功率器件损耗测算方法及结温测算方法技术

本发明专利技术提出一种功率器件损耗测算方法和一种功率器件结温的测算方法。功率器件损耗测算方法，对功率器件的电流和电压进行离散化采样，并基于离散化的电流计算器件功率。功率器件结温测算方法，基于器件功率、器件壳温和器件的封装热阻，计算器件的结温。本发明专利技术提供的方法可准确测算功率器件的结温，同时使电路热设计更方便，为功率器件的过热保护提供可提升功率器件器件的可靠性，提高产品质量。

Power device loss calculation method and junction temperature calculation method

The invention provides a method for calculating the loss of power devices and a method for calculating the junction temperature of power devices. Power device loss measurement method, discrete sampling of current and voltage of power device, and calculating device power based on discrete current. The junction temperature of power devices is calculated based on device power, shell temperature and package thermal resistance. The method provided by the invention can accurately measure the junction temperature of the power device, make the circuit thermal design more convenient, and provide the over-heat protection for the power device, which can enhance the reliability of the power device device and improve the product quality.

【技术实现步骤摘要】
功率器件损耗测算方法及结温测算方法
本专利技术涉及电子
，尤其涉及一种功率器件损耗及结温测算方法。
技术介绍
功率器件的发热问题，是影响其工作性能的重要问题。功率器件的结温是影响功率器件散热器涉及、损耗涉及和器件评价的因素，具有重要意义。以功率器件IGBT为例来说明。PFC电路作为调节功率因数的有源(主动式)电路应用十分广泛。大多数变频室外机驱动电路中都包含有源PFC电路，其作用是在交-直流转换时提高电源对市电的利用率，减小转换过程中的电能损耗，优化功率因数，同时还可以提升母线电压。参考图1，现有设计PFC电路中，IGBT是关键的半导体开关器件。实际应用中，该器件存在显著的发热情况，由于半导体器件温升测试需要计算到结温，因此需对其结温进行测量和计算。然而，IGBT在中工作模式复杂，其结温测算方法需要加以深入研究。IGBT的通态压降、关断电压尖峰、电流拖尾时间、开通、关断速度和损耗等性能指标都受到结温的影响；在结温较高的情况下，IGBT的性能、寿命都会降低，而且失效率会升高。根据规格书要求，IGBT结温通常不能超过150℃或者175℃。IGBT结温测算存在较高的技术难度。在PFC电路中，IGBT开关频率往往达到20kHz乃至40kHz以上，且工作模式受到工况、交流输入、负载等诸多变化因素的影响，而且在不同的开关周期中，由于PWM占空比的不同，IGBT电压和电流都会不同，因此IGBT损耗和结温的测算就存在较高的技术难度。
技术实现思路
本专利技术针对上述功率器件结温测算难度大的问题，提供了一种基于功率器件损耗的结温测算方法，并同时提供了一种离散化的功率器件损耗的测算方法，本专利技术提供的测算方法精度高、难度低，可用于IGBT、二极管、三极管等多种的功率器件损耗和结温的测算。为了实现上述目的，本专利技术首先提供了一种功率器件损耗测算方法，包括以下步骤：对功率器件电压进行采样，获得电压瞬时值Vk；对功率器件电流进行采样，获得电流瞬时值Ik；计算功率器件的损耗PG：其中，n为一个工频周期内的采样总次数，k为具体的采样次数。本专利技术进一步提供了一种功率器件结温测算方法，功率器件包括封装结构，功率器件结温测算方法包括如下步骤：获取功率器件的损耗PG；获取功率器件的壳温TH；计算功率器件的结温TJ，TJ＝TH+RθS*PG(2)其中，RθS为功率器件封装结构热阻。优选的是，封装结构包括多层封装层，每层封装层均具有热阻，所述封装结构热阻为各封装层热阻之和。优选的是，功率器件封装结构外进一步设置有散热器，功率器件的壳温TH采用功率器件散热器处，功率器件发热中心处的温度。优选的是，获取功率器件壳温TH的方法为：在功率器件的散热器上处打布设孔，并在布设孔处设置热电偶，通过热电偶测得的温度作为功率器件的壳温TH。优选的是，功率器件的壳温TH采用散热器上，对应功率器件发热中心位置处的温度。优选的是，功率器件为IGBT，获取IGBT的损耗PIGBT的方法为：对IGBT集电极和发射极之间的电压进行采样，获得电压瞬时值VCEk；对IGBT的电流进行采样，获得电流瞬时值ICk；计算IGBT的功率PIGBT：其中，n为一个工频周期内的采样总次数，k为具体的采样次数。优选的是，对IGBT的电流进行采样的方法为，将IGBT的发射极或集电极串联连接一采样电阻，并将采样电阻接地，测量流经采样电阻的电流。优选的是，IGBT封装结构包括由IGBT芯片向芯片外侧设置的IGBT封装层、导热层和散热器，RθJH＝RθJC+Rθ1(4)其中，RθJC为IGBT芯片与IGBT封装层间的热阻，Rθ1为导热层的热阻。优选的是，I导热层包括第一导热层和第二导热层，IGBT封装结构进一步包括设置于第一导热层和第二导热层之间的绝缘层，RθJH＝RθJC+Rθ1+Rθ2(5)其中，Rθ2为绝缘层热阻。与现有技术相比，本专利技术的优点和积极效果在于：本专利技术属于半导体器件结温测算及热设计领域，用于解决在功率器件工作过程中无法准确测量结温导致无法采取针对性的保护措施，以及无法进行准确热设计的问题。该方法可准确测算功率器件的结温，同时使电路热设计更方便，为功率器件的过热保护提供依据，可提升功率器件的可靠性，提高产品质量。本专利技术所设计的结温测算方法，不仅可用于有源PFC电路的IGBT结温测算，甚至可以推广至二极管、三极管等其他半导体功率器件的结温测算中。功率测算的方法是本专利技术的关键所在。附图说明图1为现有设计中PFC电路结构示意图；图2为本专利技术IGBT损耗测量原理示意图；图3为IGBT传热结构示意图。其中：1-芯片；2-IGBT封装层；3-第一导热硅脂层；4-绝缘垫片；5-第二导热硅脂层；6-散热器；7-热电偶。具体实施方式以下，结合附图对本专利技术的具体实施方式进行进一步的描述。本专利技术首先提供了一种功率器件损耗的测算方法，该方法采用离散化的测算方法来测算功率器件的损耗。首先论述现有技术中功率器件损耗理论的计算方法，以IGBT为例。IGBT损耗的理论计算方法：式中：VCE(t)为IGBT器件集电极和发射极之间的电压瞬时值；IC(t)为IGBT的集电极电流瞬时值；T为一个工频周期，如交流输入电压频率50Hz，则T为20ms。而功率器件实际的功率测算均需通过对电流和电压采样，因此数据为离散而非连续，提出一种基于离散化采样数据的功率器件损耗测算方法，包括以下步骤：对功率器件电压进行采样，获得电压瞬时值Vk；对功率器件电流进行采样，获得电流瞬时值Ik；计算功率器件的损耗PG：其中，n为一个工频周期内的采样总次数，k为具体的采样次数。具体以IGBT为例，来说明损耗的测算方法。参考图2。IGBT的损耗记为PIGBT：对IGBT集电极和发射极之间的电压进行采样，获得电压瞬时值VCEk；对IGBT的电流进行采样，获得电流瞬时值ICk；计算IGBT的功率PIGBT：其中，电压和电流的采样可采用测试仪器或基于采样电路，采样频率和采样精度都足够高。n为一个工频周期T内的采样总次数，采样次数应足够多，采样间隔时间Δt＝T/n；k为具体的采样次数，VCEk为第k采样时集电极和发射极之间的电压，ICk为第k采样时IGBT的电流。更具体的说，对IGBT的电流进行采样的方法为，将IGBT的发射极或集电极串联连接一采样电阻Ri，并将采样电阻Ri接地，检测采样电阻Ri两端的电压Vi，测算流经采样电阻的电流，Ic＝Vi/Ri，Ic即为IGBT的电流。通过上述方法，可以精确测算功率器件的损耗功率。基于上述功率器件损耗的测算方法，进一步提供一种功率器件结温测算方法，功率器件包括封装结构，封装架构通常包括设置在功率器件芯片外的多个封装层，最外侧封装层的外侧设置有散热器。功率器件结温测算方法包括如下步骤：获取功率器件的损耗PG；获取功率器件的壳温TH；计算功率器件的结温TJ，TJ＝TH+RθS*PG(2)其中，RθS为功率器件封装结构热阻。由于封装结构包括多层封装层，每层封装层均具有热阻，封装结构热阻为各封装层热阻之和。功率器件的壳温为电子器件外壳的温度，由于功率器件封装结构外进一步设置有散热器，散热器可近似视为功率器件的外壳。功率器件的壳温TH采用功率器件散热器处的温度。为了更精确的获取功率器件的壳温，提供如下获取壳温TH的方法：在功本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种功率器件损耗测算方法，其特征在于，包括以下步骤：对功率器件电压进行采样，获得电压瞬时值Vk；对功率器件电流进行采样，获得电流瞬时值Ik；计算功率器件的损耗PG：

【技术特征摘要】
1.一种功率器件损耗测算方法，其特征在于，包括以下步骤：对功率器件电压进行采样，获得电压瞬时值Vk；对功率器件电流进行采样，获得电流瞬时值Ik；计算功率器件的损耗PG：其中，n为一个工频周期内的采样总次数，k为具体的采样次数。2.一种功率器件结温测算方法，其特征在于，所述功率器件包括封装结构，功率器件结温测算方法包括如下步骤：获取功率器件的损耗PG；获取功率器件的壳温TH；计算功率器件的结温TJ，TJ＝TH+RθS*PG(2)其中，RθS为功率器件封装结构热阻。3.如权利要求2所述的功率器件结温测算方法，其特征在于，所述封装结构包括多层封装层，每层封装层均具有热阻，所述封装结构热阻为各封装层热阻之和。4.如权利要求2所述的功率器件结温测算方法，其特征在于，功率器件封装结构外进一步设置有散热器，功率器件的壳温TH采用功率器件散热器处的温度。5.如权利要求4所述的功率器件结温测算方法，其特征在于，获取功率器件壳温TH的方法为：在功率器件的散热器上处打布设孔，并在布设孔处设置热电偶，通过热电偶测得的温度作为功率器件的壳温TH。6.如权利要求4或5所述的功率器件结温测算方法，其特征在于，功率器件的壳温TH采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨帅，陈建兵，牛建勇，隋明勋，
申请(专利权)人：海信山东空调有限公司，
类型：发明
国别省市：山东,37