CN105486992A - 一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置，属于电子电路技术领域，以解决现有技术中无法在IGBT工作的过程中对IGBT的寿命进行检测的技术问题。该在线健康管理装置包括：电热检测模块，用于根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝缘栅双极性晶体管的结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结温和温升；退化检测模块，用于根据所述运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结温和温升，检测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度；寿命检测模块，用于根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的消耗寿命。

Description

一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置和方法

技术领域

本发明涉及电子电路技术领域，具体地说，涉及一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置和方法。

背景技术

随着科研技术的进步和制造工艺的提高，绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，简称IGBT)作为电力电子领域理想的开关器件，已广泛应用于新能源发电、机车牵引、高压输电等诸多关键领域中。随着功率半导体新结构和新工艺的应用，IGBT的电流密度和耐压等级在不断增大，同时随着IGBT的体积越来越小，而其所承受的电学、力学和热学载荷越来越重。IGBT在大功率运行状态下会产生大量热量，从而导致温升和热应力形变。

由于IGBT长久运行不断承受温度变化和功率循环，从而加快了其疲劳失效的进程。IGBT失效故障会导致整个设备运行中断，甚至会造成严重安全事故和重大经济损失。因此，如何在IGBT工作过程中，对IGBT进行寿命检测，以了解IGBT的状态、可靠性就变得越来越重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置和方法，以解决现有技术中无法在IGBT工作的过程中对IGBT的寿命进行检测的技术问题。

本发明第一方面提供了一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置，该在线健康管理装置包括：

电热检测模块，用于根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝缘栅双极性晶体管的结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结温和温升；

退化检测模块，用于根据所述运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结温和温升，检测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度；

寿命检测模块，用于根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的消耗寿命。

可选的，该在线健康管理装置还包括：

采样模块，用于采集所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数；

极值检测模块，用于检测所述运行工况参数是否位于各自对应的极值范围之内，若是，将所述运行工况参数发送给所述电热检测模块。

可选的，该在线健康管理装置还包括：

预警模块，用于检测所述消耗寿命是否大于或等于预设寿命，若是，进行失效报警。

可选的，若所述极值检测模块检测到有运行工况参数位于其对应的极值范围之外，将检测结果通知所述预警模块；所述预警模块还用于根据所述极值检测模块的检测结果，进行失效报警。

可选的，所述运行工况参数至少包括电流、电压和工作温度。

可选的，所述退化检测模块用于根据各运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结温和温升对应的失效工作周期，结合各运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结温和温升对应的融合算子，检测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度。

本发明带来了以下有益效果：本发明实施例提供了一种IGBT的在线健康管理装置，该在线健康管理装置通过IGBT的运行工况参数、结合IGBT的结构，检测IGBT的寿命情况，以及时将IGBT的寿命情况反馈给用户，让用户及时维护并更换IGBT，保证设置有IGBT的设备能够正常工作。

本发明第二方面提供了一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理方法，该在线健康管理方法包括：

根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝缘栅双极性晶体管的结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结温和温升；

根据所述运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结温和温升，检测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度；

根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的消耗寿命。

可选的，该在线健康管理方法还包括：

根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的运行状态。

可选的，在根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝缘栅双极性晶体管的结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结温和温升之前，该在线健康管理方法还包括：

采集所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数；

检测所述运行工况参数是否位于各自对应的极值范围之内，若是，将所述运行工况参数发送给所述电热检测模块。

可选的，若检测到有运行工况参数位于其对应的极值范围之外时，该在线健康管理方法还包括：

根据所述极值检测模块的检测结果，进行失效报警。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：

图1是本发明实施例中的IGBT的在线健康管理装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中的IGBT的结构示意图；

图3是本发明实施例中的IGBT的在线健康管理方法的流程示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明实施例提供了一种绝缘栅双极型晶体管(InsulatedGateBipolarTransistor，简称IGBT)的在线健康管理装置。具体的，如图1所示，该在线健康管理装置包括采样模块、极值检测模块、电热检测模块、退化检测模块、寿命检测模块、预警模块等结构。

具体的，如图2所示，IGBT由下至上依次包括铜基板1、衬板2、硅芯片3等结构。其中，铜基板1和衬板2之间、衬板2与硅芯片3之间，设置有用于将衬板2以及硅芯3固定在铜基板1上的焊层4；硅芯片3是通过焊层4固定在衬板2上的其中一处覆铜层5上的，衬板2面对铜基板1的一面也覆盖有覆铜层5。硅芯片3上还设置有铝键合线6，铝键合线6导通硅芯片3和位于衬板2同一面的另一处覆铜层5。

对应不同的器件结构及不同的物料配置，其失效机理也对应不同。因此，本发明实施例提供的IGBT的检测装置需要全方位、多角度地对IGBT进行检测，以得到准确的检测结果。

本发明实施例中，采样模块包括检测并采集IGBT的运行工况参数的多种传感器，至少包括分别用于检测IGBT的工作温度、电压和电流的传感器。另外，为了得到更准确的检测结果，采样模块还可包括分别检测IGBT的工作海拔、相对湿度、振动强度等参数的传感器。

若IGBT处于较为极端的运行工况参数下，则说明IGBT无法有效地工作，甚至即将面临失效。本发明实施例中的检测装置还包括极值检测模块，该极值检测模块用于检测运行工况参数是否位于各自对应的极值范围之内，即IGBT是否位于工作安全区内。工作安全区主要有正向偏置安全、反向偏置安全区及短路安全工作区，要求器件运行区域均要满足相应安全区的限制要求。具体的，对于作为普通功率器件的IGBT和作为牵引功率器件的IGBT而言，具有如下表1所示的不同的极值范围：

表1

若极值检测模块检测到运行工况参数中的某一项，例如温度超出极值范围，说明当前IGBT内的焊层4面临熔化的危险，导致IGBT面临失效的危险。则预警模块将向用户弹出对应的预警提示，此时IGBT暂时停止工作。

反之，若极值检测模块检测到各运行工况参数均位于对应的极值范围之内，极值检测模块将运行工况参数发送给电热检测模块，供电热检测模块根据IGBT的运行工况参数，结合IGBT的结构，检测IGBT的结温和温升。电热检测模块包括功率损耗模型和热模型，主要通过检测IGBT的功率损耗和热耗来检测IGBT的结温和温升。功率损耗模型表征的是IGBT运行过程中损耗功率随电压电流及温度变化的特性，即温升；热模型表征IGBT功率损耗以热量形式流动时所经路径的热传导特性，是进行功率器件结温评估的关键模型。

需要说明的是，电热检测模块所结合的IGBT的结构，为用户预先设置、存储在在线健康管理装置的数据库中的，电热检测模块需要时可直接调用，并非实时检测到的具体结构。

具体的，功率损耗模型通过下式计算IGBT的功率损耗：P_{Tr_tot}＝P_{cond_Tr}+P_{sw_Tr_on}+P_{sw_Tr_off}，式中P_{cond_Tr}为IGBT通态损耗，P_{sw_Tr_on}为IGBT开通损耗，P_{sw_Tr_off}为IGBT关断损耗。可通过下式计算二极管的功率损耗：P_{D_tot}＝P_{cond_D}+P_{sw_D_off}，式中，P_{cond_D}为二极管通态损耗，P_{sw_D_off}为二极管开关损耗。

IGBT在运行中产生的功率损耗以热量的形式在器件内部流动，而IGBT的散热路径特性会直接影响IGBT的结温及各层材料寿命。因为热量的传导过程中，材料的热膨胀系数(Coefficientofthermalexpansion，简称CTE)的不一致将导致热应力，从而使材料性能发生退化。借助热模型可描述器件在不同散热和传导途径条件下的热响应情况，从而为系统热设计方案提供评估作用。通过热暂态实验，设定IGBT的等同电路结构，一般用热阻、热容来等效热量传导过程的动态响应行为，可用下式来描述IGBT的热响应行为。

$Z_{th}\left(t\right)={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^n{R}_{thi}\·\[1-\exp (-\frac{t}{R_{thi}\·C_{thi}})\]$

式中，R_thi为第i阶热阻，C_thi为第i阶热容。

如图1所示，本发明实施例所提供的检测装置还包括退化检测模块，用于根据运行工况参数、IGBT的结构和结温和温升，检测IGBT的性能退化程度。由于IGBT的各结构在正常运行工况下，承受不同的应力，同时，器件各构件由不同的材料组成。

因此，对于不同的应力，各种材料行为特性不尽相同。比如，对于机械应力，各材料呈现出不同的应变和疲劳特性；对于温度应力，不同材料表现出不同的CTE。

因此，本发明实施例中的退化检测模块可用于对温度、应力进行周次统计处理，进而获得不同的温度、应力对应的失效周期，能够更好地评估IGBT的退化程度。其中，温度、应力周次统计处理过程一般分为两个步骤：第一步是应力信息预处理过程，即将温度、应力随时间的变化曲线，通过预处理技术，转换成一组随时间幅度不断变化的折线。第二步是应用统计算法，计算给定温度、应力谱的循环周次；典型的是应用雨流统计算法，将整个折线中出现的所有波动幅值按照一定规则划分为诺干等差的幅值级别，再统计分析出各幅度级别所对应的循环次数，最终得到温度-频次形式的载荷统计结果，为后续计算器件材料疲劳损失及寿命评估提供数据支持。

另外，由于IGBT失效过程是多因素共同作用的结果，因此在不同的应力作用下，IGBT所表征的退化行为是不同的。随着封装技术的不断改进，IGBT的寿命有了很大提高，目前，焊层4的疲劳与铝键合线6的脱落已成为两种最重要的失效机制。

本发明在大量可靠性实验基础上，可提出包含一系列影响因子的多参数退化模型，如下式所示。

N_f＝FUN(ΔT_J,T_J,I,V,D)

式中，器件失效前工作周期数表现为结温T_J、温升ΔT_J、电流I、电压V及铝键合线几何尺寸S的函数关系。

本发明实施例中，采用多信息融合技术，实现对器件不同维度采集信息的综合处理和分析，据此推断器件实时退化程度和状态，即基于“大数据”进行分析和处理。

信息融合技术是一项多源信息综合处理新技术，是将系统中若干相同类型或不同类型的传感器所提供的相同或不同形式、同时刻或不同时刻的测量信息加以分析、处理与综合，得到被测对象全面、一致的估计。多源信息融合的结果可得到比单一信息源更精确更完整的判断。

具体的，多参数退化模型可表示为如下形式：

N_f＝K₁×N₁(ΔT_J)+K₂×N₂(T_J)+K₃×N₃(I)+K₄×N₄(V)+K₅×N₅(S)

式中，N_i为对应不同失效因素的器件工作周期数，K_i为对应不同失效因素的融合算子(即比例)，其它符号同前。具体的，N₁为对应温升ΔT_J的器件工作周期数，K₁为对应温升ΔT_J的融合算子；N₂为对应结温T_J的器件工作周期数，K₂为对应结温T_J的融合算子；N₃为对应电流I的器件工作周期数，K₃为对应电流I的融合算子；N₄为对应电压V的器件工作周期数，K₄为对应电压V的融合算子；N₅为对应铝键合线几何尺寸S的器件工作周期数，K₅为对应铝键合线几何尺寸S的融合算子。

显然，IGBT的性能退化程度并非由一个或两个因素导致的，而是需要对IGBT的工作过程进行细致的研究、了解，考虑各个潜在的因素的作用。分别分析各个潜在的因素对IGBT的性能的影响，最终，得到会对IGBT的性能造成影响、损耗的多个因素。因此，在检测IGBT时，应当结合多个因素的综合作用，才可较为科学、准确地检测到IGBT的性能退化程度。

继而，本发明实施例的寿命检测模块可根据准确的性能退化程度，检测绝缘栅双极型晶体管的消耗寿命。根据米勒线性损伤累加理论，可知每个温度循环和功率循环都会对IGBT寿命造成一定的损伤，损伤逐渐积累到一定程度后，最终将导致IGBT失效。

IGBT的寿命消耗可借助如下公式来进行计算和评估。当D≥1时，表示IGBT失效。

$T=\frac{1}{D}$ 且 $D=\underset{i=1}{\overset{n}{\Σ}}\frac{n_i}{N_{f_i}}$

式中，n_i表示各结温温升所对应消耗次数，表示各结温温升所对应的理论寿命次数。

预警模块在检测到消耗寿命大于或等于预设寿命，即D≥1时，进行失效报警，以特定的预警铃声或在用户监控界面弹出警告窗口，提示用户及时将IGBT进行更换。

综上，本发明实施例提供了一种IGBT的在线健康管理装置，该在线健康管理装置通过IGBT的运行工况参数、结合IGBT的结构，检测IGBT的寿命情况，以及时将IGBT的寿命情况反馈给用户，让用户及时维护并更换IGBT，保证设置有IGBT的设备能够正常工作。

进一步的，本发明实施例还提供了一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理方法，如图3所示，该方法包括：

步骤S101、根据绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合绝缘栅双极性晶体管的结构，检测绝缘栅双极性晶体管的结温和温升。

步骤S102、根据运行工况参数、绝缘栅双极性晶体管的结构和结温和温升，检测绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度。

步骤S103、根据性能退化程度，检测绝缘栅双极型晶体管的消耗寿命。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置，其特征在于，包括：

电热检测模块，用于根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝缘栅双极性晶体管的结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结温和温升；

退化检测模块，用于根据所述运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结温和温升，检测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度；

寿命检测模块，用于根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的消耗寿命。

2.根据权利要求1所述的在线健康管理装置，其特征在于，还包括：

采样模块，用于采集所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数；

极值检测模块，用于检测所述运行工况参数是否位于各自对应的极值范围之内，若是，将所述运行工况参数发送给所述电热检测模块。

3.根据权利要求2所述的在线健康管理装置，其特征在于，还包括：

预警模块，用于检测所述消耗寿命是否大于或等于预设寿命，若是，进行失效报警。

4.根据权利要求3所述的在线健康管理装置，其特征在于，

若所述极值检测模块检测到有运行工况参数位于其对应的极值范围之外，将检测结果通知所述预警模块；

所述预警模块还用于根据所述极值检测模块的检测结果，进行失效报警。

5.根据权利要求1至4任一项所述的在线健康管理装置，其特征在于，

所述运行工况参数至少包括电流、电压和工作温度。

6.根据权利要求5所述的在线健康管理装置，其特征在于，

所述退化检测模块用于根据各运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结温和温升对应的失效工作周期，结合各运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结温和温升对应的融合算子，检测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度。

7.一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理方法，其特征在于，包括：

根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝缘栅双极性晶体管的结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结温和温升；

根据所述运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结温和温升，检测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度；

根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的消耗寿命。

8.根据权利要求7所述的在线健康管理方法，其特征在于，还包括：

根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的运行状态。

9.根据权利要求8所述的在线健康管理方法，其特征在于，在根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝缘栅双极性晶体管的结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结温和温升之前，所述在线健康管理方法还包括：

采集所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数；

检测所述运行工况参数是否位于各自对应的极值范围之内，若是，将所述运行工况参数发送给所述电热检测模块。

10.根据权利要求9所述的在线健康管理方法，其特征在于，若检测到有运行工况参数位于其对应的极值范围之外时，所述在线健康管理方法还包括：

根据所述极值检测模块的检测结果，进行失效报警。