基于动态热敏电参数法的大容量IGBT模块结温在线提取原理和方法研究

摘要

大功率IGBT模块是大容量电力电子装备最为核心的部件之一。在大容量变流器的运行当中，对IGBT模块的内部结温进行在线检测，是快速过温保护与瞬时极限运行的先决条件，也是提升变流器输出容量与增强变流器可靠性的重要途径。因此，如何实现高精度、快响应和易集成的芯片结温在线提取，成为近年来学术界与工业界的研究热点之一。本论文从大功率IGBT模块的应用特性需求出发，开展了功率器件结温和动态电气参数之间的交互原理以及在线提取方法研究。通过研究大功率IGBT模块的结构和封装特点，发现了IGBT模块内部寄生电感LeE与动态电气参数之间的转换媒介作用。基于此发现，提出了动态热敏感电参数的概念，实现了IGBT模块的结温实时动态捕获，并将该方法拓展至大功率P-i-N二极管的结温在线提取。论文还总结了基于寄生电感的动态热敏感电参数分类规则与性能综合评估。
　　大容量动态特性测试平台是研究大功率IGBT模块在不同结温情况下瞬态开关特性的基础。首先，本文归纳了大容量动态特性测试平台的综合设计准则，在该设计原则的指导下，搭建了一套3600A电流等级的IGBT动态开关特性测试平台。该平台通过独立双加热的结温控制方法，可以准确地模拟模块内部IGBT和二极管芯片由于工况不同导致的结温差异现象。论文还讨论了结温变化对大功率IGBT模块的瞬态电气应力、开关损耗和运行轨迹三类指标的影响规律。最后，根据大功率多芯片IGBT模块在额定电气参数下发生的开通瞬态失效现象，提出了一种IGBT模块的综合失效机理，为IGBT模块的动态失效分析提供了新思路。
　　大功率IGBT模块的芯片结温状态与动态电气参数存在紧密的一一对应关系。本文通过建立载流子抽取模型，揭示关断动态电气参数与关断过程中载流子运动方程的内在联系，发现母线电压、负载电流与芯片结温三者对关断动态电气参数具有独立、单调的变化规律。因此，提出了基于关断延迟时间和关断电流最大变化率等动态热敏感电参数方法。然后，利用大功率IGBT模块内部寄生电感LeE的媒介作用，把关断延迟时间和关断电流最大变化率两个动态热敏感电参数的测量转化为对寄生电感LeE上感应电压触发时机与感应电压负峰值的检测。基于关断延迟时间的热敏感电参数法仅通过采样感应电压即可完成对IGBT关断延迟时间的检测，避免了对集电极电流变化率的直接测量。基于关断电流最大变化率的热敏感电参数法仅需对感应电压负峰值采样即可完成IGBT芯片结温的提取，大大简化了校正环节。实验结果证实了关断延迟时间和关断电流最大变化率这两个动态热敏感电参数的有效性，且运行工况适应性强、在线实施集成性高，为IGBT芯片结温的在线检测提供了理论依据。
　　其次，针对P-i-N二极管中广为应用的大电流注入法存在的结温提取盲区问题，本文通过建立芯片结温，反向恢复电荷模型，阐明了二极管结温与换流IGBT及运行环境参数之间的单调变化规律。因此，提出了基于恢复电流最大变化率和电流下降时期恢复电荷的动态热敏感电参数方法，并巧妙地借助与之换流大功率IGBT模块内部寄生电感LeE上的感应电压对反向恢复电流的捕获功能，把恢复电流最大变化率的测量转化为感应电压负峰值的检测，同时把电流下降时期恢复电荷的测量转化为感应电压在恢复阶段所包围的面积与持续时间之积的运算。实验结果表明，恢复电流最大变化率和电流下降时期恢复电荷这两个动态热敏感电参数的的灵敏度高，且适合高温运行工况，为P-i-N二极管的在线结温提取提供了新方法。
　　再次，论文揭示了IGBT模块在开通与关断瞬态过程中的动态电气参数与IGBT模块寄生电感LeE上感应电压veE之间的一一对应关系，并深入分析相关动态电气参数与芯片结温的相互作用机理，通过分析动态热敏感电参数在感应电压横向时间轴与纵向电压轴的分布特征，把动态热敏感电参数分为时变型参数、压变型参数和荷变型参数等三大类型。该分类方法为寻找和研究新型动态热敏感电参数提供了新思路。此外，针对不同类型的动态热敏感电参数，分别从线性度、灵敏度、校正程序、和在线实施等方面进行了综合评估和实验验证，为动态热敏感电参数的工程应用提供了理论与数据支持。
　　最后，本论文提出的基于IGBT模块内部寄生电感的动态热敏电参数法，由于利用了动态电气参数与结温之间的一一对应关系，从而间接地获取了模块内部芯片结温信息。同时借助IGBT模块内部寄生电感LeE的媒介作用，实现了对动态热敏感电参数进行直接测量。该方法无需打开模块封装即可获取结温信息，而且又避免了对高电压大电流电气量的直接测量;具有响应快、灵敏度高、成本低、集成性好的特点，为大功率IGBT模块芯片结温的检测提供了新思路。该类方法不仅适用于大功率IGBT模块内部IGBT芯片与二极管芯片的结温提取，还可以拓展至诸如IGCT、IGET等大功率器件模块的应用中。

目录

声明

论文说明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 目的与意义

1．2 大功率IGBT模块的结温提取研究现状

1．2．1 热敏感电参数法(TSEP)的研究现状

1．2．2 典型热敏电参数法的性能指标对比

1．2．3 常规热敏感电参数法研究的总结

1．2．4 热敏感电参数法研究的挑战

1．3 研究内容

第2章 3600A等级动态特性测试平台研制

2．1 大功率IGBT开关特性测试目标

2．1．1 线路杂散参数量的提取

2．1．2 动态电气参数的提取

2．2 动态测试平台硬件参数设计

2．2．1 双脉冲测试法

2．2．2 双脉冲测试法的主要挑战

2．2．3 关键参数设计

2．2．4 设计算例分析

2．3 动态特性测试平台及其测试结果分析

2．3．1 大功率IGBT模块测试平台

2．3．2 大功率IGBT模块动态特性测试结果

2．4 大功率IGBT模块高温失效机理分析

2．4．1 多芯片大功率模块失效现象

2．4．2 电气瞬态失效现象分析

2．4．3 电路级失效诱因分析

2．4．4 芯片级失效诱因分析

2．4．5 综合失效机理分析

2．5 本章小结

第3章 基于动态热敏感电参数的IGBT结温在线提取方法

3．1 硅基功率半导体器件参数与温度的相关性

3．2 多芯片大功率IGBT模块非理想的封装结构

3．3 基于关断延迟时间的动态热敏感电参数

3．3．1 计及寄生电感LeE的IGBT模块关断特性分析

3．3．2 基于veE电压的关断延迟时间热敏感电参数

3．3．3 关断延迟时间热敏感电参数与温度的相关性

3．3．4 实验验证

3．3．5 在线测试可行性分析

3．4 基于关断电流最大变化事的动态热敏感电参数

3．4．1 提取关断电流最大变化事的可行性分析

3．4．2 基于最大关断电流变化率的热敏感电参数相关性分析

3．5 本章小结

第4章 基于动态热敏感电参数的高压P-i-N二极管结温在线提取方法

4．1 P-i-N二极管热敏感电参数法的可行性分析

4．2 二极管反向恢复电流的提取方法

4．3 基于反向恢复电流最大变化事的热敏感电参数法

4．3．1 影响反向恢复电流变化率的因素

4．3．2 反向恢复电流变化率与温度的相关性

4．3．3 实验验证

4．3．4 相关性分析及校正程序流程

4．4 基于下降时期的反向恢复电荷的热敏感电参数法

4．4．1 反向恢复电荷热敏感电参数的提取方法

4．4．2 下降时期反向恢复电荷与温度的相关性

4．4．3 实验验证

4．4．4 在线测试可行性分析

4．5 本章小结

第5章 以寄生电感为媒介的IGBT模块动态热敏感电参数提取方法

5．1 开关过程对veE的影响

5．2 基于veE电压的热敏感电参数分类方法

5．3 三类热敏感电参数实验结果与性能对比

5．3．1 时变型热敏电参数实验对比分析

5．3．2 压变型热敏电参数实验对比分析

5．3．3 荷交型热敏电参数实验对比分析

5．4 驱动电阻对动态热敏感电参数的影响

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 论文工作总结

6．2 今后工作展望

攻读博士学位期间论文与专利成果

参考文献