可以得到開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)雜散電感上的感應(yīng)電壓，即

通過(guò)測(cè)量電感電壓veE可以間接得到關(guān)斷時(shí)的電流變化率di/dt。雜散電感由于與溫度無(wú)關(guān)，可看作常數(shù)，故討論的主要是di/dt與溫度的關(guān)系。

2 溫敏電參數(shù)的解析分析

2.1 原理分析

場(chǎng)截止型IGBT增加了一個(gè)很薄的截止層，可以通過(guò)壽命控制技術(shù)有效減少截止層復(fù)合壽命，大大加快關(guān)斷速度，其結(jié)構(gòu)如圖2所示[18-19]。

大部分IGBT的應(yīng)用場(chǎng)合是用來(lái)控制輸送到感性負(fù)載的功率。用于感性負(fù)載的IGBT關(guān)斷波形可簡(jiǎn)化為圖3。

圖2 場(chǎng)截止型IGBT結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of field-stop IGBT

圖3 IGBT的理想關(guān)斷波形Fig.3 Ideal turn-off waveform of IGBT

關(guān)斷過(guò)程可以大致分為2個(gè)階段，階段Ⅰ主要是電壓線性上升階段，階段Ⅱ主要是集電極電流下降階段。電流變化率di/dt發(fā)生在階段Ⅱ，從半導(dǎo)體物理原理入手，分析階段Ⅱ中電流變化率和溫度之間的關(guān)系。

在電壓上升之后，集電極電流的減小由過(guò)?？昭ê碗娮拥膹?fù)合決定。通常情況下，空間電荷層延伸通過(guò)大部分N型基區(qū)輕摻雜部分的寬度，所以集電極電流的減小由N型截止層中的過(guò)?？昭◤?fù)合決定。當(dāng)不存在擴(kuò)散時(shí)，N型截止層中空穴的連續(xù)性方程[18]為

式中：δpNF為N型截止層中的過(guò)剩空穴濃度；τHL,NF為截止層中的大注入壽命，即過(guò)剩載流子濃度衰減為起始濃度的1/e所經(jīng)歷的時(shí)間。由于N型截止層的摻雜濃度為1015～1016cm－3，注入的載流子濃度與其相當(dāng)，故應(yīng)采用大注入假設(shè)[19]。在N型截止層中都處于大注入狀態(tài)，則方程的解為

式中：pNF為J1處N型截止層中的空穴濃度；yN為耗盡區(qū)寬度；p0為P+集電極和N型基區(qū)之間結(jié)處的空穴濃度。

由于通態(tài)時(shí)載流子的注入，假定在階段Ⅱ開(kāi)始時(shí)，存儲(chǔ)電荷區(qū)內(nèi)的空穴濃度等于p0。截取圖2中J1結(jié)部分，兩邊的載流子分布情況如圖4所示，進(jìn)而可以分析支撐存儲(chǔ)電荷區(qū)內(nèi)載流子復(fù)合的集電極電流。

圖4 場(chǎng)截止型IGBT關(guān)斷時(shí)J1結(jié)兩邊的自由載流子分布Fig.4 Distribution of free carriers on both sides of junction J1 when field-stop IGBT is turned off

為了簡(jiǎn)化分析，可以假定在PN結(jié)J1附近的N型截止層中的載流子濃度與距離無(wú)關(guān)，只是如式（3）給出的時(shí)間的函數(shù)。N型截止層中過(guò)?？昭ǖ拇嬖谝痣娮幼⑷隤+集電極區(qū)域，這些電子朝y方向擴(kuò)散，引起濃度指數(shù)式衰減，如圖4所示。根據(jù)PN結(jié)定律，J1兩邊的自由載流子濃度關(guān)系為

式中：nNF為N型截止層中的電子濃度；pC為P+集電極區(qū)域的空穴濃度；nC（0，t）為 P+集電極區(qū)域的電子濃度；q為電子電荷量；VC為PN結(jié)J1的勢(shì)壘電壓；K為玻爾茲曼常數(shù)；T為溫度。

由于處于大注入狀態(tài)，擴(kuò)散進(jìn)入P+集電極區(qū)域的電子呈指數(shù)分布，則有

式中，lnE為P+集電極區(qū)域內(nèi)電子的擴(kuò)散長(zhǎng)度。

這些注入P+集電極區(qū)域的電子擴(kuò)散形成了集電極電流，結(jié)合式（5）則有

式中：A為芯片面積；DnE為P+集電極區(qū)域的電子擴(kuò)散常數(shù)。

根據(jù)式（3）、式（4）和式（6）得到

對(duì)于感性負(fù)載，在階段Ⅱ中開(kāi)始下降時(shí)集電極電流等于負(fù)載電流IL，故上述方程可寫為

即集電極電流隨著時(shí)間以指數(shù)形式減小，其時(shí)間常數(shù)等于N型截止層中的大注入壽命的一半。

集電極電流關(guān)斷時(shí)間tOFF定義為電流減小到其導(dǎo)通的1/10時(shí)所用的時(shí)間，如圖3所示，結(jié)合式（8）可以得到

對(duì)式（8）求導(dǎo)可以得到關(guān)斷電流變化率

最大關(guān)斷電流變化率在t0時(shí)刻取得，即

將式（11）代入式（1），即可得到所要求的溫敏（電）參數(shù)的表達(dá)式，即

可以看出溫敏參數(shù)僅由寄生電感、負(fù)載電流以及N型截止層的大注入壽命τHL,NF決定。假設(shè)通態(tài)電流與溫度無(wú)關(guān)，溫度只通過(guò)影響N型截止層的大注入壽命來(lái)影響溫敏參數(shù)，隨著結(jié)溫升高，大注入壽命τHL,NF增加，溫敏參數(shù)VEemax的絕對(duì)值減小。

2.2 基于外推法的溫度特性的簡(jiǎn)化模型

大注入壽命τHL,NF的溫度經(jīng)驗(yàn)公式[20]為

式中，τ0為26.85℃時(shí)的大注入壽命。代入式（12），得到動(dòng)態(tài)溫敏參數(shù)VEemax和溫度的關(guān)系為

由式（14）可知，VEemax與負(fù)載電流 IL、寄生電感LeE、大注入壽命τ0和結(jié)溫Tj相關(guān)。由于準(zhǔn)確提取寄生電感LeE和大注入壽命τ0比較復(fù)雜和困難，且不同老化程度的器件這2個(gè)參數(shù)也會(huì)有所不同，因此有必要避開(kāi)這2個(gè)物理量，提出更簡(jiǎn)便實(shí)用的方法。對(duì)式（14）進(jìn)行變換，得到結(jié)溫測(cè)量的表達(dá)式為

式（15）僅需測(cè)量一組初始數(shù)據(jù)（I0，T0，VEemax（T0）），即可外推出其他電流IL和溫敏參數(shù)VEemax（Tj）下的結(jié)溫，同時(shí)避開(kāi)了寄生電感和大注入壽命的提取。

在20～140℃之間對(duì)式（13）進(jìn)行線性化近似，擬合結(jié)果如圖5所示，去除式（15）中的分?jǐn)?shù)指數(shù)項(xiàng)，進(jìn)一步變換得到一個(gè)非常簡(jiǎn)潔的測(cè)溫表達(dá)式，即

可以推斷出基準(zhǔn)值點(diǎn)（I0，T0，VEemax（T0））的選取直接決定了外推結(jié)果的好壞。

圖5 歸一化大注入壽命的線性擬合Fig.5 Linear fitting of normalized large injection lifetime

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)電路設(shè)計(jì)

小電流飽和壓降法是靜態(tài)溫敏電參數(shù)法中準(zhǔn)確度和線性度較高的方法[21]，但其必須要打斷電路原本的運(yùn)行狀態(tài)，不適用于結(jié)溫的在線監(jiān)測(cè)。為了能在不破壞模塊封裝的前提下利用這種方法測(cè)量IGBT的瞬時(shí)結(jié)溫，本文對(duì)雙脈沖實(shí)驗(yàn)加以改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一個(gè)將雙脈沖實(shí)驗(yàn)與小電流飽和壓降法相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)電路，如圖6所示，能同時(shí)獲得溫敏電參數(shù)VEemax和與之對(duì)應(yīng)的IGBT瞬時(shí)結(jié)溫。改進(jìn)雙脈沖實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)主要是增加一個(gè)開(kāi)關(guān)管V1，控制電路在雙脈沖測(cè)試和小電流飽和壓降測(cè)量間切換，實(shí)驗(yàn)時(shí)序如圖7所示。

圖6 改進(jìn)雙脈沖實(shí)驗(yàn)電路Fig.6 Circuit of improved double-pulse experiment

圖7 改進(jìn)雙脈沖實(shí)驗(yàn)時(shí)序Fig.7 Timing sequence of improved double-pulse experiment

實(shí)驗(yàn)基本原理如下。圖6開(kāi)關(guān)管V2為待測(cè)元件,虛線箭頭所示支路與普通雙脈沖電路基本無(wú)異，不再贅述，不同之處在于用開(kāi)關(guān)管V1來(lái)控制切換流經(jīng)待測(cè)元件的電流。電阻R一方面用來(lái)給100 mA電流源續(xù)流，另一方面起到自動(dòng)切換電流支路的作用。二極管D1起到限制電流方向和防止過(guò)流的保護(hù)作用。t0時(shí)刻V1和V2同時(shí)脈沖觸發(fā)，到t1時(shí)刻以前與普通的雙脈沖實(shí)驗(yàn)無(wú)異，用以測(cè)量開(kāi)關(guān)波形；t1時(shí)刻V1管脈沖信號(hào)關(guān)斷；在t2時(shí)刻（幾μs之后）V2脈沖再次觸發(fā)，待測(cè)元件流過(guò)電流切換為100 mA的恒流源，此時(shí)測(cè)量V2的飽和壓降用以計(jì)算結(jié)溫。實(shí)驗(yàn)裝置包括恒流源電路、續(xù)流二極管、空心電感、母線電容、恒溫加熱臺(tái)中央、DSP和驅(qū)動(dòng)電路，如圖8所示。

圖8 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.8 Experimental setup

3.2 結(jié)溫測(cè)量校準(zhǔn)

為了用小電流飽和壓降法獲取結(jié)溫，需要對(duì)其結(jié)溫曲線進(jìn)行校準(zhǔn)。方法如下：將待測(cè)IGBT模塊底部均勻涂上導(dǎo)熱硅脂，安裝在高精度恒溫加熱臺(tái)上（控溫精度：±（1～2）% ℃），設(shè)定加熱臺(tái)初始溫度并對(duì)待測(cè)元件加熱足夠長(zhǎng)時(shí)間，待溫度穩(wěn)定20 min后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，此時(shí)可認(rèn)為結(jié)溫等于殼溫，即設(shè)定的初始溫度。V1管保持關(guān)斷，測(cè)量100 mA時(shí)的IGBT飽和壓降VCEsat，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制曲線如圖9所示。

表1 IGBT結(jié)溫Tj和飽和壓降VCEsat實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Experimental data of IGBT junctiontemperature Tj and saturation voltage drop VCEsat

圖9 IGBT Tj-VCEsat實(shí)驗(yàn)曲線及擬合結(jié)果Fig.9 Experimental curve and fitting result of Tj-VCEsat

擬合的線性相關(guān)程度很高，殘差平方和為4.097 89×10－7，相關(guān)系數(shù) r=0.999 9。擬合得到的關(guān)系式為

可以看出溫度靈敏度為2.4 mV/℃。根據(jù)式（17），通過(guò)測(cè)量飽和壓降VCEsat倒推得到的結(jié)溫Tj作為對(duì)應(yīng)溫敏電參數(shù)VEemax自變量。

3.3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

用高精度恒溫加熱臺(tái)加熱待測(cè)器件至設(shè)定溫度穩(wěn)定20 min后，進(jìn)行不同電流、不同溫度下的改進(jìn)雙脈沖實(shí)驗(yàn)。測(cè)得負(fù)載電流為20 A、溫度為50℃時(shí)IGBT關(guān)斷過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示，對(duì)應(yīng)的飽和壓降波形如圖11所示。為了提高準(zhǔn)確程度，將采集的VCEsat數(shù)據(jù)做統(tǒng)計(jì)處理，取置信度95%內(nèi)的均值。將得到的飽和壓降值代入式（17）計(jì)算得到實(shí)時(shí)結(jié)溫，對(duì)應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表2，其中Tc為模塊殼溫，即加熱臺(tái)設(shè)置的溫度。結(jié)果表明電流越大，結(jié)溫與加熱臺(tái)設(shè)置的溫度差別越大，原因是器件的自熱。

為表示方便，記VEemax=－|VeE|max。對(duì)應(yīng)上述設(shè)置溫度的VEemax實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

根據(jù)表2和表3繪制實(shí)驗(yàn)曲線如圖12所示。

圖10 IL=20A、50℃下IGBT關(guān)斷時(shí)的VeE波形Fig.10 Waveforms of VeE during IGBT turn-off under IL=20 A and 50℃

圖11 IL=20 A、50℃下IGBT關(guān)斷過(guò)程中的飽和壓降波形Fig.11 Waveform of saturation voltage drop during IGBT turn-off under IL=20 A and 50℃

表2 飽和壓降法得到的結(jié)溫TjTab.2 Junction-temperature Tj obtained using the saturation voltage drop method℃

表3 IGBT關(guān)斷時(shí)不同溫度和電流下的VEemax實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.3 Experimental data of VEemax during IGBT turnoff at different temperatures and currents V

圖12 不同電流、峰值電壓VEemax的實(shí)驗(yàn)溫度曲線Fig.12 Experimental curves of temperature vs peak voltage VEemax at different currents

首先驗(yàn)證前文所提式（14）的正確性。

為了獲得雜散電感LeE，將式（1）兩端對(duì)時(shí)間積分，即

根據(jù)式（9）和式（13）可以計(jì)算τ0的大小。模擬計(jì)算的參數(shù)參考值如表4所示。將參數(shù)代入式（14），得到電流10～50 A時(shí)的理論模擬溫度曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，如圖13所示。

從圖13可以看出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論模擬的結(jié)果基本吻合，溫度越高，峰值電壓VEemax越大，VEemax隨電流近似等比例增加，驗(yàn)證了式（14）的正確性。

接著驗(yàn)證所提簡(jiǎn)化模型和算法的正確性。前面提到過(guò)基準(zhǔn)值點(diǎn)（I0，T0，VeEmax（T0））的選取直接決定了外推結(jié)果的好壞，因此有必要推導(dǎo)一個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)選取優(yōu)劣的判據(jù)。

根據(jù)式（14），定義參數(shù) Rmax（Tj）為 dIC/dt在電感LeE上產(chǎn)生最大感應(yīng)電壓的等效溫敏電阻，其量綱為Ω，則有

表4 參數(shù)參考值Tab.4 Reference values of parameters

圖13 實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果比較Fig.13 Comparison between experimental and theoretical results

由式（19）可知，同一溫度下不同電流計(jì)算出的參數(shù)Rmax應(yīng)該相等。因此，以不同電流下計(jì)算出的Rmax的標(biāo)準(zhǔn)差δRmax作為基準(zhǔn)點(diǎn)選取優(yōu)劣的判據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)差越小，選取的點(diǎn)越好。為了給出衡量選取點(diǎn)好壞程度的量化標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)式（19）作線性化處理，得

式中，R0=2LEe/τ0。進(jìn)一步推導(dǎo)可以得到溫度誤差為ΔT時(shí)所對(duì)應(yīng)的參數(shù)百分比誤差ΔRmax（%），即

百分比標(biāo)準(zhǔn)差δRmax（%）的計(jì)算公式為

至此，判斷基準(zhǔn)點(diǎn)選取的好壞就有了具體的標(biāo)準(zhǔn)，即：如果計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差 δRmax（%）最小，那么該點(diǎn)就是誤差最小的數(shù)據(jù)點(diǎn)，也就是最佳參考基準(zhǔn)點(diǎn)，根據(jù)式（15）或式（16）模型所得到的結(jié)果就最優(yōu)。更進(jìn)一步地，該判據(jù)還可以用來(lái)剔除誤差較大的數(shù)據(jù)點(diǎn)。

根據(jù)式（19）、式（21）和式（22），計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)選取的判據(jù)如表5所示。

表5 基準(zhǔn)點(diǎn)選取判據(jù)（IL=10～50 A）Tab.5 Selection criterions for reference points（IL=10～50 A）

由表中可以看出，Tc=65℃時(shí)的百分比標(biāo)準(zhǔn)差δRmax（%）1.129最小，由此計(jì)算得到溫度誤差不超過(guò)2.610℃，故此為所得數(shù)據(jù)中的最佳基準(zhǔn)點(diǎn)。

以表2和表3中的第3行為參考基準(zhǔn)值，用簡(jiǎn)化模型式（16）得到的外推計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖14所示?？梢钥吹接煤?jiǎn)化公式外推計(jì)算的結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果比較接近，初步驗(yàn)證了所提模型和算法的正確性。

圖14 外推計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比1Fig.14 Comparison between extrapolation calculations and experimental results （Case 1）

為驗(yàn)證算法和實(shí)驗(yàn)的實(shí)用性，在Ee兩端并聯(lián)一個(gè)nH小電感以減小寄生電感LeE，再次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表6和表7所示。根據(jù)判據(jù)表7，選取誤差最小的第2行作為參考基準(zhǔn)值，溫度誤差不超過(guò)1.352℃。將數(shù)據(jù)代入式（16）可得到外推計(jì)算和實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比，如圖15所示。

表6 改變電感后IGBT關(guān)斷時(shí)不同溫度和電流下的VEemax實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.6 Experimental data of VEemax during IGBT turnoff at different temperatures and currents（after changing the inductance）V

表7 改變電感后基準(zhǔn)點(diǎn)選取判據(jù)（IL=10～50 A）Tab.7 Selection criterions for reference points after changing the inductance（IL=10～50 A）

此次計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的重合度更好，主要原因是分布電感減小后，由電感引起的干擾減小，感應(yīng)電壓的幅值和擾動(dòng)減小，對(duì)應(yīng)的δRmax（%）更小，所選的基準(zhǔn)點(diǎn)更好，因而計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)的吻合程度更高。對(duì)比結(jié)果再次驗(yàn)證了所提模型和算法的正確性和實(shí)用性。

通過(guò)上述過(guò)程可知，在實(shí)際使用時(shí)，式（16）將會(huì)帶來(lái)極大方便，只需測(cè)量幾組數(shù)據(jù)，并依照判據(jù)表選擇合適的基準(zhǔn)值，即可外推得到任意電流和溫敏參數(shù)對(duì)應(yīng)的溫度，并且準(zhǔn)確程度較高。該算法不僅可以大大簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)的校準(zhǔn)工作量，還可以減少寄生參數(shù)和大注入壽命測(cè)量不準(zhǔn)確及其他不確定因素帶來(lái)的干擾，適用于工程應(yīng)用和推廣。

圖15 外推計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比2Fig.15 Comparison between extrapolation calculations and experimental results （Case 2）

4 結(jié)語(yǔ)

器件的結(jié)溫狀況是進(jìn)行電力電子器件可靠性分析的一個(gè)重要依據(jù)，利用溫敏電參數(shù)在線提取結(jié)溫是當(dāng)下的熱點(diǎn)。本文從IGBT模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)出發(fā)，依據(jù)半導(dǎo)體物理原理分析推導(dǎo)了IGBT關(guān)斷時(shí)的雜散電感電壓和結(jié)溫的數(shù)學(xué)關(guān)系，并進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到不需要提取寄生電感和大注入壽命參數(shù)的結(jié)溫測(cè)量模型。推導(dǎo)出了最優(yōu)基準(zhǔn)點(diǎn)判據(jù)公式，提出的基準(zhǔn)點(diǎn)外推算法在大大降低溫度曲線校準(zhǔn)復(fù)雜度的同時(shí)保證了其準(zhǔn)確度。設(shè)計(jì)利用小電流飽和壓降法測(cè)量器件動(dòng)態(tài)結(jié)溫的改進(jìn)雙脈沖實(shí)驗(yàn),對(duì)所提算法模型進(jìn)行了驗(yàn)證，所提改進(jìn)方法具有破壞性小、簡(jiǎn)便實(shí)用和集成性好的特點(diǎn)。該實(shí)驗(yàn)及算法尚未考慮器件老化對(duì)結(jié)溫測(cè)量的影響，其影響程度有待進(jìn)一步研究。