基于关断延迟时间的IGBT模块结温提取方法

2019-10-07 21:46:00 Westpac Electronics
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大功率IGBT模块作为主功率开关器件,在新能源风力发电系统、轨道交通牵引变流设备和高压直流输电等领域得到了广泛的应用。以上系统的高安全性需求使得功率器件的可靠性成为研究热点之一。研究表明,电力电子变流器的故障有31%可以归因于功率器件的失效,而60%的器件失效故障是由于热应力引起的,器件工作结温越高,安全运行裕度越小;结温波动越大,热循环寿命越短。在正常工作温度范围内,器件结温每上升10℃,失效率将会翻倍。因此,监测功率器件的工作结温对于失效机理分析和寿命预测非常关键。除此之外,结温监测为功率器件的状态监测、可靠性评估和热平衡控制提供了数据支撑,使其成为可能。
 
  目前,器件结温检测方法有热传感器法、红外热成像法、热敏电参数法和RC热阻网络法等,其中热敏电参数法将功率模块芯片本身作为热传感器,从器件的电气参数入手,通过建立器件电气参数与温度的对应关系来测量结温,使得功率模块结温在线监测成为可能。使用热敏电参数法实现功率模块结温的在线监测需具有以下要求:
  1)非侵入性。既不影响功率器件原有的工作状态及特性,也不改变原有的控制方案;
  2)可集成性。热敏电参数的检测及处理电路最好能与原有电路(如驱动板等)进行集成。
 
  IGBT经典参数包括短路电流、饱和电流和饱和电压,这3种状态均不能反映IGBT的正常工作状态,难以有效地实现在线监测;静态参数包括导通压降uce,但在实际测量中由于IGBT开关动作,使得uce在导通状态下的几伏与关断状态下上千伏之间切换,难以保证测量精度或需要设计特殊电路;动态特性参数包括阈值电压uT和开通延迟时间tdon,关断du/dt和开通di/dt。其中,uT和tdon原理一致,均利用了uT的热特性,但其敏感度较低,降低了测量的准确性;关断du/dt的提取需要在IGBT并联额外的电容进行转换,影响了IGBT的实际开关运行特性;IGBT开通电流包含与其换流的二极管反向恢复电流,因此di/dt不能完全反映IGBT的结温特性。除此之外,最大关断电流变换率di/dt进行结温测量曾通过添加磁螺旋管的电流互感器进行提取,难以进行集成,限制了其在大功率模块化变流器中的工程应用。
 
  本文利用关断延迟时间作为热敏电参数,针对大功率IGBT模块封装特点,借助封装结构自身固有的杂散电感在关断过程中感应出的电压来提取关断延迟时间,进而实现IGBT结温的提取。该方法利用IGBT模块自身的寄生电感,不需要引入其他辅助测量元件,同时便于通过与有源驱动技术相集成,实现IGBT结温的实时监测。
 
  1. 关断延迟时间影响因素特性分析
  1.1受结温影响特性分析
  根据上篇文章分析
,关断延迟时间tdoff可计算如下:

计算公式6 

  式(6)中,受温度变化影响的参数有Cgc、ugp和uon,下文进行细致分析。
 
  1)密勒电容Cgc。
  密勒电容Cgc由门极氧化层电容Cox和耗散电容Cdep两部分串联而成。其中,Cox与门极氧化层有关,与温度无关,Cdep的表达式为:

计算公式7 

  式中:A为电容区的有效面积;ε为介电常数;q为单位电荷量;ND、NA分别为施主和受主的掺杂浓度;uce为IGBT集电极电压。
 
  温度升高时,ND和NA升高导致耗尽电容增加,因此密勒电容Cgc随温度的升高而增加,呈现正温度系数。
 
  2)密勒平台电压ugp
  在密勒平台阶段时刻,集电极电压uce虽已有略微上升,但仍很低,集电极电流维持iL不变。此时,驱动电压ugp是维持集电极电流iL的的最小驱动电压,流过IGBT的电流为uge=ugp下的饱和电流,即icesat=iL
 
  由饱和电流与温度的关系可知,若驱动电压保持不变,饱和电流随温度的升高而增加;若保持IGBT饱和电流不变,则在较高的温度下维持相同的饱和电流所需要的驱动电压要小于温度低的情况。因此,在密勒平台阶段,温度升高,电压ugp降低,呈现负温度系数。
 
  除此之外,在关断延迟时间tdoff中,导通电压uon随温度的升高而增加,但是由于母线电压udc远远大于导通电压uon,温度对于uon的影响可忽略不计。
 
  综上所述,温度升高,ugp减小,Cgc增加,则关断延迟时间随温度的升高而升高,呈现正温度系数。关断延迟时间tdoff受ugp与Cgc变化影响关系如图4所示,其中横坐标为影响因子参考比(定义为Cgc/Cref,ugp/uref),纵坐标为关断延迟时间参考比,(定义为tdoff/tref),其中IGBT工作结温Tj=50℃,集电极电压uce=800V时ugp=uref,Cgc=Cref,tref为该条件下的关断延迟时间。由图4可知,ugp减小和Cgc增加均会引起关断延迟时间的增加,因此IGBT工作结温Tj上升会导致关断延迟时间tdoff的增加。

关断延迟时间tdoff随ugp和Cgc变化趋势图 
图4 关断延迟时间tdoff随ugp和Cgc变化趋势图

 
  1.2受工作电压、电流影响特性分析
  除工作结温以外,IGBT的关断电压和电流同样会影响关断延迟时间的大小。
 
  由IGBT的转移特性曲线,可以得出:

计算公式8、9 

 
  关断电流通过影响密勒平台电压ugp,进而影响关断延迟时间。由式(9)可以得出,关断电流越大,电压ugp越大,因此关断延迟时间越小。
 
  由式(6)可以得出,关关断电压通过影响耗散电容Cdep及密勒电容Cgc和母线电压udc,进而影响关断延迟时间。将式(6)进行整理,可得

计算公式10 

 
  式(10)等号右边第一项与关断电压无关,第二项中导通电压uon和ln(ugon/ugp)远远小于母线电压udc,因此二者的影响可以忽略不计,关断电压(母线电压udc)占据主导因素。同时,由式(7)的耗散电容Cdep及密勒电容Cgc与母线电压udc的关系,可以得出关断延迟时间随关断电压的增加而增加。
 
  综合上述分析,关断延迟时间的影响因素及其影响关系如图5所示,IGBT的工作结温Tj升高会导致关断延迟时间tdoff增加,同时关断电压的增加和关断电流的减小同样影响关断延迟时间,使之增加。

关断延迟时间与其影响因子关系示意图 
图5 关断延迟时间与其影响因子关系示意图

 
  2. IGBT模块离线测试实验验证
  2.1验证实验设计
  根据上文所述,由于大功率IGBT模块的特殊性,其封装结构在辅助发射极端子e与功率发射极端子E之间不可避免的产生寄生电感LeE。在IGBT关断过程中,伴随着驱动电压uge和集电极电流ic的变化,相应的由于dig/dt和dic/dt的作用在该寄生电感上产生同步的感应电压ueE,因此可以用该同步的电压信号作为判断关断延迟时间的依据。
 
  为了验证大功率IGBT模块在关断过程中,关断延迟时间与温度的敏感关系,从IGBT的电气参数中提取结温信息,利用如图2所示的大功率IGBT模块开关特性离线测试系统进行实验验证。实验验证参数如表1所示。

表1 实验测试参数
实验测试参数 

 
  2.2温度对IGBT关断过程的影响
  在800V、400A的关断电压电流等级下,分别在IGBT的结温为50℃和100℃时进行实验测试,验证IGBT工作结温对于关断过程的影响。关断过程电流ic波形和驱动电压uge波形如图6所示,与图6波形时间节点相对应的感应电压ueE波形如图7所示。

不同温度下关断电流ic和驱动电压uge波形 
图6  不同温度下关断电流ic和驱动电压uge波形

 

不同温度下感应电压ueE波形 
图7  不同温度下感应电压ueE波形

 
  将图6中的关断延迟时间与图7中感应电压ueE变化的间隔时间确定的关断延迟时间对比可知,基于IGBT模块辅助发射极e与功率发射极E之间寄生电感LeE感应电压变化的关断延时时间测量方法有效可行。同时,从测试实现的角度上,传统的关断延迟时间测量方法需要同时监测驱动电压和集电极电流两路信号的变化,对大电流进行实时监测增加了硬件成本;而基于寄生电感LeE感应电压变化的关断延时时间测量方法只需监测ueE低压信号,在保证关断延迟时间准确性的同时能够显著降低测试成本。
 
  2.3温度对关断延时时间的影响验证
  在800V、400A的关断电压电流等级下,分别在IGBT的工作结温为25、50、75、100、125℃时进行实验测试,不同温度下的ueE波形对比以及关断延迟时间与温度的变化拟合关系分别如图8、9所示。

不同温度下的关断延迟时间实验结果 
图8 不同温度下的关断延迟时间实验结果

 
  由图9可知,所测IGBT模块工作结温每增加1℃,其关断延迟时间增加7ns,对于纳秒级差异的时间测量,可采用时间间隔测量领域中差分延迟线法,其精度已达数十ps,上述方法可基于FPGA实现高精度的时间检测,同时数字化实现的方法也便于集成。

关断延迟时间随温度变化拟合曲线 
图9 关断延迟时间随温度变化拟合曲线

 
  2.4 关断电压、电流对关断延迟时间的影响
  除温度以外,IGBT关断电压和电流也会影响关断延迟时间的变化。保持IGBT结温25℃不变,分别在不同的电压、电流点(1200V/1400V/1600V,200A/300A/400A/500A)进行相应的实验,通过电压ueE提取的关断延迟时间随电压、电流变化的三维曲面图如图10所示。

关断延迟时间随关断电压电流变化结果 
图10 关断延迟时间随关断电压电流变化结果

 
  就商用的大功率IGBT模块而言,其驱动参数变化很小,关断延迟时间取决于外特性,主要是IGBT工作的电压、电流和结温,即:

tdoff=f(uce,ic,Tj)       (11)


  大功率电压源型逆变器中,母线电压和负载电流可以在开关周期内采样获得,此时芯片结温可以由延迟时间获得。实时采集延迟时间即可获得芯片的瞬态结温。
 
  因此,如图9和图10所示的关断延迟时间与电压、电流工作结温的数据库可以事先通过离线的校准实验建立,作为参考信息。在实际运行的大功率IGBT模块,通过对ueE采样并计算关断延迟时间,通过对校准数据库查表运算即可确定工况下IGBT模块的工作结温。
 
 
  3. 结论
  针对大功率IGBT模块的可靠性研究的需求,进行了基于关断延迟时间的IGBT工作结温提取检测分析研究,总结如下:
  1)该方法考虑模块自身封装的特点,利用固有的寄生电感获取关断延迟时间,具有非侵入性和可集成性的优点;
  2)关断延迟时间与温度,电压、电流具有良好的敏感关系,且与温度成正温度系数和良好的线性关系;
  3)通过IGBT模块开关特性离线测试系统在不同电压、电流和温度下进行关断特性测试,验证了该方法在大功率IGBT结温监测应用的可行性。


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