CN108072821A - 半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法 - Google Patents

半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法，其特征在于复用原系统闭环控制所必须的电参数采样值，离散化计算功率器件损耗，结合优化拟合的离散化动态热阻模型，通过在线迭代计算获得功率器件的实时结温。本发明的优势如下：复用系统闭环控制所必须的电参数采样值作为输入，不增加任何额外的系统硬件电路和成本；采用离散化迭代计算的思想，能够最大限度的节约处理器的资源，实现在线计算，并且保证动态结温计算的实时性；创新性的使用优化拟合的离散化动态热阻模型进行迭代计算，在保证功率器件动态结温计算的实时性的同时，还保证了计算的准确性，能够满足保护、寿命预测、可靠性设计等要求且很好的契合实际工程应用的需求。

Description

半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法
技术领域
本发明涉及一种半导体功率器件结温预测检测方法，具体说是一种半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法。
背景技术
近年来，半导体功率器件作为工业自动化、交通运输、智能电网、新能源等领域的核心零部件，其可靠性相关的研究已经成为国际国内高等院校、科研机构及大中型高新企业研究的热点。半导体功率器件的结温是决定其寿命的最关键参数，研究表明60％的半导体功率器件失效都是由于内部结温过高造成的，几乎所有的功率器件机械失效都源于结温波动引起的功率循环和热循环。
目前在针对半导体功率器件结温的获取方法主要有三种：
(1)直接测量法：通过使用温度传感器、热成像仪等设备直接测量功率器件内部芯片的结温。如专利CN103954900A《一种测量IGBT稳态热阻值的方法》所述，将IGBT器件的正面开帽，完全露出IGBT器件的芯片表面，将IGBT器件固定在带有小孔的散热片上，在小孔中插入热偶，使热偶的一端与IGBT器件的背面的外壳接触，热偶的另一端连接测试设备。根据施加电压的电压值，管壳温度、表面温度和环境温度，分别计算得到IGBT器件的结壳热阻值和结到环境的热阻值。该方法使用热电偶对功率器件结温进行直接测量，此类方法存在以下缺点：①功率器件集成度比较高，在芯片旁边安装温度传感器需要比较高的工艺要求且废品率高，对内部芯片之间的耐压和绝缘水平也会造成一定影响，很大程度降低了功率器件的可靠性。内埋温度传感器的功率器件一般仅能够应用于测量研究，不能作为批量产品使用；②常规温度传感器具有较大的热时间常数，无法用于功率器件动态结温度的获取，只能用于稳态结温的获取。为了动态结温获取而制作的温度传感器直径非常小，很容易损坏，只能用于测量研究，难以实现产品化；③使用热成像仪进行结温测量，需要对功率器件进行破坏，并对芯片表面进行黑化处理，相比于温度传感器，此方法虽然能够获得良好的响应和精度，但会对功率器件的封装、绝缘造成不可逆破坏，该方法同样不能用于产品化。
(2)间接测量法：通过测量功率器件的热敏电参数来间接折算获得结温。如专利CN106199367A《一种IGBT结温的测量装置》所述，通过检测功率开关器件的关断延迟，结合导通电流来判断功率器件芯片的结温。此外通过功率器件的热敏电参数来间接获取结温的实际案例还有很多，如通过门级开启电压、门级米勒平台电压、门级米勒平台持续时间和导通压降等，但此类方法也存在缺陷：①功率器件的热敏电参数通常和系统闭环控制所需的电参数不同，需要在系统硬件架构上额外增加检测电路，势必会增加硬件成本；②功率器件热敏电参数的测量必须实时、精确，对测量电路、采样电路的性能和设计提出了较高的要求，实际工程应用困难会有一定的困难；③功率器件热敏电参数与结温的线性关系通常只在较小的范围内成立，该方法难以覆盖全范围的结温获取。
(3)直接功耗计算法：通过建立功率器件功耗和热阻的数学模型，用数学计算的方法来估算模块的结温。如专利CN103956887A《风电变流器IGBT模块结温在线测试方法》所述，通过功率器件损耗的数学模型计算功率器件的损耗，结合稳态热阻计算出功率器件的稳态结温。以上专利使用稳态热阻(常数)，计算的是稳态结温度。当计算动态结温时，要用到动态热阻模型(4阶Foster模型)，直接采用上述方法计算会耗费很多CPU资源，实时性也难以保证，实际工程应用上鲜有采用此类方法进行动态结温的实时在线计算的案例。
发明内容
本发明所要解决的问题在于，客服现有技术存在的缺陷，提出了一种半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法，在系统原有控制平台上，通过复用系统闭环控制所必须的电参数采样值，离散化计算功率器件内部芯片的损耗，结合优化拟合的离散化动态热阻模型，通过在线迭代计算获得功率器件内部芯片的实时结温。
本发明为实现发明目的所提出的技术方案是：一种半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法，包括以下步骤：
步骤一：获取半导体功率器件的工作状态参数，包括功率模块输出电流、功率模块母线电压和功率模块所在的散热器温度。
步骤二：获取半导体功率器件损耗参数，包括在给定温度下流过半导体功率器件电流IT对应的导通压降Uce、开通损耗Eon和关断损耗Eoff。
步骤三：计算半导体功率器件的导通损耗，根据获取的流过半导体功率器件电流IT对应的导通压降UCE，计算出这一个计算周期TS对应的半导体功率器件导通损耗PDC。
PDC＝UCE*IT*D
D为一个计算周期TS内半导体功率器件的导通占空比。
步骤四：计算半导体功率器件的开关损耗，根据获取半导体功率器件在电流IT对应的开通损耗Eon和关断损耗Eoff，计算出半导体功率器件的开关损耗Psw。
Psw＝(Eon+Eoff)*f
f为半导体功率器件的开关频率。
步骤五：计算半导体功率器件的总损耗。根据步骤三和步骤四求得的导通损耗和开关损耗，求出功率器件的总损耗P
P＝PDC+Psw
步骤六：计算半导体功率器件结与散热器表面的温度差ΔTtjh1。根据获得的一个计算周期TS对应的半导体功率器件的总损耗P，使用本专利针对功率器件热阻模型进行推理和简化的公式，可以准确的计算出一个计算周期TS后功率器件的结与散热器表面的温度差ΔTtjh1。
其中ΔTtjh0为上一个周期结束后功率器件结与散热器表面的温度差，λ是通过对功率模块动态热阻曲线进行优化拟合之后得到的，且与计算周期TS以及动态热阻曲线相关的离散化系数。Rthjc[@TS]为计算周期Ts对应的功率模块的瞬态热阻。
步骤七：迭代计算出每一时刻功率器件的结温。重复步骤一～步骤六，然后通过系统平台控制器对上一个周期计算的结果进行迭代运算之后与散热器的实时温度相加，实时在线预测得到功率模块内每一个半导体功率器件的结温。
半导体功率器件实时结温Ttjh的具体应用。下面以其中两种应用为例阐述半导体功率器件的结温Ttjh的应用(本发明对功率器件实时结温Ttjh的所有应用有效，不局限以下两种)，①根据功率器件实时结温Ttjh可以实时判断功率器件的运行状态，估算功率器件的使用寿命，及时提醒客户进行更换。②根据功率器件实时结温Ttjh，设定功率器件的结温保护阀值，当结温超过阀值能够及时保护，使功率器件在使用时更加的可靠。
本发明的技术效果如下：
相比于现有的功率器件结温获取方法，本发明的优势如下：(1)复用系统闭环控制所必须的电参数采样值作为输入，在系统原有控制平台上添加软件算法实现，不增加任何额外的系统硬件电路和成本。(2)本方法采用离散化迭代计算的思想，能够最大限度的节约处理器的资源，实现在线计算，并且保证动态结温计算的实时性。(3)本方法创新性的使用优化拟合的离散化动态热阻模型进行迭代计算，在保证功率器件动态结温计算的实时性的同时，还保证了计算的准确性，能够满足保护、寿命预测、可靠性设计等要求。(4)综上所述，本方法能够很好的契合实际工程应用的需求。
1本发明复用系统闭环控制所必须的电参数采样值作为输入，在系统原有控制平台上添加软件算法实现。一方面实现电参数采样电路的复用，不需要额外的增加硬件开发成本，另一方面，可以根据测量对象的不同调节软件算法的计算参数，从而实现在不增加成本的基础上对不同系列、不同型号的功率器件的结温进行估算。
2本发明采用离散化迭代计算的思想，在保证测量精度的情况下，能够最大限度的节约处理器的资源，实现在线计算，并且保证动态结温计算的实时性。
3本发明创新性的使用优化拟合的离散化动态热阻模型进行迭代计算，在保证功率器件动态结温计算的实时性的同时，还保证了计算的准确性，能够满足保护、寿命预测、可靠性设计等要求。
4本发明采用直接计算结温的方法，不需要对模块进行特殊处理，不会影响各个方面的性能，能够很好的契合实际工程应用的需求。
附图说明
图1是本发明半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法程序框图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明方法做进一步详细说明。
实施例：以功率器件IGBT模块(FF600R12ME4)为例说明本发明方法的具体实施方式(本发明对所有功率模块有效，不局限于IGBT模块)。如图1所示，本发明方法的具体实施主要包括以下步骤：
步骤一：获取IGBT模块(FF600R12ME4)的工作状态参数：功率模块输出电流、功率模块母线电压和功率模块所在的散热器温度。
如：IGBT模块(FF600R12ME4)在某一个时间周期TS＝10ms的平均电流IT＝300A,功率模块的母线电压为600V，散热器温度为100℃。
步骤二：获取半导体功率器件IGBT模块(FF600R12ME4)损耗参数，包括在给定温度下，流过功率器件IGBT电流IT对应的导通压降Uce，流过功率器件IGBT电流IT对应的开通损耗Eon(IGBT)和关断损耗Eoff(IGBT)。
如：在给定温度下，流过IGBT模块(FF600R12ME4)电流IT＝300A对应的IGBT导通压降UCE(FF600R12ME4)＝1.4V，对应的开通损耗Eon(FF600R12ME4)＝0.033J,对应的关断损耗Eoff(FF600R12ME4)＝0.034J。
步骤三：计算半导体功率器件IGBT模块(FF600R12ME4)的导通损耗，根据获取的流过半导体功率器件IGBT电流IT(IGBT)对应的导通压降UCE(IGBT)，计算出这一个计算周期TS对应的IGBT导通损耗PDC(IGBT)。
PDC(IGBT)＝UCE(IGBT)*IT*D
D为一个计算周期TS内半导体功率器件的导通占空比。
如：计算IGBT模块(FF600R12ME4)的导通损耗
PDC(FF600R12ME4)=UCE(FF600R12ME4)*IT*D＝1.4*300*0.5＝210W
在TS＝10ms这个计算周期内IGBT模块(FF600R12ME4)的导通占空比为0.5。
步骤四：计算半导体功率器件的开关损耗，根据获取半导体功率器件IGBT在电流IT对应的开通损耗
Eon(IGBT)和关断损耗Eoff(IGBT)可以计算出半导体功率器件的IGBT的开关损耗Psw(IGBT)。
Psw(IGBT)＝[Eon(IGBT)+Eoff(IGBT)]*f
f为半导体功率器件的开关频率。
如：计算半导体功率器件IGBT模块(FF600R12ME4)的开关损耗
Psw(FF600R12ME4)=[Eon(FF600R12ME4)+Eoff(FF600R12ME4)]*f＝(0.034+0.033)*5000
＝335W
IGBT模块(FF600R12ME4)工作的开关频率为5000Hz。
步骤五：计算半导体功率器件的总损耗。根据步骤三和步骤四求得的导通损耗和开关损耗，可以求出，半导体功率器件的总损耗P(IGBT)
P(IGBT)＝PDC(IGBT)+Psw(IGBT)
如：计算半导体功率器件IGBT模块(FF600R12ME4)的总损耗
P(FF600R12ME4)＝PDC(FF600R12ME4)+Psw(FF600R12ME4)＝210+335＝545W
步骤六：计算半导体功率器件结与散热器表面的温度差ΔTtjh1。根据获得的一个计算周期TS对应的IGBT的总损耗P(IGBT)，使用本专利针对半导体功率器件热阻模型进行推理和简化的公式，可以准确的计算出一个计算周期TS后半导体功率器件IGBT的结温与散热器表面温度的差ΔTtjh1(IGBT)。
ΔTtjh1(IGBT)＝ΔTtjh0(IGBT)+P(IGBT)*Rthjc[@Ts]-ΔTtjh0(IGBT)*λ
其中ΔTtjh0(IGBT)为上一个周期结束后IGBT结温与散热器表面温度的差，λ是通过对功率模块动态热阻曲线进行优化拟合之后得到的与计算周期TS以及动态热阻曲线相关的离散化系数,Rthjc[@Ts]为计算周期Ts对应的功率模块的瞬态热阻。
如：计算一个计算周期TS＝10ms之后IGBT模块(FF600R12ME4)结与散热器表面的温度差ΔTtjh1。
ΔTtjh1(FF600R12ME4)＝ΔTtjh0(FF600R12ME4)+P(FF600R12ME4)*Rthjc[@10ms]-ΔTtjh0(FF600R12ME4)*λ
＝25+545*0.015-25*0.366＝24.025
其中ΔTtjh0(FF600R12ME4)为上一个周期结束后IGBT模块(FF600R12ME4)结温与散热器表面温度的差为25℃，λ是通过对功率模块动态热阻曲线进行优化拟合之后得到的与计算周期TS以及IGBT模块FF600R12ME4动态热阻曲线相关的离散化系数，在这里选择0.366,Rthjc[@10ms]为计算周期10ms对应的IGBT模块(FF600R12ME4)的瞬态热阻为0.015。
步骤七：迭代计算出每一时刻功率器件的结温。重复步骤一～步骤六，然后通过系统平台控制器对上一个周期计算的结果进行迭代运算之后与散热器的实时温度相加，可以实时在线预测功率模块内每一个功率器件的结温。
如:计算这个10ms计算周期后IGBT模块(FF600R12ME4)的结温
Ttjh1(FF600R12ME4)＝24.025+100℃＝124.025℃
按照此种方法可以计算出任何时刻IGBT模块(FF600R12ME4)的结温。
本发明功率器件动态结温的实时在线预测方法，通过复用系统闭环控制所必须的电参数采样值作为输入，在系统原有控制平台上添加软件算法实现。一方面实现电参数采样电路的复用，不需要额外的增加硬件开发成本，另一方面，可以根据测量对象的不同调节软件算法的计算参数，从而实现在不增加成本的基础上对不同系列、不同型号的功率器件的结温进行估算。
本发明方法采用离散化迭代计算的思想，在保证测量精度的情况下，能够最大限度的节约处理器的资源，实现在线计算，并且保证动态结温计算的实时性。
本发明方法使用优化拟合的离散化动态热阻模型进行迭代计算，在保证功率器件动态结温计算的实时性的同时，还保证了计算的准确性，能够满足保护、寿命预测、可靠性设计等要求。
本发明方法采用直接计算结温的方法，不需要对模块进行特殊处理，不会影响各个方面的性能，能够很好的契合实际工程应用的需求。

Claims (1)

1.一种半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法，包括以下步骤：
步骤一：获取半导体功率器件的工作状态参数：功率模块输出电流、功率模块母线电压和功率模块所在的散热器温度；
步骤二：获取半导体功率器件损耗参数：在给定温度下流过半导体功率器件电流IT对应的导通压降Uce、开通损耗Eon和关断损耗Eoff；
步骤三：根据获取的流过半导体功率器件电流IT对应的导通压降UCE，计算出这一个计算周期TS对应的半导体功率器件导通损耗PDC：
PDC＝UCE*IT*D
D为一个计算周期TS内半导体功率器件的导通占空比；
步骤四：根据获取半导体功率器件在电流IT对应的开通损耗Eon和关断损耗Eoff，计算出半导体功率器件的开关损耗Psw：
Psw＝(Eon+Eoff)*f
f为半导体功率器件的开关频率；
步骤五：根据步骤三和步骤四求得的导通损耗和开关损耗，求出半导体功率器件的总损耗P：
P＝PDC+Psw；
步骤六：计算半导体功率器件结与散热器表面的温度差ΔTtjh1：
<mrow> <msub> <mi>&amp;Delta;T</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>j</mi> <mi>h</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;T</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>j</mi> <mi>h</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <mi>P</mi> <mo>*</mo> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>h</mi> <mi>j</mi> <mi>c</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mo>@</mo> <msub> <mi>T</mi> <mi>S</mi> </msub> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;Delta;T</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mi>j</mi> <mi>h</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>*</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> </mrow>
其中：ΔTtjh0为上一个周期结束后功率器件结与散热器表面的温度差，λ是通过对功率模块动态热阻曲线进行优化拟合之后得到的，且与计算周期TS以及动态热阻曲线相关的离散化系数；为计算周期TS对应的功率模块的瞬态热阻；
步骤七：迭代计算出每一时刻功率器件的结温：重复步骤一～步骤六，然后对上一个周期计算的结果进行迭代运算之后与散热器的实时温度相加，实时在线预测得到功率模块内每一个半导体功率器件的结温。
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