基于曲线拟合及Matlab实现IGBT结温测量
IGBT模块热网络模型及电路仿真应用
IGBT模块热网络模型及电路仿真应用IGBT芯片在模块内工作时面临高压大电流环境，每个芯片因位置差异导致其温度各不相同，因此直接精准测量每个芯片的结温基本上是不可能的。
通常使用建立IGBT模块简化模型的方法，通过计算、仿真等方法得到IGBT模块内部芯片的等效结温，称为虚拟结温，用标志Tvj来表示。
广义上来说，谈到IGBT模块结温的时候，大部分情况下其实都是在说虚拟结温Tvj。
图1 IGBT模块内部结构IGBT模块的真实热传导路径应当是三维的，热量从芯片发出，通过横向（X，Y）和纵向（Z）路径传导。
由于模块内部结构复杂，所以模块内每一层材料上不同点的温度不一定相同，热传导形成的等温面可能是不规则的曲面（如图2）。
图2 IGBT模块内部传热路径和等温面半导体器件厂商为了量化半导体器件内部的虚拟结温Tvj，提出了一维分层热结构模型的方法。
该方法基于以下假设：(1)IGBT模块内部的传热路径简化为从内部芯片到外部基板的一维路线热结构模型（实际上其它路径的传热量的确远小于该路径）；(2)热结构模型体现的是模块内部等温面的分布，而不是对IGBT 模块内部物理结构的简单等效。
一、用电路理论分析热模型1.Cauer热网络模型将物体内部按材料进行分层，每一层都有其对应的热阻、热容，这种基于物体内部不同材料的真实物理特性建立的热网络模型叫做Cauer网络模型。
Cauer热网络模型可以用电路模型来等效。
模块外部的导热材料和散热器模型也可以一并加入热网络模型。
热源（W）可以对应电流源（A），热阻（K/W）可以对应电阻（Ω），热容（J/K）可以对应电容（F），温度（K）可以对应电压（V）。
有了这样的对应关系，即可将热模型转化为电路模型。
如图3所示，即为Cauer热网络模型转化成电路模型的情况。
图3 Cauer热网络模型转为电路模型通过电路仿真软件，将模块工作时的损耗用数学模型表示成电流，输入等效电路模型，监测各层的电路节点电压，即可得到各层的仿真温度。
基于MATLAB和PLECS联合仿真的轨道交通用IGBT器件结温计算
基于MATLAB和PLECS联合仿真的轨道交通用IGBT器件结温计算摘要：利用MATLAB和PLECS联合仿真方法，搭建了三相逆变器电热网络模型，实现了IGBT实时结温仿真。
通过温升试验数据对仿真结果进行了验证，仿真得到环境温度与IGBT结温之间的关系，表明IGBT结温波动受环境温度波动和IGBT器件开关损耗波动的共同作用。
该方法可为轨道交通用IGBT器件寿命预测提供结壳温度载荷变化的数据来源。
关键词：MATLAB ； PLECS；IGBT ；结温；电热网络模型中图分类号：TN386.2Simulation of IGBT Junction Temperature in Rail TransitBased on MATLAB and PLECSYe Na1，Li Ping1，Li shourong1，Wang zhiqiang1(Technical Center, CRRC YongJi Electric CO., LTD., Yongji, ShanXi 710048;)Abstract: A electric-thermal model of three-phase converter for CRH5 EMU is built based on MATLAB and PLECS, which can realize thereal-time simulation of IGBT junction temperature . The simulation results are validated temperature rise test data. The relationship between the change of ambient temperature and change of junction temperature of IGBT are study, and change of junction temperature is influenced by the change of ambient temperature and loss change ofIGBT during switch to ambient temperature. The proposed method canprovide data sources of IGBT junction temperature for lifetime prediction.Keywords：MATLAB PLECSIGBT, Junction Temperature, Electric-thermal modelFoundation Project：Supported by Shanxi Provincial Department of Science and Technology Unveiled Project（No.20201101017）1引言基金项目：山西省科学技术厅揭榜项目(20201101017)定稿日期：2022-05-09作者简介：叶娜（1986年），女，硕士，IGBT器件测试及应用IGBT器件在应用中60%的失效是由温度变化引起，在正常工作温度范围内，温度每上升10K，器件失效率以近2倍的速率上升【1】。
MATLAB在IGBT结温数据处理中的应用
曲线拟合是用连续曲线近似地刻画或比拟平面的 离散点得出函数关系的一种数据处理方法。利用微机 的数据处理能力， 采用软件方法实现曲线拟合能圆满 地解决上述问题， 以实现高精度测试的目的。本文提 出了在 ＩＢ 结温测试仪的研制过程中用软件方法提 ＧＴ 高测试精度的方法， 在此基础上实现了提高有关仪器 仪表测试精度的目的。
的精度由 相关系数ｑ 及剩余标准差 ５ 表示； 而误差点 和极点可由 剩余标准差 ５ 判定。定义相关系数 ｑ 和剩
余标准差 ５ 分别为： ＿＿＾２： Ｑ ＿ ／一 万 一 甘 一 １
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河南省教育厅 自然科学研究项目 编号二 巧 １１ Ｘ ） （ ２ １ ５） 。 侧 ５ 《５ 修改稿收到 日期：Ｘ １ 一 。 ２ 拓一 《 ３ ２ 第一作者辛伊波， １ ６ 男， 年生， ９ 年毕业于武汉理工大学自动化 ５ ９ １３ ９ 系， 获硕士学位， 教授； 主要研究方向为电力电子技术与应用。
ｏ ｐ ｃ ｅ ｅｉａ ｄ ｍ ｅ ｕ ｏ ｃｍ ｅｔａｄ ａ ｂ ｕｅ ｎｖ ｏｓ ａ ｓ ｆｅ ｐｒｌ ｍ ａ ｍ ｎ ｄ ｒ ｉｌ ｓｍ ｔ ｔ ｐｒ ｒ ｆ ｏ 即ｎｎ ｎ ｃ ｅ ｓ ｅ ｓｙ ｔ ｅ ｅ ａ ｅ ｔ ｓ ｎ ｄｉ ａ ｕ ｃｓ ｏｔ ｅ ｔ ｅｓ ｅｔ ｉ ｒ ｅ ｍ ａｌ ｅ ｒ ｅ ｒ ｕ ． Ｋ ｙ ｏｄ ： Ｇ Ｔ ｕｃｏ ｔ ｐｒｌ Ａ ｔ ｍ ａ ｄ ａ Ｐｌ ｏ ｉ ｆ ｉ ｅｗ ｒ ＩＢ ｊ ｔｎ ｅ ｅ ｔ ｓ ｎ ｉ ｍ ａ１ ｅ ｒ ｃ ａ ｅｓ ｄｔ Ｏ ｙ ｍａｉ ｎ ｕ ｌ ｅ ｒ ｕ ａ ｎ ｌ ｔｇ
０ 引言
ＧＴ ＩＢ 具有高通态电流密度、 低驱动功率， 以及栅
基于热敏感电参数法的IGBT模块结温检测
基于热敏感电参数法的IGBT模块结温检测马汉卿【摘要】IGBT(绝缘栅双极型晶体管)在电力系统、交通、军工、航天等诸多领域得到广泛应用,其可靠性关乎整个系统的稳定,而模块的结温是IGBT可靠性研究中至关重要的一环.但在实际工作电路中,其芯片封装在IGBT内部,要实现结温的实时检测非常困难.在此条件下,综合考虑各结温测量方法的可行性及测量的准确性后,选取饱和压降作为热敏感电参数来预测结温.利用饱和压降测试平台提取所需热敏感电参数,然后结合试验数据建立了基于误差反向传播算法的IGBT模块结温预测神经网络模型,构建热敏感电参数与结温的映射关系.避开IGBT模块的物理结构,实现了对IGBT在实际工况条件下结温的准确预测.【期刊名称】《浙江电力》【年(卷),期】2019(038)004【总页数】7页(P13-19)【关键词】IGBT;结温检测;神经网络;热敏感电参数;饱和压降【作者】马汉卿【作者单位】西安工程大学电子信息学院, 西安 710048【正文语种】中文【中图分类】TN323.4;TN386.20 引言IGBT（绝缘栅双极型晶体管）是由MOSFET（金属半场效晶体管）和双极型晶体管复合而成的一种器件。
由于具有低饱和压降、低驱动功率及高频开关能力，IGBT 模块在电能变换与控制过程领域充当着“基石”的角色，广泛用于许多电力电子设备中。
然而相关研究显示，在各类失效因素中由温度诱发的功率器件故障可达55%。
在正常工作温度范围内，温度每上升10 ℃，器件失效概率以近2 倍的速率上升[1]。
IGBT 的主要失效原因可以分成3 种：与产品结构有关的因素，与外部应力有关的因素以及与外电路工作环境有关的因素。
IGBT 模块基板多采用铜制成，衬底则由绝缘陶瓷及其附着的铜制成，称为DBC 板。
最重要的芯片则通过铝线与模块的发射极连接。
不同的材料具有不同的导热性，其热膨胀系数也不尽相同，工作中长期的热循环会对键合线、焊料层等部位产生冲击，存在键合线脱落、断裂以及焊料层开裂的风险。
基于热敏参数的IGBT模块结温工程测试方法
• 99•IGBT器件因为其优良的工作特性而被广泛应用于新能源电机控制器领域，但由于开关损耗比较大以及工作环境的影响，一定会带来散热问题，从而引起结温升高。
由于IGBT电特性与可靠性等都与其工作结温直接相关，结温过高可能会引起IGBT失效，因此准确获取结温对于IGBT的工作性能和可靠性都具有重要意义。
本文基于常用的结温测试方法，总结出一种简单可行并相对准确的热敏参数工程测试方法。
1 常用的结温测试方法因为IGBT芯片在模块内部，难以直接测量，也不易直接接触，国内外关于IGBT芯片的结温测试方法有很多研究，这也是近年来半导体器件的研究热点与难点之一。
现有的IGBT模块内部芯片的结温检测技术可大致分为如下三种方法：热敏参数法、热成像法和热电偶法。
1.1 热敏参数法因为半导体器件内部物理参数与温度有着一一对应的关系，因此半导体材料受温度影响的特性将会使得IGBT功率器件的工作电气特性呈现单调变化的趋势，热敏参数法就是利用了半导体器件电气参数随温度变化而变化的特性。
在不同的工况下，IGBT芯片的结温会发生变化，使得对应的电气参数也发生变化。
热敏参数法就是通过测量IGBT的电气参数，从而逆向评估IGBT芯片的结温。
热敏参数法测试IGBT结温时，一般有两个状态：工作状态和测量状态。
测试过程中，将IGBT从工作状态向测量状态切换时，需要成像仪测试之前，需要将待测IGBT做特殊处理。
将IGBT模块的封装盖板打开，刮掉晶圆表面的透明硅脂；然后需要将IGBT晶圆表面涂黑，因为这样可以增加辐射系数，从而提高温度测试的准确度。
热成像法的优点是最高结温和热阻非常准确，可用于校验其他测试方法的准确性。
但是需要破坏器件，将IGBT模块拆开，特制IGBT黑模块，热成像法测试系统比较复杂，而且成本昂贵，在工程应用中并不多见。
1.3 热电偶法热电偶法是通过直接与IGBT模块的芯片接触而获取结温的方法。
热电偶法测量时对模块具有一定的破坏性，测量温度仅能反应热电偶附近的温度，不能获取整个IGBT芯片的温度，而且热电偶与芯片直接接触，也会导致测量结果与真实结温偏差较大。
电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法[发明专利]
![电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/641e690242323968011ca300a6c30c225801f04d.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201811459039.4(22)申请日 2018.11.30(71)申请人 上海大郡动力控制技术有限公司地址 201114 上海市闵行区浦江镇新骏环路188号1号楼(72)发明人 陈双 王双全 黄洪剑 (74)专利代理机构 上海天协和诚知识产权代理事务所 31216代理人 沈国良(51)Int.Cl.G06F 17/17(2006.01)G01N 25/20(2006.01)G01R 31/26(2014.01)G01K 7/22(2006.01)(54)发明名称电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法(57)摘要本发明公开了一种电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法，本方法根据在一定温度范围内，IGBT的饱和压降与结温之间存在着可近似视为线性的关系，利用饱和压降与温度的关系间接得到结温，从而根据结温和热敏电阻测量得到的温度的对应关系，得出从IGBT基板到IGBT芯片的瞬态热阻抗曲线，然后通过曲线拟合得到IGBT 瞬态热阻抗数学模型，通过该模型计算得IGBT瞬时结温。
本方法克服传统IGBT结温估算的缺陷，根据实际试验数据建立IGBT的瞬态热阻模型，提高模型参数的精度，其结温估算简单，便于实现，计算量小，降低元器件成本，且估算误差小，提高了电机控制器的最大输出能力及安全性。
权利要求书2页 说明书5页 附图3页CN 109597966 A 2019.04.09C N 109597966A1.一种电机控制器中功率元件IGBT结温的估算方法，其特征在于本方法包括如下步骤：步骤一、IGBT结温T j与饱和压降Vce的关系曲线提取，电流源经二极管提供IGBT电流，IGBT的基极与集电极短接，通过电压测量设备测量IGBT的饱和压降V ce，IGBT放置在温控箱内，通过调节温控箱的温度给IGBT加热，同时记录不同温度下对应的饱和压降V ce，拟合成一条直线：T j＝k×V ce+b (1)其中，k和b分别为直线的斜率和截距；步骤二、IGBT瞬态热阻抗曲线的提取，采用小电流源和大电流源分别经二极管提供IGBT电流，其中大电流源的输出电流为远大于小电流源的某一恒定值，IGBT的基极和集电极短接，通过电压测量设备测量IGBT的饱和压降V ce；将待测IGBT固定于设有热敏电阻的散热器并放置于系统冷却水道上，开通大电流源和小电流源，并维持一段时间待IGBT结温达到稳定，记录此时的IGBT电流I和饱和压降V ce，并计算得到此时IGBT的损耗功率P loss＝I×V ce；断开大电流源，让IGBT结温自然降低至稳定状态，同时用电压测量设备记录此过程中的饱和压降V ce和热敏电阻测量得到的温度T ntc，此时，采用式(1)中已测得的结温T j与饱和压降V ce的关系曲线和实际测到的饱和压降V ce值推算出此过程中的结温T j的曲线，通过下式：推算出IGBT的瞬态热阻抗曲线Z j-ntc；步骤三、IGBT瞬态热阻抗数学模型的建立，该模型的等效电路由四组并联的等效热阻和等效热容串联而成，IGBT结温T j时的损耗功率P(t)经等效电路后温度为热敏电阻测量到的温度T ntc，然后降低至环境温度T a，单组并联的等效热阻和等效热容的瞬态热阻抗数学表达式为：则总的瞬态热阻抗数学表达式为各串联部分的总和：其中，τi＝R i C i，R i为等效热阻值，C i为等效热容值，i＝1,2,3,4；根据式(2)的IGBT的瞬态热阻抗曲线和式(4)的瞬态热阻抗数学表达式，采用曲线拟合工具，得到瞬态热阻抗数学模型中各等效热阻R i和等效热容C i的数值；根据瞬态热阻抗等效电路，推导出瞬态热阻抗数学模型的传递函数：其中，ΔT j为IGBT结温的变化量，P为IGBT损耗功率，s为传递函数中的拉普拉斯算子；步骤四、IGBT损耗功率的计算，IGBT的损耗功率分为两部分，通态损耗P cond和开关损耗P sw，其中开关损耗分为开通损耗P sw_on和关断损耗P sw_off，则IGBT的损耗功率为：P＝P cond+P sw_on+P sw_off (6)在一个PWM周期内，平均通态损耗P cond的计算公式如下：P cond＝I c×V ce×D (7)其中，I c是流过IGBT集电极的电流，通过电流传感器实时测量得到，V ce是IGBT的饱和压降，通过IGBT数据手册得到，D是IGBT的PWM驱动占空比；在一个PWM周期内，平均开关损耗P sw的计算公式如下：P sw＝f pwm×(E on+E off)×V dc/V dc_norm (8)其中，f pwm为PWM的频率，E on和E off为开通能量损耗和关断能量损耗，通过IGBT数据手册得到，V dc为实际中母线电压，V dc_norm为IGBT数据手册中E on和E off的测试电压；步骤五、IGBT的结温估算，其计算公式如下：T j＝ΔT j+T ntc (9)其中，T ntc为采用热敏电阻测量得到的温度，ΔT j通过式(5)变换得到：其中，R i和τi在步骤三中通过曲线拟合工具得到，从而得到IGBT瞬时结温T j。
IGBT模块结温的计算
科技资讯2017 NO.07SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION动力与电气工程49科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 对于IGBT模块的电压V CE 电流I C 随着外部母线电压的改变发生变化的分析是目前研究其失效原因的工作之一。
尤其对于牵引变流器而言，IGBT模块的母线电压确实因为工作条件变化而改变，所以其中IGBT模块器件有一定的概率发生由于电压V C E 、电流I C 改变而发生故障[1]。
对于IGBT器件如果单一分析其电压和电流是比较片面的，二者共同作用在器件上通过损耗表现出来，所以分析IGBT器件的损耗以及由于损耗带来的结温变化能够很好分析出IGBT器件的电压V CE 和电流I C 变化情况[2]。
该文以一种具体型号的IGBT器件为目标对其结温进行了如下计算:1 IGBT 结温计算以IRGP20B120UD-E型号IGBT为例当其正常工作(初始条件 j T =125,℃GE V =15V )时结温计算。
表1为IRGP20B120UD-E的部分参数。
根据以上参数表，在 j T =125,℃GE V =15V初始条件下，IGBT 模块的工作电流为20A，工作选取基准频率为20kHz，D T =0.5，D F =0.5。
根据图1，当V G E =15V时，0 2.5V =V，0.58x R =根据公式(1)，(2)：201]2t igbt T M M P D V I R-=+ (1)201]2t diode F M M P D V I R -=+ (2)可得: 36.9t igbt P -=,36.9t diode W P -=W;当I C =20A，V CE =600V时， 1.2on E m =mJ ,0.4off J E m =mJ,经过查IRGP20B120UD-E参数表可知，此时 2.1rr E =mJ。
一种评估分析IGBT瞬态结温的方法
• 18•一种评估分析IGBT瞬态结温的方法西安特锐德智能充电科技有限公司储能事业部 李嘉琨 糜晓宇 胡 煜【摘要】为了满足电网并网导则的要求，风能变流器等产品中需设计能量泄放单元，以实现故障穿越时，正常运行。
泄放单元IGBT的安全性评估的重要依据是结温，本文分析了泄放单元选型设计及IGBT热阻模型，给出了一种评估IGBT瞬态结温的方法。
【关键词】IGBT；瞬态结温；PSIM仿真A method of IGBT transient junction temperature estimation and analysisAbstract ：In order to fulfil the grid code ，the wind power converter designed the energy release unit ，which could protect safety of the converter when the FRT operation process.The key point of the energy release unit is IGBT ，its junction temperature is the most important criterion of the safety estimation and analysis.The article presents a method of IGBT transient junction temperature estimation ，and relative simulation to reveal its process.Key words ：IGBT ；transient temperature ；PSIM simulation1 问题的提出近年来，风能变流器、光伏逆变器等新能源产品接入电网的数量增速明显。
风能具有间歇性、波动性的特征，加上相当一部分地区电网能力弱，负载波动对电网正常运行影响大。
一种基于变流器工况特定开通时刻下米勒平台的IGBT结温监测方法
第27卷㊀第8期2023年8月㊀电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报Electri c ㊀Machines ㊀and ㊀Control㊀Vol.27No.8Aug.2023㊀㊀㊀㊀㊀㊀一种基于变流器工况特定开通时刻下米勒平台的IGBT 结温监测方法杨宁1,2,㊀刘伟志1,2,㊀张林林3,㊀廖永康3,㊀葛兴来3(1.中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所,北京100081;2.北京纵横机电科技有限公司,北京100094;3.西南交通大学电气工程学院,四川成都610031)摘㊀要:绝缘栅双极晶体管(IGBT )作为功率变流器的核心部件,监测其结温对于确保变流器的安全可靠运行具有重要的意义㊂依据电气参数的温敏特性,提出一种基于变流器特定开通时刻下米勒平台的IGBT 结温监测方法,该方法可有效避免变流器运行工况对结温监测的影响㊂首先,分析了栅射极电压的充电过程,从理论上对特定开通时刻下米勒平台与结温的内在关系进行了阐述㊂其次,搭建小功率整流器实验平台,对不同温度下的米勒平台进行拟合,从而建立米勒平台与温度的映射关系,同时改变工况条件后对所提方法进行了验证;最后,对所提温敏参数影响因素进行了分析,理论与实验表明,该特征参数线性度较好,且不受工况的影响,可在变流器实际工况下实现IGBT 结温的精准监测㊂关键词:绝缘栅双极晶体管;变流器;温敏参数;栅射极电压;米勒平台;结温监测DOI :10.15938/j.emc.2023.08.005中图分类号:TM46文献标志码:A文章编号:1007-449X(2023)08-0046-08㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀收稿日期:2022-09-26基金项目:国家重点实验室开放基金(2020YJ220/2051ZDM002);高铁联合基金重点项目(U1934204)作者简介:杨㊀宁(1983 ),男,博士,副研究员,研究方向为牵引传动控制和黏着控制;刘伟志(1970 ),男,硕士,研究员,研究方向为轨道交通牵引及辅助系统;张林林(1998 ),男,硕士,研究方向为功率器件的可靠性;廖永康(1997 ),男,硕士,研究方向为功率器件的建模;葛兴来(1979 ),男,博士,教授,研究方向为电力牵引系统可靠性分析㊁稳定性分析㊁故障预测㊁诊断及容错控制㊂通信作者:刘伟志IGBT junction temperature monitoring method based on Miller platform at specific opening time of converter working conditionYANG Ning 1,2,㊀LIU Weizhi 1,2,㊀ZHANG Linlin 3,㊀LIAO Yongkang 3,㊀GE Xinglai 3(1.Locomotive &Car Research Institute,China Academy of Railway Sciences Corporation Limited,Beijing 100081,China;2.Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Co.,Ltd.,Beijing 100094,China;3.School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China)Abstract :Insulated gate bipolar transistor (IGBT)is the core component of power converter.Monitoring its junction temperature is of great significance to ensure the safe and reliable operation of the converter.According to the temperature sensitive characteristics of electrical parameters,this paper presents an IG-BT junction temperature monitoring method based on miller platform at a specific opening time of convert-er,which can effectively avoid the influence of converter operating conditions on junction temperature monitoring.Firstly,the charging process of grid emitter voltage was analyzed,and the internal relation-ship between miller platform and junction temperature at specific conduction time was described theoreti-cally.Secondly,the experimental platform of low-power rectifier was built to fit the miller platform at dif-ferent temperatures,so as to establish the mapping relationship between miller platform and temperature. At the same time,the proposed method was verified after changing the working conditions.Finally,the influencing factors of the proposed temperature sensitive parameters are analyzed.The theory and experi-ment show that the characteristic parameters have good linearity and are not affected by the working con-ditions,which can be used in the actual operation of the converter.Keywords:insulated gate bipolar transistor;converter;temperature sensitive parameter;gate emitter voltage;miller platform;junction temperature estimation0㊀引㊀言作为功率变流器中能量变换与传输的核心部件,绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar tran-sistor,IGBT)凭借其高耐压㊁低导通压降以及高开关速率的性能在轨道交通㊁新能源发电以及航天领域有着广泛的应用[1-3]㊂随着上述行业的快速发展, IGBT所需的功率等级逐渐提升,器件封装趋于紧凑,使得IGBT的温升显著,IGBT模块的失效率明显增大㊂统计表明,由温度引起的功率模块失效占比高达55%[4],因此,IGBT结温监测对于评估器件运行状况与剩余寿命㊁实施主动热管理具有重要的意义[5-7]㊂由于IGBT芯片封装于模块内部,其结温难以直接测量,因此实际工况下的IGBT结温监测一直是研究难点㊂当前常用的IGBT结温监测方法主要有物理接触法㊁红外热成像法㊁热网络模型法以及温敏参数法[8-11]㊂前两种方法需要对IGBT模块进行开封,且需要特定的设备,因此在实际中难以推广㊂热网络模型法需要进行复杂的数学计算,且该方法的准确度依赖于模型精确度,而模型建立所需的器件参数不易获取,同时会受到模块老化的影响㊂温敏参数法则是基于外部电参数与结温的关系[12-13],通过对电参数的监测去推导IGBT芯片的结温,该方法响应速度快,无需对模块进行开封,不需要复杂的模型推导,且部分温敏参数不受老化影响,因此温敏参数法在实际中得到了较好的应用㊂目前很多的温敏参数已经用于监测结温,与IGBT功率回路相关的参数主要有导通饱和压降V CE-ON[14]㊁短路电流I SC[15]㊁关断最大电流变化率d i c/d t[16]以及关断电压变化率d V/d t[17]等㊂V CE-ON 在小电流下与结温有较好的线性度,但在变流器实际运行中无法实现对小电流饱和压降的测量,而大电流饱和压降存在非线性问题,此外测量饱和压降需要专用的测量电路,以隔离母线电压的影响㊂短路电流I SC与结温的灵敏度较高,但需要改变变流器的PWM信号并向变流器注入短路电流,存在安全隐患且同样需要设计特定的驱动电路㊂关断电流变化率d i c/d t可通过测量开尔文与功率发射极之间的电压V eE间接获取,进而对结温进行监测,但V eE数值较小,且同时与负载电流㊁母线电压等因素有关㊂而关断电压变化率d V/d t同样受到负载电流㊁母线电压的影响,因此实际应用存在困难㊂相比之下,与IGBT栅极回路相关的温敏参数测量更加方便与稳定,主要有阈值电压V ge-th[18]㊁栅极电流最大值I g-pek[19]以及米勒平台高度V ml[20]㊂其中阈值电压V ge-th与温度具有良好的线性关系,但一般需要在特定电流下进行采集,导致实际应用困难㊂栅极电流峰值I g-pek不受变流器运行工况的影响,与结温线性度较高,但随温度变化的数值较低㊂米勒平台V ml的灵敏度较高,但还与负载电流和器件老化有关,为保证监测结果可靠,因此实际应用中需在特定电流下进行㊂综上所示,已有的温敏参数通常受到负载电流㊁母线电压等多种因素的耦合影响,部分温敏参数与运行工况无关,但会存在结温监测灵敏度较低的问题㊂因此,本文提出了一种基于变流器特定开通时刻下米勒平台的IGBT结温监测方法,该方法通过在IGBT反并联二极管导通时对栅射极电压进行采集,获取特定时刻下的米勒平台高度V ml对结温进行监测,可有效避免负载电流㊁母线电压等因素对结温监测的影响㊂本文首先对变流器的通流模式进行分析,指明文中所提特定开通时刻的物理含义㊂其次,理论分析在该开通时刻下IGBT栅极回路的充电过程,分析该过程中IGBT米勒平台V ml与结温T j的物理联系㊂进一步,搭建小功率整流器实验平台获取不同测试条件下的实测数据,进而建立IGBT结温与V ml 间的映射关系,之后,改变负载工况对建立的映射关系进行验证㊂最后,对所提温敏特征参数的影响因74第8期杨㊀宁等:一种基于变流器工况特定开通时刻下米勒平台的IGBT结温监测方法素进行分析㊂理论与实验表明,本文所提特定开通时刻下IGBT 米勒平台与结温的线性度较好,不受运行工况的影响,且可在变流器运行条件下实现精准的IGBT 结温监测㊂1㊀特定开通时刻下米勒平台监测结温的原理1.1㊀变流器通流模式分析在变流器拓扑中,一个桥臂通常由2个IGBT 模块及其反并联二极管组成,由于负载电流I L 有流入或流出这两种流通方向,从而桥臂在换流时有两种通流模式㊂为了便于分析,定义桥臂开关信号S 为:S =1,T 1或D 1导通;0,T 2或D 2导通㊂{(1)当开关信号S 为1时,只有上管IGBT 和二极管可以进行通流,当电流I L 流出桥臂时,电流通过上管IGBT,而当电流I L 流入桥臂时,电流只能通过上管二极管进行续流,如图1(a)所示;同理,当开关信号S 为0时,只有下管IGBT 和二极管可以进行通流,其流通路径与电流方向如图1(b)所示㊂图1㊀不同负载电流方向下的换流模式Fig.1㊀Converter mode in different load currentdirections而在变流器控制运行中,当开关信号S 为1时,无论电流方向如何,上管IGBT 模块的栅射极两端都会施加正电压;当S 为0时,下管IGBT 模块栅射极两端会施加正压㊂分析可知,这一控制方式会出现IGBT 栅射极被施加正电压,但负载电流流经IG-BT 模块反并联二极管的特定情况㊂在这种特定开通时刻下的IGBT 栅射极电压不受运行工况的影响,因此可作为良好的温敏特征参数㊂考虑实际工况下变流器桥臂上下模块的驱动控制信号存在死区时间的情况,图2显示了开关信号S 从1变为0阶段中,上管与下管IGBT 栅射极电压的实测波形,如图2所示,上管V ge 降到低电平后,经过3μs 后,下管V ge 才开始上升至高电平㊂图2㊀桥臂换流过程中的死区时间Fig.2㊀Dead time during bridge arm commutation1.2㊀特定开通时刻下的米勒平台分析由上节分析,在特定开通时刻下IGBT 模块栅射极驱动电压变为高电平V g(on)时,其反并联二极管已经导通,负载电流经并联二极管续流,因此,IGBT 集射极电压V ce 为二极管正向导通压降的负值,此时发射极电压高于集电极电压,在这种状态下IGBT 无法通过电流㊂为研究此开通过程中米勒平台与结温间的内在联系,如实测栅射极电压V ge 波形如图3所示,本文将此开通过程中的栅射极电压V ge 分为3个阶段进行分析㊂图3㊀V ge 充电过程Fig.3㊀V ge charging process[t 0-t 1]阶段:在t 0时刻,驱动电源电压变为高电平从而出现栅极电流,此阶段栅极电流可以看做84电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀给栅射极电容C ge 与栅集极电容C gc 充电㊂V ge 的变化趋势可以表示为V ge (t )=V g(on)+(V g(off)-V g(on))e-t-t 0R g C ies㊂(2)式中:R g 为栅极驱动电阻与栅极内阻的总值;C ies 为C ge 与C gc 的总值㊂在此阶段中,当V ge 达到平带电压V p 后,C ge 减小导致栅极电流给电容充电速率加快,从而V ge 的上升斜率变大㊂[t 1-t 2]阶段:在t 1时刻,V ge 上升至米勒平台电压V ml ,V ge 由于负反馈作用维持在米勒平台V ml ㊂下面详细分析此特定开通时刻下米勒平台的实际物理含义,为进行说明,图4显示了IGBT 的芯片结构㊂由于导电沟道完全贯穿,因此图中IGBT 处于线性工作模式,进而有I C =Zu n C oxL CH((V ge -V th )(V ge -V th ))㊂(3)式中:Z 表示垂直于纸面方向的芯片尺寸;u n 表示沟道中的电子迁移率;C ox 表示栅极氧化层电容;L CH 表示沟道长度;V th 表示阈值电压;I C 表示集电极电流㊂图4㊀IGBT 结构图Fig.4㊀IGBT structure diagram如图4所示,假设栅射极电压V ge 在驱动电源电压的作用下增大ΔV ge 后,MOSFET 的沟道电流也随之增大,这部分电流从IGBT 发射极流向IGBT 集电极对电容C dep2进行充电,造成电容C dep2两端电压增加,而由于发射极与集电极电压V ce 恒定为二极管导通压降V D ,因此会导致E 1点的电势升高,而E 2点的电势等于集电极电势,所以电容C ox1的电压E 2-E 1会降低,即V ge 会由于负反馈的作用降低并且维持在V ml 平台附近㊂而特定开通时刻下IGBT 芯片不会流过电流,即I C 为0,因此由式(3)可知此时V ml 的电压应近似等于阈值电压V th ,而该参数已被证明不受变流器运行工况的影响,且与器件结温存在良好的线性关系[21]㊂[t 2-t 3]阶段:栅极电流继续给C gc 和C ge 进行充电,直到V ge 到达驱动电压最大值,V ge 可以表示为V ge (t )=V g(on)+(V ml -V g(on))e -t-t 2R g (C ge +C gc )㊂(4)影响V ge 曲线的2个IGBT 寄生电容C ge 与C gc 主要由耗尽层电容C dep 与氧化层电容C ox 组成,其分布情况如图4所示,图中C ge 主要由C dep1和C ox1串联而成,而C gc 主要由C ox2与C dep2组成㊂由于在本文所提及的特定条件下,IGBT 集射极V ce 为负压,所以会导致靠近集电极的PN 结反偏,形成耗尽层电容C dep2㊂1.3㊀结温对阈值电压的影响由上述分析可知,在特定开通时刻下,V ml 就等于阈值电压,而阈值电压是一个很好的温敏参数㊂阈值电压定义的是栅射极电压增加到栅极下方形成强反型层的电压,根据半导体知识可知阈值电压V th 可以表示为V th =2φB +4εs qN A φBC ox㊂(5)式中:φB 为表面势能;εs 表示材料的相对介电常数;N A 为掺杂浓度;C ox 为栅极氧化电容㊂其中φB 可以表示为φB =KT j q ln NA n i()㊂(6)式中:K 为玻尔兹曼常数;T j 为结温;n i 为本征载流子浓度㊂其中n i 可以表示为n i =CT 1.5j e-E g /2KT j㊂(7)式中:E g 为禁带宽度;C 为比例常数㊂在V th 的表达式中,只有φB 与结温有关,进而d V th /d T j 可以表示为[21]d V th d T j =k ln(N A /C )q 2+1C ox εs qN A E g /2q()㊂(8)而上式可以近似认为是一个与温度无关的常94第8期杨㊀宁等:一种基于变流器工况特定开通时刻下米勒平台的IGBT 结温监测方法数,即V th 与T j 有很好的线性关系㊂在本文所提的特定开通时刻下,米勒平台V ml 等于阈值电压V th 的值,所以V ml 与温度有较好的线性关系,而且由于二极管导通导致IGBT 两端电压恒定且没有电流流过,因此相对于正常开通状态下的米勒平台而言,此时V ml 不受母线电压与负载电流的影响,可作为良好的温敏参数,同时,相比于此前研究中直接测量V th 而言,测量该特定时刻下的V ml 方法无需监测电流的大小,使得测量更为简单快捷㊂2㊀实验验证与结果分析2.1㊀整流器实验平台本文以英飞凌FF50R12RT4型号的IGBT 模块为例进行验证分析㊂图5(a)为开封后的模块实物图,便于直接测取结温信息,图5(b)和图5(c)分别为模块的内部布局图与等效电路图,其中一个IGBT 模块由2个芯片串联构成,每个芯片的两端反并联一个续流二极管,共同置于铜基板上面㊂图5㊀FF50R12RT4型号IGBT 模块Fig.5㊀FF50R12RT4IGBT module进一步搭建小功率整流器实验平台对本文方法进行测试与验证㊂整流器实验平台拓扑如图6所示,其中平台主电路结构由2个FF50R12RT4模块组成,其中a 桥臂模块的上管作为该实验中的测试器件,平台的控制部分由Dspace 控制器以及上位机实现㊂平台的测量部分由红外测温仪㊁加热板以及高精确度示波器等设备组成㊂图7显示为实验平台的实物图㊂图6㊀整流器IGBT 结温监测实验原理图Fig.6㊀Schematic diagram of IGBT junction tempera-ture monitoring experiment ofrectifier图7㊀整流器IGBT 结温监测实验平台Fig.7㊀Rectifier IGBT junction temperature monitoringexperimental platform整流器中IGBT 模块通过导热硅脂与加热板接触,加热板可以快速调节IGBT 模块的芯片温度至特定温度,在对被测IGBT 模块进行开封后,可通过红外测温仪直接读取结温信息,以完成结温参考数据集的离线采集㊂整流器实验平台的相关参数和测试组别如表1所示,其中:U d 为母线电压;f s 为基波频率;其余参数含义见图7㊂实验中通过加热板对IGBT 模块进行5电㊀机㊀与㊀控㊀制㊀学㊀报㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀第27卷㊀加热,使得被测IGBT 的结温T j 在30~100ħ每隔10ħ变化一次,期间待温度稳定后,通过传感器采集被测模块上管的驱动电压V ge 与负载电流I c ㊂测试过程中整流器一个基波周期实验波形如图8所示㊂表1㊀实验参数设置Table 1㊀Experimental parameter setting组别U d /Vf s /Hz L n /mHC d /μFC R /μFL R /mHR L /ΩV ge /V120050 1.715001500 1.73315220050 1.715001500 1.72015315050 1.715001500 1.72015410050 1.715001500 1.72015550501.715001500 1.72015图8㊀整流器DQ 解耦控制效果Fig.8㊀DQ decoupling control effect of rectifier2.2㊀实验验证为了消除系统噪声与振荡的干扰,对获取的V ge数据进行处理㊂当负载电流I c >0,整流器a 桥臂上管的二极管导通,此时对应的上管驱动电压即包含所需的米勒平台V ml ,以负载电流约5A 条件下的样本为例,图9展示了经过滤波处理的V ml 结果㊂图9㊀负载电流为5A 时对应的V mlFig.9㊀Corresponding V ml when the grid side voltageis 5A进一步,为了建立特定条件下米勒平台V ml 与结温T j 的关系,对于实验组1,米勒平台的持续时间在140ns 左右,为了消除噪声等因素的影响,用平台阶段的50个数据点取其平均值作为此次过程中的V ml 值建立结温监测模型的输入数据㊂本文利用MAT-LAB 自带的Cftool 拟合工具箱对V ml 与T j 进行拟合,如图10所示,拟合信息如表2所示,即T j =p 1V ml +p 2㊂(9)式中p 1~p 2为拟合函数的系数㊂图10㊀结温参考数据集的拟合结果Fig.10㊀Fitting results of junction temperature referencedata set表2㊀V ml 与T j 的拟合信息Table 2㊀Fitting information of V ml and T jp 1p 2R -square -212.918430.9852由表2可知,拟合的优度R -square 为0.9852,这表明V ml 与T j 两者之间存在很好的线性关系且由图10的结果可知,随着结温的增大,V ml 会随之减小,这与文献[19]的中的V th 和结温间关系的实验结果相符㊂进一步,为验证所提特定时刻下V ml 对于变流器多工况下的泛化能力,获取实验组2测得的V ml 数据对式(9)进行验证㊂图11为选取测试样本,将平台中的50个采样点取平均值作为此次V ml ,分别将其带入关系式进行结温计算㊂图12展示了测试样本的结温计算结果和实际结果的对比,可以看出,验证组计算结温分别为41.2㊁60.3㊁79.6㊁99.2㊁109.5ħ,而实际结温分别为40㊁60㊁80㊁100㊁110ħ,平均预测精确度可达99.1%,与实际的结温数值基本一致,这表明所建立的函数关系式是准确的,且具备较强的泛化能力㊂15第8期杨㊀宁等:一种基于变流器工况特定开通时刻下米勒平台的IGBT 结温监测方法图11㊀实验2不同温度下对应的V ml 采样点Fig.11㊀V ml sampling points corresponding to experi-ment 2at differenttemperatures图12㊀实验2数据的验证结果Fig.12㊀Validation results of experiment 2data2.3㊀影响因素分析上述拟合了V ml 与T j 的函数关系,并对其在不同工况下的应用进行了验证,但是温敏参数往往会受到电压与电流的影响,因此本节采用实验组3㊁4和5的数据,通过改变IGBT 网侧电压电流,分别分析母线电压U d ㊁负载电流I c 对V ml 的影响㊂图13㊁图14分别为结温T j 30ħ下,母线电压U d ㊁负载电流I c 单一影响因素变化时的米勒平台V ml㊂图13㊀母线电压U d 对米勒平台V ml 的影响Fig.13㊀Effect of grid side voltage U d on Millerplatform V ml由图13可知,随着母线电压的变化,特定条件下的V ml 基本不会发生变化,且由图14的结果可知,V ml 也不受到负载电流的影响,这与前文的理论分析相符㊂实际上,在此特定开通时刻下电流只由续流二极管通流,而不流过被测IGBT,被测IGBT 芯片两端的电压恒为二极管导通电压的负值-V D ,因此可知其同时不受负载电流和母线电压的影响㊂图14㊀负载电流I c 对米勒平台V ml 的影响Fig.14㊀Influence of network side current I c on Millerplatform V ml因此,所提基于变流器特定开通时刻下米勒平台V ml 可实现结温T j 的准确监测,其与结温具有良好的线性关系,且不受母线电压与负载电流的影响㊂3㊀结㊀论本文提出了一种基于特定开通时刻下米勒平台的IGBT 结温监测方法,基于瞬态分析对该方法进行了理论证明,同时搭建整流器小功率实验平台进行了实验验证㊂通过理论分析与实验验证,得出如下结论:1)本文通过理论分析揭示了特定开通时刻下米勒平台不受工况影响的原理,以及该参数与结温的内在物理联系㊂2)本文通过在小功率整流器实验平台进行测试,以英飞凌FF50R12RT4型号的IGBT 模块为例,证明了所提参数与结温存在较好的线性关系,并建立了该模块结温与所提参数的函数关系,同时利用不同工况的样本进行了验证,结果表明该方法的结温监测精确度较高㊂3)进一步对本文所提参数的影响因素进行了分析,结果表明该参数是良好的温敏参数㊂参考文献:[1]㊀LIU J,ZHANG G,CHEN Q,et al.In situ condition monitoringof IGBTs based on the miller plateau 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IGBT的MATLAB仿真
Implement insulated gate bipolar transistor(IGBT)实现绝缘栅双极型晶体管LibraryFundamental Blocks/Power ElectronicsDescriptionThe IGBT block implements a semiconductor device controllable by the gate signal.The IGBT is simulated as a series combination of a resistor R on,inductor L on,and a DC voltage source V f in series with a switch controlled by a logical signal(g>0or g=0)IGBT模块是一个由门信号控制的半导体元器件。
IGBT可以视作一个电阻一个电感一个直流电压源一个门信号控制的开关串联The IGBT turns on when the collector-emitter voltage is positive and greater than V f and a positive signal is applied at the gate input(g>0).It turns off when the collector-emitter voltage is positive and a0signal is applied at the gate input(g=0).当集电极与发射极间的电压正偏并且大于V f，而且存在门信号(g>0)，IGBT打开。
当集电极与发射极间的电压正偏门信号为0(g=0)，其关闭。
The IGBT device is in the off state when the collector-emitter voltage is negative.Note that many commercial IGBTs do not have the reverse blocking capability.Therefore,they are usually used with an antiparallel diode.当集电极与发射极间的电压反向偏置，IGBT模块处于关闭状态。
一种新型的基于Vce-on的IGBT模块结温实时估测法
一种新型的基于Vce-on的IGBT模块结温实时估测法文星;杜明星;景雷;魏克新【摘要】文中提出了一种新型的利用通态Vce-on实时估测结温的方法.首先分析了被测IGBT模块通态Vce-on与温度的相关性,然后通过软件提取了模块的互连材料参数,该方法大大降低了实验成本,操作也更加简便.最为重要的是,充分考虑了内部材料电阻对IGBT模块结温的影响,并对其进行了补偿.最后,通过比较红外摄像仪测量结果和实时估测结温验证了该方法的有效性.【期刊名称】《电测与仪表》【年(卷),期】2018(055)019【总页数】6页(P106-111)【关键词】IGBT模块;通态Vce-on;结温;参数提取【作者】文星;杜明星;景雷;魏克新【作者单位】天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用实验室,天津300384;天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用实验室,天津300384;天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用实验室,天津300384;天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用实验室,天津300384【正文语种】中文【中图分类】TM9330 引言近年来，电力电子系统广泛应用于各行各业，如新能源开发、航天航空、自动驾驶、铁路运输等[1-2]。
电力电子系统由不同的元器件组成,式中功率器件是系统可靠性关键部件之一[3-5],其对整个电力电子系统的可靠性和鲁棒性至关重要。
研究表明，IGBT模块是电力电子系统中最脆弱的部件，因其不断受到温度梯度、温度波动和电子元件损耗等作用[6-8]。
IGBT模块作为电力电子系统的核心部件，其失效可能引起整个系统的运行中断。
为了实现系统的长期可靠运行，对IGBT模块结温的精确测量是十分必要的。
目前，结温测量主要有两种方法——直接法和间接法。
直接法主要包括光学法和物理接触法，如光纤、红外热成像仪、热电偶等。
因该方法需与芯片进行紧密的物理接触，这在变换器正常工作期间是无法实现。
间接法主要指热敏电参数法TSEPs(Thermo-Sensitive ElectricalParameters)，因其无需改变IGBT模块结构而大受欢迎。
IGBT模块结温检测与应用研究
IGBT模块结温检测与应用研究本研究对各结温测量方法实施的可行性及测量的准确性进行了研究，搭建了IGBT饱和压降测试平台，对结温检测的应用实例进行了研究探索。
标签：IGBT;结温检测;热敏感电气参数;结温应用引言绝缘栅双极型晶体管是由MOSFET和双极型晶体管复合而成的一种器件。
从IGBT失效的表现形式来看，可以分为四类：过热应力导致的失效，过电应力导致的失效，机械结构导致的失效以及环境因素导致的失效。
正常工作温度范围内，温度每上升10 ℃，器件失效概率以近二倍的速率上升。
因此，IGBT结温的实时监测对于提高电力电子系统的可靠性、成本效益及性能具有十分重要的作用。
1 IGBT模块结温检测的研究现状1.1物理接触式测量法将热电阻或热电偶焊接于IGBT模块内部，从而获取模块内部基板的局部温度。
测量值与真实值存在较大误差。
利用热敏电阻的方式需要额外的激励源，响应时间较慢。
热电偶的测量原理则基于热电效应，但因模块内部布局有限，存在操作不便的问题。
1.2光学非接触测量法主要包括光纤测温、红外摄像测温、红外显微镜及辐射线测定仪等技术，其中红外摄像测温是最为常用的测温方式。
测量前亦需打开IGBT模块的封装，除去内部填充的透明硅脂。
该方案也属于破坏性测量方法，且价格高昂。
1.3热阻抗模型预测法基于待测模块的实时损耗及瞬态热阻抗网络模型反推IGBT芯片结温。
功率损耗的实时计算与热阻抗模型的建立相当困难，且随着模块的老化，热阻抗模型的参数也会发生变化，对其准确度有很大影响。
1.4热敏感电参数法物质的物理特性与温度有密切关系，会随着温度的不同而改变，可通过物质随温度变化的某些特性来间接测量温度。
IGBT模块的电气参数通常与温度具有一定的映射关系。
反应到微观则体现在载流子的迁移率与温度相关。
受结温影响的电气特征参数称为热敏感电参数。
通过对热敏感电参数的测量，即可对芯片结温进行逆向检测。
该技术无需改变模块封装结构，且其响应速度快、精度高、成本低，具有很好的工程应用价值。