一种通过关断时集电极-发射极电压变化率的峰值来监测桥级IGBT结温的方法

《Microelectronics Journal》：A bridge-level IGBT junction temperature monitoring method via the peak of collector-emitter voltage change rate during turn-off

　　杜明星|彭欣怡|杨建雄 中国天津天津工业大学新能源功率变换传输与智能控制天津重点实验室 摘要 对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结温进行精确监测对于保证变换器的可靠性至关重要。本文提出了一种基于IGBT模块关断瞬态期间集电极-发射极电压变化率dVCEB/dt|peak峰值的桥级结温监测方法。与传统器件级方法不同，该方法利用半桥拓扑结构的特点，仅需测量下层IGBT的集电极-发射极电压变化率的正负峰值，即可准确监测半桥模块中两个IGBT的结温，从而降低了监测系统的复杂度和成本。双脉冲测试结果表明，在各种工作条件下，dVCEB/dt的正负峰值与相应IGBT结温之间存在较强的负相关关系，且不受键合线老化的影晌，展现出优异的温度敏感性和抗老化干扰能力。此外，该方法在三相变换器上进行了实验验证，结温监测误差在±3.2°C范围内，证明了其在实际工程应用中的可行性和准确性。引言 绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为一种复合型电力电子器件，兼具金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）的高输入阻抗和易于驱动的优点，以及双极型晶体管（BJT）的低导通压降和高电流密度优势。因此，它被广泛应用于光伏发电系统、风力发电变换器、工业电机驱动、电动汽车牵引系统以及智能电网等领域[[1], [2], [3]]。统计数据显示，在电力电子变换器的故障中，电力电子器件的故障率最高，可达34%[4]。作为典型的电力半导体器件，IGBT模块的可靠性直接关系到整个系统的安全与稳定运行，是其稳定运行的关键因素。在运行过程中，电力器件会承受各种应力；研究表明，大约55%的IGBT模块故障是由热应力引起的结温异常波动所致[5]。因此，对IGBT模块结温进行精确且实时的监测，不仅有助于评估模块本身的健康状况，还能为整个电力电子变换器系统的可靠运行提供重要保障。在IGBT模块结温监测领域，现有技术主要分为四类：物理接触法、光学测量法、热网络模型法以及温度敏感电气参数法。物理接触法通过内置的温度敏感元件，如负温度系数热敏电阻，直接测量温度。但由于传感器与芯片之间存在多层热阻，导致监测到的结温与实际结温存在偏差，且动态响应较慢，无法实现结温的实时监测[6]。红外热成像和激光检测属于典型的光学方法，它们能够直观地获取芯片表面的温度场分布，从而避免了电气测量中引入的寄生参数问题。然而，这类方法的应用需要修改器件封装结构以确保监测精度，因此通常用于实验室环境中对IGBT模块结温监测的辅助校准和验证，难以直接应用于实际工程场景[7]。热网络模型法则是通过建立IGBT模块内部热传导路径的等效电路模型，基于功率损耗与电热参数之间的关系间接计算结温。但这种方法只能模拟正常工作条件下的结温变化，一旦系统出现故障或器件老化导致热参数发生变化，预测误差就会显著增大[8]。温度敏感电气参数法则是通过器件的外部电气参数来表征内部物理特性随结温的变化情况。与其他方法相比，该类方法具有动态响应快、估算精度高、监测成本低以及无需破坏封装等优点。迄今为止，已有大量研究基于温度敏感电气参数提出了多种用于电力电子设备热特性分析的结温监测方法。根据参数提取时的电气状态，这些温度敏感电气参数可分为静态型和动态型两类[9]。静态温度敏感电气参数是在器件处于稳态导通或关断状态时测量的，主要包括导通饱和电压VCE(on)[10]和短路电流Isc[11]。而动态温度敏感电气参数则是在开关瞬态过程中测量的，比静态类型更适用于结温监测[12]，主要包括栅极阈值电压Vth[13]、米勒平台电压Vmil[14]、米勒平台持续时间tmil[15]、关断延迟时间td-off[6]以及集电极电流变化率dIC/dt|max的峰值[16]。然而，传统的IGBT模块结温估算方法大多采用器件级监测架构。当应用于多通道变换器系统时，这类方法要求监测单元的数量与IGBT器件的数量相同，从而导致系统复杂度和成本上升，限制了其在多通道变换器中的应用。因此，基于桥级甚至变换器级架构开发IGBT模块结温监测方法已成为研究热点。参考文献[17]提出了一种基于母线电压振铃峰值的方法。虽然该方法可以实现变换器级的结温监测，但电源回路的杂散电感并非器件的固有参数，因此在应用于不同电路拓扑结构时需要重新校准。此外，该方法的准确性还会受到母线电容老化的影晌。参考文献[18]则利用下层IGBT模块的开尔文发射极-发射极电压的过冲峰值VeE-max，提出了一种监测上下层IGBT模块结温的方法。尽管该方法精度较高，但它缺乏通用性，仅适用于具有开尔文封装结构的IGBT模块。而且，VeE-max与键合线的寄生电感Lbw密切相关，因此当键合线断裂或脱落时，其准确性可能会受到影响。为了解决这些局限性，本文提出了一种基于IGBT模块关断瞬态期间集电极-发射极电压变化率dVCE/dt|peak峰值的桥级结温监测方法。该方法基于这样的原理：集电极-发射极电压变化率的正负峰值（dVCEB/dt|peak+和dVCEB/dt|peak-）分别对应于下层和上层IGBT的结温。结合基于负载电流方向的时序选择，该方法仅需一个测量点即可实现桥级结温监测。该方法不依赖于具有开尔文封装结构的IGBT模块，具有较高的灵敏度和准确性，且不受键合线老化和电源回路杂散电感的影响。它适用于所有采用互补驱动模式的电压源型功率变换拓扑结构。本文的其余部分安排如下：第2节分析dVCE/dt|peak与结温Tj、直流母线电压Vbus以及负载电流IL之间的相关性；第3节阐述基于关断时dVCEB/dt|peak的桥级结温监测方法的原理；第4节通过双脉冲测试和三相变换器实验验证所提方法的有效性和准确性；第5节探讨适合在线监测应用的参考电路设计，并与其他方法进行比较分析；最后，第6节对全文进行总结。图表片段 IGBT关断时集电极-发射极电压变化率的峰值 图1展示了一个典型焊接式IGBT的多层结构，主要包括IGBT芯片、续流二极管（FWD）芯片、铝制键合线、上下层铜层、陶瓷层、焊料层、基板以及散热底板。图2显示了IGBT关断过程中栅极电压VGe、集电极-发射极电压VCE、集电极电流IC以及集电极-发射极电压变化率dVCE/dt的典型波形。在t0时刻，IGBT开始……桥级结温监测方法的原理 在本文中，当负载电流从半桥臂的中点流向负载时定义为正方向，反向流动时则为负方向。图4(a)和(b)分别展示了两种电流方向对应的双脉冲测试电路。当负载电流为正时，会在上层IGBT QT的栅极施加负电压VG-off，从而启动其关断过程。随着QT的栅极-发射极电压VGe进入米勒区域……双脉冲测试实验平台的构建 为了验证基于dVCEB/dt|peak+和dVCEB/dt|peak-的桥级结温监测的可行性和准确性，本文搭建了一个用于不同负载电流方向的双脉冲测试实验平台。图8展示了正负载电流条件下的双脉冲测试电路，其关键参数包括母线电压Vbus、母线电容Cbus、负载电感Lload、栅极驱动电阻Rg、栅极回路寄生电感Lg、IGBT栅极-集电极寄生电容Cgc……在线监测的发展趋势 在实际应用中，在线监测结温已成为评估IGBT模块健康状况的主流方法。然而，电压变化率的在线采集通常需要使用高频宽、高共模抑制比以及高电压差的探针，这会导致较高的监测成本，进而影响其在实际系统中的集成应用。为了解决这一问题，本小节提出了一种如图22所示的在线监测电路设计方案。结论 本文提出了一种全新的IGBT结温监测方法，该方法利用下层IGBT的电压变化率的正负峰值，结合负载电流方向和开关顺序逻辑，仅需一个测量点即可实现对半桥模块中两个IGBT结温的独立监测，从而将监测架构从器件级简化为桥级。在……上的验证 竞争性利益声明 作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知竞争性财务利益或个人关系。致谢 作者衷心感谢天津市自然科学基金重点计划（24JCZDJC00690）以及中国国家重点研发计划（2022YFB4200703）的支持。