CN102253320A - 一种igbt失效预警方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IGBT失效预警方法，利用器件的热阻变化可以体现在温度差上的原理，通过测量器件温度参数，对器件的热阻进行监测，通过与设定的预警温差阀值进行比较判断，在IGBT疲劳老化失效前做出预警，提醒设计者或者用户，并预留一段时间供设计者或用户进行器件更换或设备检修，降低因IGBT突然失效带来的故障损失；同时，用户和设计者可以更清晰的了解到器件失效的真实原因，进而改进设计及使用方法，使产品更趋完美；此外，由于相关温度传感器在很多系统中本来就存在，因此，本发明并不额外增加硬件成本。

Description

一种IGBT失效预警方法
技术领域
本发明涉及一种IGBT器件疲劳失效的预警方法，具体涉及一种以IGBT的温度参数作为IGBT失效判断依据的预警方法，主要用于IGBT器件的失效预警和故障检测，属于半导体器件检测技术领域。
背景技术
绝缘栅双极晶体管IGBT具有开关速度高，开关损耗小，高耐压通流，高开关频率等特点，因此，自1986年IGBT开始投入市场，就迅速扩展了其应用领域，成为中小功率电力电子设备的主导器件。近几年，由于半导体技术和制作工艺的发展，IGBT的性能更是得到进一步提升，使其在大功率、超大功率设备中也得到了广泛地应用。随着IGBT的应用越来越广泛，人们对IGBT的工作要求也原来越高，其维护、失效预警等问题也越来越引起人们的关注，怎样在IGBT失效之前提前发出警报提醒设计者及使用者进行更换，将由于IGBT突然失效而引起的设备故障损失降到最低，成为一个迫在眉睫的问题。
IGBT的结构不同于普通平板压装的功率器件，其典型结构从上至下可以分为：绑定线，芯片，焊层，绝缘导热层（DCB），基板等。由于各层之间的材料不同，其相应的热膨胀系数不同，而IGBT工作时，存在功率循环和热循环，致使各层不停的承受着热应力，日积月累，造成层与层之间的接触出现损坏，从而影响器件的热阻及芯片的压降。器件厂商通过长期试验，发现同样条件下，当器件热阻增大25%或是芯片压降增大5%时，器件将会面临失效。由于器件的压降通常只有约2V，而其5%约为100mV；加上实际使用中，器件压降受多种因素影响，而压降还存在较大的个体差异，难于精确检测，因此，通过器件压降的增加来对器件失效进行预警，难度及成本都较大。而器件的热阻，个体差异很小，加上其具有25%的变化量，体现在温度上，形成了较易被检测的变化，可以作为器件疲劳失效的一种预警依据。
经初步检索，目前还未发现以温度参数作为IGBT失效预警依据的技术方案。
发明内容
本发明的首要目的是：为了预防因IGBT 突然的失效引起的设备故障，将此类故障的损失降到最低，本发明利用器件的热阻变化可以可以体现在温度差上的原理，提供一种以的温度参数作为IGBT失效预警依据的预警方法，在IGBT真正失效之前发出预警信息，为设计者及用户提供一段时间，使设计者或用户可以选择最合适的处理方案。
本发明采用的技术方案是：一种IGBT失效预警方法，其特征在于，本发明所述IGBT，是特指集成有NTC温度传感器的IGBT，所述预警方法包括以下步骤：
第一步，获取冷却介质温度或者器件冷却表面温度T；
第二步，将第一步获取的温度T与集成在IGBT内部的温度传感器NTC测得的温度TNTC进行比较求得温差ΔT；
第三步，将第二步求得的温差ΔT与预警温差阀值ΔTj进行比较判断，当ΔT≥ΔTj时，发出预警信号，否则不发出预警信号。
所述第三步中的预警温差阀值ΔTj可以是通过试验得到的准确值，也可以是通过理论计算得到的合理近似值。
所述第二步中的温差ΔT是由电力电子装置自身的控制系统得到。
所述第一步中的温度T可以是冷却介质的温度，也可以是器件冷却表面的温度，由温度传感器测量得到，其中不同冷却介质温度的测量由适用于该冷却介质的温度传感器完成。
器件的热阻变化可以体现在温度差上，本发明利用此原理，将裕量小、稳定性差、测量难度高的电压参数的测量转换为裕量大、稳定性好、易测量的温度参数进行测量，作为判断IGBT失效与否的依据，其积极效果在于：1、提供一种IGBT失效预警方法，有效预防因IGBT失效引起的故障，降低损失；2、以温度参数作为判断IGBT失效与否的依据，测量方便；3、本发明实施难度小，很多功能依靠原有硬件系统即可实现，实施成本低。
附图说明
图1本发明IGBT失效预警方法的流程图；
图2、图3是本发明所述IGBT采用不同冷却介质的原理框图；
图4是本发明从IGBT散热器表面获取温度参数的原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明一种IGBT失效预警方法进行进一步阐述。
一种IGBT失效预警方法，其特征在于，本发明所述IGBT，是特指集成有NTC温度传感器的IGBT，所述预警方法包括以下步骤：
第一步，获取冷却介质温度或者器件冷却表面温度T；
第二步，将第一步获取的温度T与集成在IGBT内部的温度传感器NTC测得的温度TNTC进行比较求得温差ΔT；
第三步，将第二步求得的温差ΔT与预警温差阀值ΔTj进行比较判断，当ΔT≥ΔTj时，发出预警信号，否则不发出预警信号。
所述第三步中的预警温差阀值ΔTj可以是通过试验得到的准确值，也可以是通过理论计算得到的合理近似值。
所述第二步中的温差ΔT是由电力电子装置自身的控制系统得到。
所述第一步中的温度T可以是冷却介质的温度，也可以是器件冷却表面的温度，由温度传感器测量得到，其中不同冷却介质温度的测量由适用于该冷却介质的温度传感器完成。
IGBT器件的疲劳老化会使其内部热阻增加，热阻变化表现在IGBT器件内部和外部的温差ΔT上；由于NTC和IGBT内部芯片（发热源）同属一个DCB层，而且位置非常近，达到了较好的热藕合，因此IGBT内部芯片的温度可以由NTC的温度较好地间接反映，IGBT外部的温度可以由IGBT器件冷却表面的温度反映，也可以由冷却介质的温度反映。热阻和温度之间的数学关系式为：
Tj＝Tc＋Rth(jc) ×PIGBT              （1）
Tj＝TNTC＋Rth(j-NTC)×PIGBT            （2）
式中，Tj为结温（IGBT内部芯片温度），TNTC为NTC温度，Tc为器件壳温（器件外部温度），PIGBT为一定工况下的器件功率，Rth(j-NTC)为芯片和NTC之间的热阻，Rth(jc)为结壳热阻；由于芯片和NTC之间由两层焊料层隔离，疲劳损伤引起热阻Rth(j-NTC)的变化，相比结壳热阻Rth(jc)的变化，可以忽略，由式（2）知，
Tj≈TNTC                      （3）
故可以由NTC的温度TNTC来近似代替结温Tj，再由式（3）和式（1）可得：
TNTC－Tc≈Rth(jc) ×PIGBT         （4）
式（4）的左边即为IGBT内部和外部的温度差ΔT。
由式（4）知，一定工况条件下，热阻增加会导致IGBT器件内部和外部的温差ΔT变大，当热阻Rth(jc)增大到一定程度时，IGBT器件即面临失效，因此，可以根据需要设定IGBT失效预警温差阀值ΔTj（ΔTj的大小可以通过试验方法确定，也可以通过理论估算而来），将测量得到的温差ΔT与预警温差阀值ΔTj进行比较，即可判断IGBT是否即将失效，起到预警作用。
实施例一
如图2所示，所述温度传感器为冷却液温度传感器，IGBT自身集成的NTC温度传感器，以及电力电子装置自身的控制系统，构成了失效预警的硬件基础。冷却液温度传感器测得器件外部温度T1， IGBT自身集成的NTC温度传感器测得器件内部温度TNTC，两个温度信号传递到控制系统，控制系统通过计算，得到相应的温度差ΔT，此时的温差ΔT与系统原先设定的该工况下基于该温度传感器及该冷却系统而得到的预警温差阀值ΔTj进行比较，如果前者大于或等于后者，则启动疲劳老化失效预警。
实施例二
如图3所示，所述温度传感器为冷却气体温度传感器，IGBT自身集成的NTC温度传感器，以及电力电子装置自身的控制系统，构成了失效预警的硬件基础。冷却气体温度传感器测得器件外部温度T11， IGBT自身集成的NTC温度传感器测得器件内部温度TNTC，两个温度信号传递到控制系统，控制系统通过计算，得到相应的温度差ΔT，此时的温差ΔT与系统原先设定的该工况下基于该温度传感器及该冷却系统而得到的预警温差阀值ΔTj进行比较，如果前者大于或等于后者，则启动疲劳老化失效预警。
实施例三
如图4所示，所述温度传感器为器件冷却表面温度传感器，IGBT自身集成的NTC温度传感器，以及电力电子装置自身的控制系统，构成了失效预警的硬件基础。器件冷却表面温度传感器测得器件外部温度T2， IGBT自身集成的NTC温度传感器测得器件内部温度TNTC，两个温度信号传递到控制系统，控制系统通过计算，得到相应的温度差ΔT，此时的温差ΔT与系统原先设定的该工况下基于该温度传感器及该冷却系统而得到的预警温差阀值ΔTj进行比较，如果前者大于或等于后者，则启动疲劳老化失效预警。

Claims (7)

1.一种IGBT失效预警方法，其特征在于，本发明所述IGBT，是特指集成有NTC温度传感器的IGBT，所述预警方法包括以下步骤：
第一步，获取冷却介质温度或者器件冷却表面温度T；
第二步，将第一步获取的温度T与集成在IGBT内部的温度传感器NTC测得的温度TNTC进行比较求得温差ΔT；
第三步，将第二步求得的温差ΔT与预警温差阀值ΔTj进行比较判断，当ΔT≥ΔTj时，发出预警信号，否则不发出预警信号。
2.根据权利要求1所述一种IGBT失效预警方法，其特征在于：所述第三步中的预警温差阀值ΔTj可以是通过试验得到的准确值，也可以是通过理论计算得到的合理近似值。
3.根据权利要求1或2所述一种IGBT失效预警方法，其特征在于：所述第二步中的温差ΔT是由电力电子装置自身的控制系统得到。
4.根据权利要求3所述一种IGBT失效预警方法，其特征在于：所述第一步中的温度T可以是冷却介质的温度，也可以是器件冷却表面的温度，由温度传感器测量得到，其中不同冷却介质温度的测量由适用于该冷却介质的温度传感器完成。
5.根据权利要求4所述一种IGBT失效预警方法，其特征在于：所述温度传感器为冷却液温度传感器，IGBT自身集成的NTC温度传感器，以及电力电子装置自身的控制系统，构成了失效预警的硬件基础；冷却液温度传感器测得器件外部温度T1， IGBT自身集成的NTC温度传感器测得器件内部温度TNTC，两个温度信号传递到控制系统，控制系统通过计算，得到相应的温度差ΔT，此时的温差ΔT与系统原先设定的该工况下基于该温度传感器及该冷却系统而得到的预警温差阀值ΔTj进行比较，如果前者大于或等于后者，则启动疲劳老化失效预警。
6.根据权利要求4所述一种IGBT失效预警方法，其特征在于：所述温度传感器为冷却气体温度传感器，IGBT自身集成的NTC温度传感器，以及电力电子装置自身的控制系统，构成了失效预警的硬件基础；冷却气体温度传感器测得器件外部温度T11， IGBT自身集成的NTC温度传感器测得器件内部温度TNTC，两个温度信号传递到控制系统，控制系统通过计算，得到相应的温度差ΔT，此时的温差ΔT与系统原先设定的该工况下基于该温度传感器及该冷却系统而得到的预警温差阀值ΔTj进行比较，如果前者大于或等于后者，则启动疲劳老化失效预警。
7.根据权利要求4所述一种IGBT失效预警方法，其特征在于：所述温度传感器为器件冷却表面温度传感器，IGBT自身集成的NTC温度传感器，以及电力电子装置自身的控制系统，构成了失效预警的硬件基础；器件冷却表面温度传感器测得器件外部温度T2， IGBT自身集成的NTC温度传感器测得器件内部温度TNTC，两个温度信号传递到控制系统，控制系统通过计算，得到相应的温度差ΔT，此时的温差ΔT与系统原先设定的该工况下基于该温度传感器及该冷却系统而得到的预警温差阀值ΔTj进行比较，如果前者大于或等于后者，则启动疲劳老化失效预警。
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