基于短路电流组合方式的IGBT结温测量.pdfVIP

中文摘要 摘 要 功率半导体器件作为功率变流器的核心部件之一，被广泛运用于混合动力汽 车、可再生能源和航空航天等领域。电力电子设备或系统的失效可导致不正常 行、停机、崩溃等。对人员安全可能产生巨大威胁，对经济可能造成巨大损失。 对于功率半导体器件，其失效可以分为封装级失效和芯片级失效。封装级失效主 要因材料疲劳失效造成的，主要有键合线脱落与键脚开裂，焊料层空洞和开裂， 铝金属重构等。芯片级失效与半导体物理相关，主要有因热击穿造成的短路和断 路，闩锁效应，电子迁移等。这些失效形式与器件结温有着重要关系。特别是对 于风力发电系统，通过变流器传输能量，但由于风能的不稳定，风力发电功率波 动较大，因此造成 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor- IGBT)结温波动较大。同 时，由于 IGBT 材料热膨胀系数不一致，在一段时间后，容易使得 IGBT 键合线脱 落和焊料层老化。工业经验表明，在变流器系统失效当中，功率半导体器件占超 过 31% 。然而，温度的影响因素占器件失效的 61% 。所以，温度控制和热管理成 为了越来越关心的问题。根据功率变换器经验表明，对于改善运行可靠性和减少 系统维修成本，温度监测是一个很有效的方式。 本文提出了一种基于短路电流组合方式的 IGBT 结温测量方法。在正常的母线 电压下，通过两个特定的门极驱动电压，测得的两个短路电流值通过数学的方式 消 去 老 化 的 影 响 ， 从 而 获 得 新 的 TSEP(temperature-sensitive electrical parameter-TSEP) ，该TSEP 只与温度有关，与老化无关，因此使得 IGBT 结温测量 更加准确。本文主要的工作如下： 首先，介绍了 IGBT 模块的结构，分析了可以通过电气参数反映器件温度的可 能性和 IGBT 模块老化引起键合线等效电阻变化对短路电流大小的影响。同时分析 了各影响因素对短路电流的影响。因此提出了基于短路电流组合方式消除老化影 响的 IGBT 结温测量方法。 其次，基于短路电流的公式，详细介绍了基于短路电流组合方式的特征量 V 0 的推导，从理论上解释了该特征量 V 与 IGBT 模块老化的关系。为了实现特征量 0 V 的在线监测，分析了特征量 V 的参数选择，并介绍了在实际运用中特征量 V 0 0 0 的测量。为了实现在变流器中的运用，以单相逆变器和三相逆变器为例介绍了在 变流器正常工作中如何进行短路测试，并对短路测试对单相逆变器的影响进行了 说明。同时设计了通过剪键合线的方式模拟 IGBT 模块老化，并搭建了短路测试平 台。 最后，通过实验的方式验证了本文提出的特征量 V 是否受老化影响。设计了 0 I 重庆大学硕士学位论文 可调驱动电路进行短路测试。在短路测试实验平台上，在不同老化状态下，测量 不同温度的短路电流，验证了各影响因素对短路电流的影响，证实了本文提出的 特征量 V 结温测量方式的正确性。在单相逆变器中，每个周期进行一次短路测试， 0 验证了变流器输出性能不受短路测试影响。同时对特征量 V 作为温敏电参数进行 0 了分析，并与现有的温敏电参数从温度灵敏度、温度灵敏率、是否受老化影响和 在线监测方面进行了比较。 关键词：IGBT 模块，短路电流，结温测量，老化，温敏电参数