楊寧, 劉偉志, 張林林, 廖永康, 葛興來

(1.中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所,北京 100081; 2.北京縱橫機(jī)電科技有限公司,北京 100094;3.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)

0 引 言

作為功率變流器中能量變換與傳輸?shù)暮诵牟考?絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)憑借其高耐壓、低導(dǎo)通壓降以及高開關(guān)速率的性能在軌道交通、新能源發(fā)電以及航天領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用[1-3]。隨著上述行業(yè)的快速發(fā)展,IGBT所需的功率等級逐漸提升,器件封裝趨于緊湊,使得IGBT的溫升顯著,IGBT模塊的失效率明顯增大。統(tǒng)計(jì)表明,由溫度引起的功率模塊失效占比高達(dá)55%[4],因此,IGBT結(jié)溫監(jiān)測對于評估器件運(yùn)行狀況與剩余壽命、實(shí)施主動(dòng)熱管理具有重要的意義[5-7]。

由于IGBT芯片封裝于模塊內(nèi)部,其結(jié)溫難以直接測量,因此實(shí)際工況下的IGBT結(jié)溫監(jiān)測一直是研究難點(diǎn)。當(dāng)前常用的IGBT結(jié)溫監(jiān)測方法主要有物理接觸法、紅外熱成像法、熱網(wǎng)絡(luò)模型法以及溫敏參數(shù)法[8-11]。前兩種方法需要對IGBT模塊進(jìn)行開封,且需要特定的設(shè)備,因此在實(shí)際中難以推廣。熱網(wǎng)絡(luò)模型法需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算,且該方法的準(zhǔn)確度依賴于模型精確度,而模型建立所需的器件參數(shù)不易獲取,同時(shí)會受到模塊老化的影響。溫敏參數(shù)法則是基于外部電參數(shù)與結(jié)溫的關(guān)系[12-13],通過對電參數(shù)的監(jiān)測去推導(dǎo)IGBT芯片的結(jié)溫,該方法響應(yīng)速度快,無需對模塊進(jìn)行開封,不需要復(fù)雜的模型推導(dǎo),且部分溫敏參數(shù)不受老化影響,因此溫敏參數(shù)法在實(shí)際中得到了較好的應(yīng)用。

目前很多的溫敏參數(shù)已經(jīng)用于監(jiān)測結(jié)溫,與IGBT功率回路相關(guān)的參數(shù)主要有導(dǎo)通飽和壓降VCE-ON[14]、短路電流ISC[15]、關(guān)斷最大電流變化率dic/dt[16]以及關(guān)斷電壓變化率dV/dt[17]等。VCE-ON在小電流下與結(jié)溫有較好的線性度,但在變流器實(shí)際運(yùn)行中無法實(shí)現(xiàn)對小電流飽和壓降的測量,而大電流飽和壓降存在非線性問題,此外測量飽和壓降需要專用的測量電路,以隔離母線電壓的影響。短路電流ISC與結(jié)溫的靈敏度較高,但需要改變變流器的PWM信號并向變流器注入短路電流,存在安全隱患且同樣需要設(shè)計(jì)特定的驅(qū)動(dòng)電路。關(guān)斷電流變化率dic/dt可通過測量開爾文與功率發(fā)射極之間的電壓VeE間接獲取,進(jìn)而對結(jié)溫進(jìn)行監(jiān)測,但VeE數(shù)值較小,且同時(shí)與負(fù)載電流、母線電壓等因素有關(guān)。而關(guān)斷電壓變化率dV/dt同樣受到負(fù)載電流、母線電壓的影響,因此實(shí)際應(yīng)用存在困難。

相比之下,與IGBT柵極回路相關(guān)的溫敏參數(shù)測量更加方便與穩(wěn)定,主要有閾值電壓Vge-th[18]、柵極電流最大值Ig-pek[19]以及米勒平臺高度Vml[20]。其中閾值電壓Vge-th與溫度具有良好的線性關(guān)系,但一般需要在特定電流下進(jìn)行采集,導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用困難。柵極電流峰值Ig-pek不受變流器運(yùn)行工況的影響,與結(jié)溫線性度較高,但隨溫度變化的數(shù)值較低。米勒平臺Vml的靈敏度較高,但還與負(fù)載電流和器件老化有關(guān),為保證監(jiān)測結(jié)果可靠,因此實(shí)際應(yīng)用中需在特定電流下進(jìn)行。

綜上所示,已有的溫敏參數(shù)通常受到負(fù)載電流、母線電壓等多種因素的耦合影響,部分溫敏參數(shù)與運(yùn)行工況無關(guān),但會存在結(jié)溫監(jiān)測靈敏度較低的問題。因此,本文提出了一種基于變流器特定開通時(shí)刻下米勒平臺的IGBT結(jié)溫監(jiān)測方法,該方法通過在IGBT反并聯(lián)二極管導(dǎo)通時(shí)對柵射極電壓進(jìn)行采集,獲取特定時(shí)刻下的米勒平臺高度Vml對結(jié)溫進(jìn)行監(jiān)測,可有效避免負(fù)載電流、母線電壓等因素對結(jié)溫監(jiān)測的影響。

本文首先對變流器的通流模式進(jìn)行分析,指明文中所提特定開通時(shí)刻的物理含義。其次,理論分析在該開通時(shí)刻下IGBT柵極回路的充電過程,分析該過程中IGBT米勒平臺Vml與結(jié)溫Tj的物理聯(lián)系。進(jìn)一步,搭建小功率整流器實(shí)驗(yàn)平臺獲取不同測試條件下的實(shí)測數(shù)據(jù),進(jìn)而建立IGBT結(jié)溫與Vml間的映射關(guān)系,之后,改變負(fù)載工況對建立的映射關(guān)系進(jìn)行驗(yàn)證。最后,對所提溫敏特征參數(shù)的影響因素進(jìn)行分析。理論與實(shí)驗(yàn)表明,本文所提特定開通時(shí)刻下IGBT米勒平臺與結(jié)溫的線性度較好,不受運(yùn)行工況的影響,且可在變流器運(yùn)行條件下實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的IGBT結(jié)溫監(jiān)測。

1 特定開通時(shí)刻下米勒平臺監(jiān)測結(jié)溫的原理

1.1 變流器通流模式分析

在變流器拓?fù)渲?一個(gè)橋臂通常由2個(gè)IGBT模塊及其反并聯(lián)二極管組成,由于負(fù)載電流IL有流入或流出這兩種流通方向,從而橋臂在換流時(shí)有兩種通流模式。為了便于分析,定義橋臂開關(guān)信號S為:

(1)

當(dāng)開關(guān)信號S為1時(shí),只有上管IGBT和二極管可以進(jìn)行通流,當(dāng)電流IL流出橋臂時(shí),電流通過上管IGBT,而當(dāng)電流IL流入橋臂時(shí),電流只能通過上管二極管進(jìn)行續(xù)流,如圖1(a)所示;同理,當(dāng)開關(guān)信號S為0時(shí),只有下管IGBT和二極管可以進(jìn)行通流,其流通路徑與電流方向如圖1(b)所示。

圖1 不同負(fù)載電流方向下的換流模式

而在變流器控制運(yùn)行中,當(dāng)開關(guān)信號S為1時(shí),無論電流方向如何,上管IGBT模塊的柵射極兩端都會施加正電壓;當(dāng)S為0時(shí),下管IGBT模塊柵射極兩端會施加正壓。分析可知,這一控制方式會出現(xiàn)IGBT柵射極被施加正電壓,但負(fù)載電流流經(jīng)IGBT模塊反并聯(lián)二極管的特定情況。在這種特定開通時(shí)刻下的IGBT柵射極電壓不受運(yùn)行工況的影響,因此可作為良好的溫敏特征參數(shù)。

考慮實(shí)際工況下變流器橋臂上下模塊的驅(qū)動(dòng)控制信號存在死區(qū)時(shí)間的情況,圖2顯示了開關(guān)信號S從1變?yōu)?階段中,上管與下管IGBT柵射極電壓的實(shí)測波形,如圖2所示,上管Vge降到低電平后,經(jīng)過3 μs后,下管Vge才開始上升至高電平。

圖2 橋臂換流過程中的死區(qū)時(shí)間

1.2 特定開通時(shí)刻下的米勒平臺分析

由上節(jié)分析,在特定開通時(shí)刻下IGBT模塊柵射極驅(qū)動(dòng)電壓變?yōu)楦唠娖絍g(on)時(shí),其反并聯(lián)二極管已經(jīng)導(dǎo)通,負(fù)載電流經(jīng)并聯(lián)二極管續(xù)流,因此,IGBT集射極電壓Vce為二極管正向?qū)▔航档呢?fù)值,此時(shí)發(fā)射極電壓高于集電極電壓,在這種狀態(tài)下IGBT無法通過電流。為研究此開通過程中米勒平臺與結(jié)溫間的內(nèi)在聯(lián)系,如實(shí)測柵射極電壓Vge波形如圖3所示,本文將此開通過程中的柵射極電壓Vge分為3個(gè)階段進(jìn)行分析。

圖3 Vge充電過程

[t0-t1]階段:在t0時(shí)刻,驅(qū)動(dòng)電源電壓變?yōu)楦唠娖綇亩霈F(xiàn)柵極電流,此階段柵極電流可以看做給柵射極電容Cge與柵集極電容Cgc充電。Vge的變化趨勢可以表示為

(2)

式中:Rg為柵極驅(qū)動(dòng)電阻與柵極內(nèi)阻的總值;Cies為Cge與Cgc的總值。

在此階段中,當(dāng)Vge達(dá)到平帶電壓Vp后,Cge減小導(dǎo)致柵極電流給電容充電速率加快,從而Vge的上升斜率變大。

[t1-t2]階段:在t1時(shí)刻,Vge上升至米勒平臺電壓Vml,Vge由于負(fù)反饋?zhàn)饔镁S持在米勒平臺Vml。下面詳細(xì)分析此特定開通時(shí)刻下米勒平臺的實(shí)際物理含義,為進(jìn)行說明,圖4顯示了IGBT的芯片結(jié)構(gòu)。由于導(dǎo)電溝道完全貫穿,因此圖中IGBT處于線性工作模式,進(jìn)而有

圖4 IGBT結(jié)構(gòu)圖

(3)

式中:Z表示垂直于紙面方向的芯片尺寸;un表示溝道中的電子遷移率;Cox表示柵極氧化層電容;LCH表示溝道長度;Vth表示閾值電壓;IC表示集電極電流。

如圖4所示,假設(shè)柵射極電壓Vge在驅(qū)動(dòng)電源電壓的作用下增大ΔVge后,MOSFET的溝道電流也隨之增大,這部分電流從IGBT發(fā)射極流向IGBT集電極對電容Cdep2進(jìn)行充電,造成電容Cdep2兩端電壓增加,而由于發(fā)射極與集電極電壓Vce恒定為二極管導(dǎo)通壓降VD,因此會導(dǎo)致E1點(diǎn)的電勢升高,而E2點(diǎn)的電勢等于集電極電勢,所以電容Cox1的電壓E2-E1會降低,即Vge會由于負(fù)反饋的作用降低并且維持在Vml平臺附近。而特定開通時(shí)刻下IGBT芯片不會流過電流,即IC為0,因此由式(3)可知此時(shí)Vml的電壓應(yīng)近似等于閾值電壓Vth,而該參數(shù)已被證明不受變流器運(yùn)行工況的影響,且與器件結(jié)溫存在良好的線性關(guān)系[21]。

[t2-t3]階段:柵極電流繼續(xù)給Cgc和Cge進(jìn)行充電,直到Vge到達(dá)驅(qū)動(dòng)電壓最大值,Vge可以表示為

(4)

影響Vge曲線的2個(gè)IGBT寄生電容Cge與Cgc主要由耗盡層電容Cdep與氧化層電容Cox組成,其分布情況如圖4所示,圖中Cge主要由Cdep1和Cox1串聯(lián)而成,而Cgc主要由Cox2與Cdep2組成。由于在本文所提及的特定條件下,IGBT集射極Vce為負(fù)壓,所以會導(dǎo)致靠近集電極的PN結(jié)反偏,形成耗盡層電容Cdep2。

1.3 結(jié)溫對閾值電壓的影響

由上述分析可知,在特定開通時(shí)刻下,Vml就等于閾值電壓,而閾值電壓是一個(gè)很好的溫敏參數(shù)。

閾值電壓定義的是柵射極電壓增加到柵極下方形成強(qiáng)反型層的電壓,根據(jù)半導(dǎo)體知識可知閾值電壓Vth可以表示為

(5)

式中:φB為表面勢能;εs表示材料的相對介電常數(shù);NA為摻雜濃度;Cox為柵極氧化電容。其中φB可以表示為

(6)

式中:K為玻爾茲曼常數(shù);Tj為結(jié)溫;ni為本征載流子濃度。其中ni可以表示為

(7)

式中:Eg為禁帶寬度;C為比例常數(shù)。

在Vth的表達(dá)式中,只有φB與結(jié)溫有關(guān),進(jìn)而dVth/dTj可以表示為[21]

(8)

而上式可以近似認(rèn)為是一個(gè)與溫度無關(guān)的常數(shù),即Vth與Tj有很好的線性關(guān)系。

在本文所提的特定開通時(shí)刻下,米勒平臺Vml等于閾值電壓Vth的值,所以Vml與溫度有較好的線性關(guān)系,而且由于二極管導(dǎo)通導(dǎo)致IGBT兩端電壓恒定且沒有電流流過,因此相對于正常開通狀態(tài)下的米勒平臺而言,此時(shí)Vml不受母線電壓與負(fù)載電流的影響,可作為良好的溫敏參數(shù),同時(shí),相比于此前研究中直接測量Vth而言,測量該特定時(shí)刻下的Vml方法無需監(jiān)測電流的大小,使得測量更為簡單快捷。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果分析

2.1 整流器實(shí)驗(yàn)平臺

本文以英飛凌FF50R12RT4型號的IGBT模塊為例進(jìn)行驗(yàn)證分析。圖5(a)為開封后的模塊實(shí)物圖,便于直接測取結(jié)溫信息,圖5(b)和圖5(c)分別為模塊的內(nèi)部布局圖與等效電路圖,其中一個(gè)IGBT模塊由2個(gè)芯片串聯(lián)構(gòu)成,每個(gè)芯片的兩端反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管,共同置于銅基板上面。

圖5 FF50R12RT4型號IGBT模塊

進(jìn)一步搭建小功率整流器實(shí)驗(yàn)平臺對本文方法進(jìn)行測試與驗(yàn)證。整流器實(shí)驗(yàn)平臺拓?fù)淙鐖D6所示,其中平臺主電路結(jié)構(gòu)由2個(gè)FF50R12RT4模塊組成,其中a橋臂模塊的上管作為該實(shí)驗(yàn)中的測試器件,平臺的控制部分由Dspace控制器以及上位機(jī)實(shí)現(xiàn)。平臺的測量部分由紅外測溫儀、加熱板以及高精確度示波器等設(shè)備組成。圖7顯示為實(shí)驗(yàn)平臺的實(shí)物圖。

圖6 整流器IGBT結(jié)溫監(jiān)測實(shí)驗(yàn)原理圖

圖7 整流器IGBT結(jié)溫監(jiān)測實(shí)驗(yàn)平臺

整流器中IGBT模塊通過導(dǎo)熱硅脂與加熱板接觸,加熱板可以快速調(diào)節(jié)IGBT模塊的芯片溫度至特定溫度,在對被測IGBT模塊進(jìn)行開封后,可通過紅外測溫儀直接讀取結(jié)溫信息,以完成結(jié)溫參考數(shù)據(jù)集的離線采集。

整流器實(shí)驗(yàn)平臺的相關(guān)參數(shù)和測試組別如表1所示,其中:Ud為母線電壓;fs為基波頻率;其余參數(shù)含義見圖7。實(shí)驗(yàn)中通過加熱板對IGBT模塊進(jìn)行加熱,使得被測IGBT的結(jié)溫Tj在30～100 ℃每隔10 ℃變化一次,期間待溫度穩(wěn)定后,通過傳感器采集被測模塊上管的驅(qū)動(dòng)電壓Vge與負(fù)載電流Ic。測試過程中整流器一個(gè)基波周期實(shí)驗(yàn)波形如圖8所示。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖8 整流器DQ解耦控制效果

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了消除系統(tǒng)噪聲與振蕩的干擾,對獲取的Vge數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。當(dāng)負(fù)載電流Ic>0,整流器a橋臂上管的二極管導(dǎo)通,此時(shí)對應(yīng)的上管驅(qū)動(dòng)電壓即包含所需的米勒平臺Vml,以負(fù)載電流約5 A條件下的樣本為例,圖9展示了經(jīng)過濾波處理的Vml結(jié)果。

圖9 負(fù)載電流為5 A時(shí)對應(yīng)的Vml

進(jìn)一步,為了建立特定條件下米勒平臺Vml與結(jié)溫Tj的關(guān)系,對于實(shí)驗(yàn)組1,米勒平臺的持續(xù)時(shí)間在140 ns左右,為了消除噪聲等因素的影響,用平臺階段的50個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)取其平均值作為此次過程中的Vml值建立結(jié)溫監(jiān)測模型的輸入數(shù)據(jù)。本文利用MATLAB自帶的Cftool擬合工具箱對Vml與Tj進(jìn)行擬合,如圖10所示,擬合信息如表2所示,即

表2 Vml與Tj的擬合信息

圖10 結(jié)溫參考數(shù)據(jù)集的擬合結(jié)果

Tj=p1Vml+p2。

(9)

式中p1～p2為擬合函數(shù)的系數(shù)。

由表2可知,擬合的優(yōu)度R-square為0.985 2,這表明Vml與Tj兩者之間存在很好的線性關(guān)系且由圖10的結(jié)果可知,隨著結(jié)溫的增大,Vml會隨之減小,這與文獻(xiàn)[19]的中的Vth和結(jié)溫間關(guān)系的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符。

進(jìn)一步,為驗(yàn)證所提特定時(shí)刻下Vml對于變流器多工況下的泛化能力,獲取實(shí)驗(yàn)組2測得的Vml數(shù)據(jù)對式(9)進(jìn)行驗(yàn)證。圖11為選取測試樣本,將平臺中的50個(gè)采樣點(diǎn)取平均值作為此次Vml,分別將其帶入關(guān)系式進(jìn)行結(jié)溫計(jì)算。圖12展示了測試樣本的結(jié)溫計(jì)算結(jié)果和實(shí)際結(jié)果的對比,可以看出,驗(yàn)證組計(jì)算結(jié)溫分別為41.2、60.3、79.6、99.2、109.5 ℃,而實(shí)際結(jié)溫分別為40、60、80、100、110 ℃,平均預(yù)測精確度可達(dá)99.1%,與實(shí)際的結(jié)溫?cái)?shù)值基本一致,這表明所建立的函數(shù)關(guān)系式是準(zhǔn)確的,且具備較強(qiáng)的泛化能力。

圖11 實(shí)驗(yàn)2不同溫度下對應(yīng)的Vml采樣點(diǎn)

2.3 影響因素分析

上述擬合了Vml與Tj的函數(shù)關(guān)系,并對其在不同工況下的應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證,但是溫敏參數(shù)往往會受到電壓與電流的影響,因此本節(jié)采用實(shí)驗(yàn)組3、4和5的數(shù)據(jù),通過改變IGBT網(wǎng)側(cè)電壓電流,分別分析母線電壓Ud、負(fù)載電流Ic對Vml的影響。圖13、圖14分別為結(jié)溫Tj30 ℃下,母線電壓Ud、負(fù)載電流Ic單一影響因素變化時(shí)的米勒平臺Vml。

圖13 母線電壓Ud對米勒平臺Vml的影響

圖14 負(fù)載電流Ic對米勒平臺Vml的影響

由圖13可知,隨著母線電壓的變化,特定條件下的Vml基本不會發(fā)生變化,且由圖14的結(jié)果可知,Vml也不受到負(fù)載電流的影響,這與前文的理論分析相符。實(shí)際上,在此特定開通時(shí)刻下電流只由續(xù)流二極管通流,而不流過被測IGBT,被測IGBT芯片兩端的電壓恒為二極管導(dǎo)通電壓的負(fù)值-VD,因此可知其同時(shí)不受負(fù)載電流和母線電壓的影響。

因此,所提基于變流器特定開通時(shí)刻下米勒平臺Vml可實(shí)現(xiàn)結(jié)溫Tj的準(zhǔn)確監(jiān)測,其與結(jié)溫具有良好的線性關(guān)系,且不受母線電壓與負(fù)載電流的影響。

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于特定開通時(shí)刻下米勒平臺的IGBT結(jié)溫監(jiān)測方法,基于瞬態(tài)分析對該方法進(jìn)行了理論證明,同時(shí)搭建整流器小功率實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,得出如下結(jié)論:

1)本文通過理論分析揭示了特定開通時(shí)刻下米勒平臺不受工況影響的原理,以及該參數(shù)與結(jié)溫的內(nèi)在物理聯(lián)系。

2)本文通過在小功率整流器實(shí)驗(yàn)平臺進(jìn)行測試,以英飛凌FF50R12RT4型號的IGBT模塊為例,證明了所提參數(shù)與結(jié)溫存在較好的線性關(guān)系,并建立了該模塊結(jié)溫與所提參數(shù)的函數(shù)關(guān)系,同時(shí)利用不同工況的樣本進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明該方法的結(jié)溫監(jiān)測精確度較高。

3)進(jìn)一步對本文所提參數(shù)的影響因素進(jìn)行了分析,結(jié)果表明該參數(shù)是良好的溫敏參數(shù)。