一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法技术

本发明专利技术公开了一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，包括获取IGBT温敏参数定标曲线、获取IGBT冷却过程中结温和壳温的降温曲线、降温曲线的偏移校正和拟合降温曲线获取瞬态结壳热阻抗参数四个步骤。本发明专利技术利用热敏参数法测量出大功率IGBT在冷却过程中结温的降温曲线，同时利用热电偶法获取IGBT壳温的降温曲线，然后利用曲线拟合获取IGBT的瞬态热阻抗参数。此方案操作方便，使用范围广，同时可以较为直接准确的获取IGBT内部的瞬态热阻抗参数，可以用于大功率IGBT在实际运行中预测结温变化趋势，从而进一步进行热稳定评估。

【技术实现步骤摘要】
一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法
本专利技术属于半导体器件的热瞬态过程分析
，特别涉及一种大功率IGBT结壳瞬态热阻抗的测量方法，用于大功率IGBT在实际运行中预测结温变化趋势，从而进一步进行热稳定评估。
技术介绍
近年来，大功率电力电子装置在电网中的应用越来越广泛(例如MMC，STATCOM等)，同时其电压等级和功率等级也越来越高。因此对应用于此类电力电子装置的IGBT的电压等级和容量的要求也越来越高。目前此类装置在选取IGBT型号时主要依靠经验值，主要目的是为了避免IGBT过电压或者过热失效，因此IGBT的容量会留有较大的裕度。采取经验值的方式选取IGBT可以使得IGBT的容量留有较大的裕度，能够保证装置运行过程中IGBT稳定安全运行，但是造成了一定程度的浪费，从经济性和节能方面考虑均是不可取的。因此为了最大程度的减小上述电力电子装置的成本，充分使用IGBT的容量。需要获取IGBT内部完整的瞬态热阻抗数据，并在装置设计时作为选取IGBT型号的参考依据，使IGBT工作在热稳定状态的同时，又能使其的容量得到最大程度的利用。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，提出了一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，利用热敏参数法测量出大功率IGBT在冷却过程中结温的降温曲线，同时利用热电偶法获取IGBT壳温的降温曲线，从而可以获得瞬态热阻抗曲线，然后利用曲线拟合获取IGBT的瞬态热阻抗参数。此方案可以较为直接准确的获取IGBT内部的瞬态热阻抗参数，可以用于大功率IGBT在实际运行中预测结温变化趋势，从而进一步进行热稳定评估。本专利技术采用下述技术方案：一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，包括以下步骤：步骤一，利用温敏电参数法，获取温敏参数定标曲线及拟合关系式，温敏参数包括结温Tj和饱和压降Vce；步骤二，对IGBT进行冷却实验，获取IGBT在冷却过程中结温和壳温的降温曲线；步骤三，对获取的结温的降温曲线进行偏移校正，去除初始阶段的电子干扰，并找出准确的初始结温；步骤四，对偏移校正后的结温和壳温的降温曲线进行做差，获取瞬态热阻抗曲线，然后通过瞬态热阻抗模型拟合曲线获取瞬态结壳热阻抗参数。本专利技术进一步的改进在于，步骤一中的温敏电参数法具体包括：首先将IGBT置于恒温箱中，则稳定后结温等于恒温箱的温度，并使其通过电流Ic，电流Ic的大小为100mA-1A；然后测量IGBT的饱和压降Vce，改变恒温箱的温度，在20℃-150℃范围内重复上述步骤，最后对获取的数据以结温Tj为应变量，饱和压降Vce自变量为进行线性拟合，得到拟合关系式。本专利技术进一步的改进在于，步骤二中的对IGBT进行冷却实验具体包括：首先让IGBT工作在额定工作状态，稳定后切断IGBT的正常工作状态，并通过电流Ic维持导通，IGBT开始自然冷却降温，测量在冷却过程中结温和壳温的降温曲线。本专利技术进一步的改进在于，结温的降温曲线是通过测量IGBT冷却过程中饱和压降Vce的变化曲线，并依照结温Tj-饱和压降Vce的拟合关系式获得的；而壳温的降温曲线则是利用热电偶直接测温获取的。本专利技术进一步的改进在于，步骤三中的去除初始阶段的电子干扰是指：测试的初始阶段有电子干扰，需要去掉在切断时间tcut内记录的信号点。本专利技术进一步的改进在于，初始结温的确定具体包括：在去掉切断时间tcut内记录的信号点后，这段时间内的结温变化ΔTJ(tcut)与时间的平方根近似成线性关系，并推导出t＝0时的结温TJ0。本专利技术进一步的改进在于，IGBT结壳瞬态热阻抗曲线与所述结温和壳温曲线之间的关系式为：其中，ΔP表示IGBT正常工作与冷却两个状态之间的功率差值；Tjc0表示初始结壳之间的温度差；Tjc(t)表示不同时刻结壳之间的温度差；Zjc(t)，表示相应的不同时刻的结壳瞬态阻抗值。本专利技术进一步的改进在于，待拟合的瞬态热阻抗模型选取4阶FOSTER模型。本专利技术具有以下有益的技术效果：本专利技术所提出的方法可以准确的测量出IGBT瞬态热阻抗参数，可以用于预测IGBT实际运行中的结温变化趋势，从而进一步进行热稳定评估。同时在工业生产中，IGBT瞬态热阻抗参数可作为换流阀设计的参考依据，使IGBT工作在热稳定状态的同时，又能使其的容量得到最大程度的利用，最大程度的减小电力电子装置的成本。本专利技术中通过采用温敏电参数法和热电偶法相结合的方式，进行IGBT的冷却实验，通过拟合降温曲线可以获取IGBT内部完整的瞬态热阻抗参数；IGBT结温的测量是通过测量IGBT在小电流导通条件下的饱和压降间接获取的，不需要破坏IGBT的物理结构，也保证了测量的准确性。进一步地，本专利技术对IGBT结温的测量是通过测量IGBT在小电流导通条件下的饱和压降间接获取的，减小了电流发热对测量结果的影响，准确度高。进一步地，本专利技术对结温和壳温曲线的测量是测量其冷却过程中的降温曲线，避免了损耗变化对测量结温的影响。附图说明图1为本专利技术实施方案的步骤流程图；图2为获取温敏参数(结温Tj-饱和压降Vce)定标曲线的实验电路图，其中IGBT部分置于恒温箱中；S为单刀单掷开关；IC为恒流源，其值应大于IGBT维持导通所需的最小电流，参考值范围：100mA-1A，具体值根据IGBT型号选择；图3为本专利技术的一个实施例中得到的结温Tj和饱和压降Vce的关系图；图4为获取IGBT冷却过程中结温和壳温的降温曲线的实验电路图，其中IC的值与图1中的恒流源值保持一致；二极管D1选取快恢复二极管；ILOAD为IGBT在正常工作时流过的负载电流，取值以IGBT的额定稳态工作电流为宜；AD采样的电压范围0-3.3V，采样频率为10kHz；图5为散热器上埋设热电偶的布局示意图；图6为本专利技术的实施例中得到的结温Tj壳温Tc的降温曲线图；图7为降温曲线的偏移校正示意图；图8为本专利技术的实施例中，对结温Tj曲线的偏移校正图；图9为IGBT瞬态热阻抗的FOSTER模型，图中所示的为4阶FOSTER模型。图10为本专利技术的实施例中得到的瞬态热阻抗曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步详细的说明：本专利技术的实施方式分为四个步骤，如图1所示，具体实施步骤如下：在一定温度范围内(一般指20℃-150℃)IGBT的某些参数与结温之间存在着近似线性的关系。其中IGBT在小电流导通条件下的饱和压降Vce通常作为温敏参数用于间接地测量结温。本专利技术利用了这种关系，因此首先需要获取温敏参数(结温Tj-饱和压降Vce)定标曲线，其具体步骤为：1.将待测的大功率IGBT按图2所示电路连接好，并将IGBT部分置于恒温箱中，然后设置恒温箱的温度为20℃。2.待IGBT内部温度稳定后，闭合开关S，待电压表示数稳定后记录电压表的值，即Vce1；3.接着分别设置恒温箱的温度为30℃:10:150℃，然后重复第二步操作，记录每个温度对应的饱和压降Vce；4.最后将获得的数据进行一阶线性拟合，得到Tj-Vce的一阶拟合关系式。在本专利技术的一个实施例中，得到的结温Tj和饱和压降Vce的关系如图3所示，其一阶拟合关系式为：Tj＝620.217-797.101Vce然后通过实验获取IGBT冷却过程中结温和壳温的降温曲线。其中通过测量在冷却过程中小电流导通条件下的饱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，利用温敏电参数法，获取温敏参数定标曲线及拟合关系式，温敏参数包括结温Tj和饱和压降Vce；步骤二，对IGBT进行冷却实验，获取IGBT在冷却过程中结温和壳温的降温曲线；步骤三，对获取的结温的降温曲线进行偏移校正，去除初始阶段的电子干扰，并找出准确的初始结温；步骤四，对偏移校正后的结温和壳温的降温曲线进行做差，获取瞬态热阻抗曲线，然后通过瞬态热阻抗模型拟合曲线获取瞬态结壳热阻抗参数。

【技术特征摘要】
1.一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一，利用温敏电参数法，获取温敏参数定标曲线及拟合关系式，温敏参数包括结温Tj和饱和压降Vce；步骤二，对IGBT进行冷却实验，获取IGBT在冷却过程中结温和壳温的降温曲线；步骤三，对获取的结温的降温曲线进行偏移校正，去除初始阶段的电子干扰，并找出准确的初始结温；步骤四，对偏移校正后的结温和壳温的降温曲线进行做差，获取瞬态热阻抗曲线，然后通过瞬态热阻抗模型拟合曲线获取瞬态结壳热阻抗参数。2.根据权利要求1所述的一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，其特征在于，步骤一中的温敏电参数法具体包括：首先将IGBT置于恒温箱中，则稳定后结温等于恒温箱的温度，并使其通过电流Ic，电流Ic的大小为100mA-1A；然后测量IGBT的饱和压降Vce，改变恒温箱的温度，在20℃-150℃范围内重复上述步骤，最后对获取的数据以结温Tj为应变量，饱和压降Vce自变量为进行线性拟合，得到拟合关系式。3.根据权利要求2所述的一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，其特征在于，步骤二中的对IGBT进行冷却实验具体包括：首先让IGBT工作在额定工作状态，稳定后切断IGBT的正常工作状态，并通过电流Ic维持导通，IGBT开始自然冷却降温，测量在冷却过程中结温和壳温的降温曲线。4.根据权利要求3所述的一种用于大...

【专利技术属性】
技术研发人员：王跃，王璋，尹诗媛，周晖，尹太元，段国朝，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61