基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法技术

基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，包括以下步骤：(1)利用电热参数测试系统测量f(I

【技术实现步骤摘要】
基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法


[0001]本专利技术涉及IGBT结壳热阻测量方法，具体是涉及一种基于大电流饱和压降的IGBT稳态结壳热阻的准在线测量方法。

技术介绍

[0002]IGBT作为新型电力电子器件应用最为广泛的代表，在电网的光伏逆变器、风能变流器、储能逆变器、柔性直流换流阀等相关设备中起着至关重要的作用。因此，研究IGBT的工作性能与可靠性对于我国电网的进一步可靠发展有着极为重大的意义。IGBT工作性能与可靠性等都与其工作结温直接相关，而电力电子器件的热阻抗直接影响器件的结温，因此IGBT热阻的准确测量对提升IGBT模块的应用可靠性具有重要的现实意义。
[0003]近年来，国内外的学者对IGBT模块的热阻测量技术都有比较深入的研究，测量方法可以归纳为五种：热敏参数法、数学物理法、有限元仿真、实测结温法以及红外扫描法。
[0004]热敏参数法主要分为两种：一种是采用小电流下的集电极
‑
发射极电压(V
CE
)作为热敏参数；另外一种采用栅极
‑
发射极阀值电压(V
GE
)作为热敏参数。用V
GE
作为热敏参数时，不易测量，对硬件要求极高，而V
CE
便于测量且测量装置简单，因此目前大多数测量方案均用V
CE
作为热敏参数。现有基于小电流下的V
CE
进行IGBT模块的热阻测量，首先是通过大电流恒流电源所构建的加热回路对IGBT模块进行升温，使其达到热平衡的状态，然后借助示波器等装置测量得到大电流下IGBT模块达到热平衡状态时模块饱和压降与电流。然后，通过加热回路的开关迅速断开回路，通过附加的测试电路，给IGBT模块通入小电流得到模块小电流下的饱和压降，进而进行结温的间接测量，而壳温的测量通过热电阻或热电偶得到。最后，基于IGBT模块稳态结壳热阻的定义式，最终得到IGBT模块的稳态结壳热阻。该方法虽然能得到IGBT模块的稳态结壳热阻，但是测量过程需要附加大电流加热电路、小电流回路等附加电路，同时测量过程比较繁琐。另一方面，该方法是通过小电流下IGBT模块的饱和压降实现结温的间接测量，其中存在一定的测量与转换过程，也会进一步带来稳态热阻计算结果的误差。
[0005]数学物理方法包括基于热传导法提取热阻参数与有限元法数值仿真。基于热传导法提取热阻参数需要利用厂家提供的IGBT相关参数代入式进行各层热阻值的计算，然后同个各分层的热阻值相加，即可得到稳态结壳热阻值。该方法虽然不需要相关的测试平台就能测量出IGBT模块的稳态结壳热阻，但是需要准确的得到每一层的参数(厚度、导热系数、有效传热面积等)，这些参数通过IGBT模块的数据手册不能直接准确的得到，同时求解过程繁琐，不能应用于模块在工作过程中的退化后的热阻求解，而且各层有效面积都为近似值，误差较大。
[0006]有限元仿真是基于有限元仿真软件建立IGBT模块电热仿真模型，首先是利用电学法测量模块的热特性，然后利用实际的实验测量对建模型的相关边界条件进行校验。最后利用校正后的模型进行电热仿真，计算出结温、壳温以及功率损耗的值，最后基于热阻的计
算公式得到结壳间的稳态热阻。该方法可以省去试验测试的时间与成本，但是基于有限元仿真软件所建立的模型校正过程繁琐，模型精确度难以把握，同时该模型不能真实的反应IGBT模块退化后的热阻变化情况，因此该方法应用较少。
[0007]实时结温法是通过采用热敏元件直接与IGBT模块的芯片相接触获取结温的方法，首先，通过给IGBT模块通入恒定的电流进行加热，测量模块达到热平衡状态下的饱和压降与功率损耗。然后，通过与IGBT模块的芯片相接触获取IGBT模块的结温与壳温，然后基于热阻的计算公式得到结壳间的稳态热阻。该方法虽然能够直接测量IGBT模块的结温，但是测量方法为侵入式的，对IGBT模块具有一定的破坏性，会影响IGBT模块的可靠性。同时测量成本大且难以实现。
[0008]红外扫描法与实时结温法计算模块的稳态结壳热阻的过程类似，唯一的区别在于该方法是通过红外成像仪来获取IGBT模块的结温。该方法需要打开IGBT模块的封装，并去除芯片上的硅胶。该方法同样是对IGBT模块具有一定破坏性，而且通过热成像仪探测的温度与实际温度之间的误差比较大。同时测温系统结构复杂且成本昂贵。

技术实现思路

[0009]本专利技术所要解决的技术问题是，克服上述
技术介绍
的不足，提供一种基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，不需要测量IGBT模块的结温，一方面能够保护IGBT模块的完整性，另一方面也能简化测量电路并减小结温测量所带来的误差；在测量IGBT模块稳态结壳热阻时，不需要将IGBT模块从装置中拆卸下来，对IGBT模块无破坏性。
[0010]本专利技术解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，包括以下步骤：
[0011](1)利用电热参数测试系统测量f(I
CE
)；
[0012]f(I
CE
)表示为：
[0013]f(I
CE
)＝k2×
I
CE
‑
k1[0014]k1为V0的温度系数，V0为测试IGBT模块导通时内部PN结压降；k2为R0的温度系数，R0为测试IGBT模块导通时漂移区和导电沟道的等效欧姆电阻；I
CE
为测试IGBT模块的输入电流；
[0015](2)基于测量的f(I
CE
)，利用稳态结壳热阻测量系统测量测试IGBT模块的稳态结壳热阻值。
[0016]进一步，所述电热参数测试系统的电路结构包括恒流源、电子负载、开关IGBT模块、测试IGBT模块、驱动模块、采集电路、DSP和PC端上位机，所述恒流源、电子负载、开关IGBT模块串接形成回路，所述测试IGBT模块并接在开关IGBT模块上，所述驱动模块在DSP的控制下驱动开关IGBT模块及测试IGBT模块导通，所述采集电路在DSP的控制下采集测试IGBT模块的导通压降，DSP将采集电路采集的信号传输至PC端上位机。
[0017]进一步，步骤(1)中，测量f(I
CE
)的具体方法为：
[0018](1
‑
1)恒定测试IGBT模块的结温T
j
下，测量不同测试电流I
CE
下的测试IGBT模块两端的导通压降V
CE
；恒定测试电流I
CE
下，测量不同结温T
j
下的测试IGBT模块两端的导通压降V
CE
；
[0019](1
‑
2)通过步骤(1
‑
1)测量的多组不同结温T
j
、测试电流I
CE
、导通压降V
CE
的数据，拟
合得到大电流下测试IGBT模块关于结温T
j<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：包括以下步骤：(1)利用电热参数测试系统测量f(I
CE
)；f(I
CE
)表示为：f(I
CE
)＝k2×
I
CE
‑
k1k1为V0的温度系数，V0为测试IGBT模块导通时内部PN结压降；k2为R0的温度系数，R0为测试IGBT模块导通时漂移区和导电沟道的等效欧姆电阻；I
CE
为测试IGBT模块的输入电流；(2)基于测量的f(I
CE
)，利用稳态结壳热阻测量系统测量测试IGBT模块的稳态结壳热阻值。2.如权利要求1所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：所述电热参数测试系统的电路结构包括恒流源、电子负载、开关IGBT模块、测试IGBT模块、驱动模块、采集电路、DSP和PC端上位机，所述恒流源、电子负载、开关IGBT模块串接形成回路，所述测试IGBT模块并接在开关IGBT模块上，所述驱动模块在DSP的控制下驱动开关IGBT模块及测试IGBT模块导通，所述采集电路在DSP的控制下采集测试IGBT模块的导通压降，DSP将采集电路采集的信号传输至PC端上位机。3.如权利要求1或2所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：步骤(1)中，测量f(I
CE
)的具体方法为：(1
‑
1)恒定测试IGBT模块的结温T
j
下，测量不同测试电流I
CE
下的测试IGBT模块两端的导通压降V
CE
；恒定测试电流I
CE
下，测量不同结温T
j
下的测试IGBT模块两端的导通压降V
CE
；(1
‑
2)通过步骤(1
‑
1)测量的多组不同结温T
j
、测试电流I
CE
、导通压降V
CE
的数据，拟合得到大电流下测试IGBT模块关于结温T
j
、测试电流I
CE
、导通压降V
CE
的电热特性曲线，根据电热特性曲线得到f(I
CE
)，f(I
CE
)为电热特性曲线的斜率。4.如权利要求3所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：步骤(1
‑
1)中，采集测试IGBT模块两端的导通压降前，利用开关IGBT模块进行换流，具体方法为：t0时刻，设定恒流源的电流为相应电流，利用恒流源给开关IGBT模块通入恒定的测试电流，驱动模块发出驱动信号，控制开关IGBT模块导通，待开关IGBT模块电流达到稳定；t1时刻，驱动模块发出驱动信号，控制测试IGBT模块导通，部分开关IGBT模块上的电流换流到测试IGBT模块上；t2时刻立即给开关IGBT模块关断信号，使开关IGBT模块上的电流全部换流到测试IGBT模块上，经过1ms～5ms延时后，利用采集电路，采集特定结温与电流下测试IGBT模块两端的导通压降。5.如权利要求3所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：步骤(1
‑
1)中，测试IGBT模块的结温的具体设定方法为：设定恒温箱的温度为相应温度，将测试IGBT模块放于恒温箱中加热，使恒温箱内的测试IGBT模块的结温与恒温箱设定温度值保持一致。6.如权利要求1所述的基于大电流...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖标，涂春鸣，郭祺，肖凡，龙柳，姜飞，兰征，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：