CN109946578A

CN109946578A - 一种基于磁纳米粒子的igbt结温测量方法

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Publication number: CN109946578A
Application number: CN201910127850.0A
Authority: CN
Inventors: 刘文中; 凌子文; 杜中州; 皮仕强
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2019-02-20
Filing date: 2019-02-20
Publication date: 2019-06-28
Anticipated expiration: 2039-02-20
Also published as: CN109946578B

Abstract

本发明公开了一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法，包括：将磁纳米粒子布置在IGBT芯片外壳背部的中心区域，构建IGBT结、IGBT芯片外壳与工作环境的二阶传热模型；构建均匀的交流激励磁场，将带有磁纳米粒子的IGBT芯片放置于所述磁场后，提取磁纳米粒子响应信号的一次谐波幅值；根据一次谐波幅值，计算IGBT芯片外壳背部温度；根据IGBT芯片外壳背部温度、工作环境温度和二阶传热模型，计算IGBT结温。本发明使磁纳米粒子接近IGBT结处，提高IGBT结温测量的精度；利用磁纳米粒子磁化强度的温度敏感特性，测量磁纳米粒子交流磁化强度的一次谐波幅值，得到外壳背部温度，无需破坏IGBT芯片的现有封装，实现非侵入式温度测量；通过二阶热容热阻传热模型，实现IGBT结温的实时测量。

Description

一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法

技术领域

本发明属于纳米测试技术领域，更具体地，涉及一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法。

背景技术

自上世纪80年代初研发成功后，IGBT的制造工艺一直在改进。IGBT器件集合了MOSFET与BJT的优点，并以高开关速度与低开关损耗被视为理想开关，广泛应用于逆变器等领域。然而IGBT在较为严苛的外部应力下容易失效，从而导致经济损失与社会影响。众多半导体厂家以及文献总结出了IGBT的寿命预测模型，主要表现为工作的寿命与芯片温升的关系曲线，体现出IGBT结温测量的重要性。

现有技术中，IGBT结温的测量方法大致分为：接触测量法、非接触测量法、温度敏感参数法以及热网络法。接触式测量方法包括热敏电阻等，但由于需要改变封装从而破坏温度场等原因，测量的结果会导致较大误差；非接触式测量法主要包括光纤温度计、红外摄像等，存在需要对封装进行破坏并且整套设备造价昂贵的缺点；温度敏感参数法利用的是IGBT元件的饱和压降等热敏参数，通过拟合热敏参数与温度的关系曲线，从而测量热敏参数值得到温度信息，但由于存在适用的局限性，并不适合实时的温度测量；热网络法通过提出IGBT的传热模型、结合模型参数与测量点的温度，计算得到待测点的温度信息，但由于IGBT应用电路除了IGBT芯片之外，还有其他大功率器件，并且多个器件存在热耦合，模型建立以及参数计算较为复杂，且会随着器件的老化使得温度测量产生较大误差。

磁纳米粒子是一种纳米尺度的四氧化三铁颗粒，具有良好的温度敏感特性，可以实现非侵入式温度测量。2009年，J.B.Weaver等人利用MNP(磁纳米粒子)磁化曲线的非线性特性，通过交流磁化强度的三次谐波和五次谐波幅值比值，实现了温度测量，其测量精度约为0.3K。2012年，J.Zhong等人基于郎之万顺磁定理，建立了直流激励下，磁化率与温度之间的数学模型，并在模型中引入布洛赫定律后，温度测量误差的标准差达到了0.017K。但由于直流激励下的温度测量存在测量速度慢的缺点，无法应用到实时性要求较高的场合，J.Zhong等人提出交直流激励下的磁化率数学模型，将温度测量的时间分辨率提高到1s，且温度测量精度为0.3K。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法，利用磁纳米粒子测量芯片外壳背部温度，结合二阶传热模型及模型参数，实现IGBT结温实时测量。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法，所述方法包括如下步骤：

S1.将磁纳米粒子布置在IGBT芯片外壳背部的中心区域，构建IGBT结、IGBT芯片外壳与工作环境的二阶传热模型；

S2.构建均匀的交流激励磁场，将带有磁纳米粒子的IGBT芯片放置于所述磁场后，提取磁纳米粒子响应信号的一次谐波幅值；

S3.根据提取到的一次谐波幅值，计算IGBT芯片外壳背部温度；

S4.根据计算得到的IGBT芯片外壳背部温度、工作环境温度和二阶传热模型，计算IGBT结温。

具体地，所述磁纳米粒子的粒径为5～30nm。

具体地，IGBT芯片的传热模型看作R1和C1组成的一阶RC网络，散热片看作R2和C2构成的一阶RC网络，从而构建二阶传热模型。

具体地，所述二阶模型的状态方程为：

其中，T_j为IGBT结温，T_c为外壳背部温度，T_a为工作环境温度，I为IGBT耗散功率，t为时间。

具体地，IGBT结温T_j的阶跃响应方程如下：

IGBT芯片外壳背部温度T_c的阶跃响应方程如下：

其中， τ₅＝a-b+c，T_j为IGBT结温，T_c为外壳背部温度，T_j0、T_c0分别为耗散功率改变时的IGBT结温与外壳背部温度，T_a为工作环境温度，I为IGBT耗散功率，t为时间。

具体地，利用一对通电的亥姆霍兹线圈产生交流激励磁场，采用一对差分线圈获取磁纳米粒子产生的响应信号。

具体地，一次谐波幅值的计算公式如下：

其中，c₁为磁纳米粒子响应信号的一次谐波幅值，N为磁纳米粒子的体积浓度，M_s为磁纳米粒子的有效磁矩，H₀为激励磁场强度，k为玻尔兹曼常数，T_c为IGBT芯片外壳背部温度。

具体地，IGBT结温的计算方式如下：

将步骤S3计算得到的IGBT芯片外壳背部温度T_c、工作环境温度T_a、IGBT耗散功率I、耗散功率改变时的IGBT结温与外壳背部温度T_j0和T_c0代入所述IGBT芯片外壳背部温度T_c的阶跃响应方程，计算得到t；

再把t、工作环境温度T_a、IGBT耗散功率I、T_j0和T_c0代入所述IGBT结温T_j的阶跃响应方程中，计算IGBT结温T_j。

具体地，起始阶段，T_j0＝T_c0＝T_a；IGBT结耗散功率发生改变时，用前一阶段最后的结温更新T_j0，用前一阶段最后的IGBT芯片外壳背部温度更新T_c0。

第二方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所述的IGBT结温测量方法。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1.本发明通过将磁纳米粒子布置在芯片外壳背部与外装散热片之间，最大限度的使磁纳米粒子接近IGBT结处，从而提高IGBT结温测量的精度。

2.本发明通过将磁纳米粒子进行外壳背部温度测量，利用磁纳米粒子磁化强度的温度敏感特性，即不同温度下，磁纳米粒子磁化强度不同，测量磁纳米粒子交流磁化强度的一次谐波幅值，计算得到外壳背部温度，无需破坏IGBT芯片的现有封装，并实现非侵入式温度测量。

3.本发明通过测量得到的外壳背部温度计算IGBT结温，利用IGBT结、壳、环境温度构成二阶热容热阻传热模型，外加耗散功率与初始的IGBT结温外壳背部温度，实现IGBT结温的实时测量。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法流程图；

图2为本发明实施例提供的被测对象结构示意图；

图3为本发明实施例提供的IGBT四层传热模型示意图；

图4为本发明实施例提供的二阶传热模型示意图；

图5为本发明实施例提供的结温与外壳背部温度曲线图；

图6为本发明实施例提供的磁纳米粒子一次谐波测温误差的仿真图

图7为本发明实施例提供的通过磁纳米粒子测量IGBT结温的误差仿真图；

图8为本发明实施例提供的绝对温度倒数-磁化强度一次谐波幅值曲线图，图8(a)与图8(b)为重复性实验中的两组数据；

图9为本发明实施例提供的磁纳米粒子测量外壳温度的误差曲线，图9(a)与图9(b)为重复性实验中的两组数据；

图10为本发明实施例提供的磁纳米粒子测量得到的结温温度误差，图10(a)与图10(b)为重复性实验中的两组数据。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法，所述方法包括如下步骤：

S3.根据提取到的一次谐波幅值，计算IGBT芯片外壳背部温度；

步骤S1.将磁纳米粒子布置在IGBT芯片外壳背部的中心区域，构建IGBT结、IGBT芯片外壳与工作环境的二阶传热模型。

如图2所示，本发明针对的IGBT芯片是单个芯片封装的单列直插结构。由内向外分别是：IGBT结、IGBT芯片外壳、磁纳米粒子、散热片，其中，IGBT结位于整个芯片的内部中间；IGBT芯片外壳背部外接散热片，从而加强整体的散热效果。将磁纳米粒子布置在IGBT芯片外壳背部的中心区域，既能够实现不破坏IGBT芯片的封装，又最大限度地接近IGBT结。磁纳米粒子粒径优选为5～30nm。

IGBT传热模型细分是七层模型，业内一般简化为四层模型。如图3所示，IGBT结到外壳各层构成的传热模型近似于四阶RC网络，其中，R₁、R₂、R₃、R₄分别为各层热阻，C₁、C₂、C₃、C₄分别为对应热容。由于激励(I)是阶跃信号，本发明把四阶RC网络近似为一阶RC网络(R1、C1)。考虑到散热片可看作一阶RC网络(R2、C2)，从而建立一个如图4所示的二阶传热模型，其中，R1、C1是四阶RC网络近似的一阶RC网络，R2、C2是散热片对应的一阶RC网络。

二阶模型的状态方程为：

求解状态方程，得到IGBT结温T_j的阶跃响应方程如下：

IGBT芯片外壳背部温度T_c的阶跃响应方程如下：

其中， τ₅＝a-b+c，

其中，T_j是IGBT结温，T_c是外壳背部温度，T_j0、T_c0分别是耗散功率改变时的IGBT结温与外壳背部温度，T_a为工作环境温度，I为IGBT耗散功率，t为时间。

JESD标准中提到“IGBT在小电流激励下，结温与V_ce呈线性关系”，根据标准里面的方法，测得这个线性关系的表达式，然后在环境温度和耗散功率稳定的前提下，通过测量导通压降计算得到结温，得到结温的降温曲线。外壳的升温曲线可以用磁纳米粒子测量。根据测得的结温降温曲线与外壳背部温度升温曲线，通过最小二乘拟合，得到公式(1)与公式(2)中的各个参数a、b、c、d。

步骤S2.构建均匀的交流激励磁场，将带有磁纳米粒子的IGBT芯片放置于所述磁场后，提取磁纳米粒子响应信号的一次谐波幅值。

利用一对通电的亥姆霍兹线圈产生频率为ω的交流激励磁场，该方式产生的均匀磁场空间范围大，磁场强度均匀度高。均匀磁场位于亥姆霍兹线圈中心。磁纳米粒子放置在交流磁场中后会被磁化，在交流磁场激励下会产生频率为ω的周期信号。

采用一对差分线圈获取磁纳米粒子产生的响应信号。差分线圈与IGBT芯片同样位于磁场中心，使用差分线圈能够有效获取各次谐波的信号，该方式有利于放大信号并且增加共模抑制比。利用数字相敏检波算法(DPSD)提取信号中频率为ω的一次谐波幅值c₁。

步骤S3.根据提取到的一次谐波幅值，计算IGBT芯片外壳背部温度。

磁纳米粒子的响应函数为Langevin函数，对其进行Taylor展开，根据傅里叶系数的计算方式，可以得到频率为ω的一次谐波幅值c₁为：

其中，N为磁纳米粒子的体积浓度，M_s为磁纳米粒子的有效磁矩，H₀为激励磁场强度，k为玻尔兹曼常数，T_c为IGBT芯片外壳背部温度。根据步骤S2中提取到的一次谐波幅值c₁，求解出IGBT芯片外壳背部温度T_c。

步骤S4.根据计算得到的IGBT芯片外壳背部温度、工作环境温度和二阶传热模型，计算IGBT结温。

如图5所示，初始时，IGBT结温、IGBT芯片外壳背部温度与工作环境温度相同，且实验过程中保证工作环境温度稳定。

随着时间运行(此时IGBT耗散功率尚未发生改变，保持稳定)，IGBT结温按照公式(1)稳定地升高，IGBT芯片外壳背部温度按照公式(2)稳定地升高。此时，T_j0＝T_c0＝T_a。在此期间，IGBT结温的计算方式如下：将步骤S3计算得到的IGBT芯片外壳背部温度T_c、工作环境温度T_a、IGBT耗散功率I、T_j0和T_c0代入公式(2)，计算得到t。再把t、工作环境温度T_a、IGBT耗散功率I、T_j0和T_c0代入公式(1)中，计算IGBT结温T_j。

假定IGBT耗散功率I(阶跃信号)在300s由10W变为0W，用此时的结温更新T_j0，用此时的IGBT芯片外壳背部温度更新T_c0。由于IGBT结耗散功率发生改变，因此，阶跃响应公式(1)和(2)也发生变化，IGBT结温按照新的公式(1)稳定地下降，IGBT芯片外壳背部温度按照新的公式(2)稳定地下降。在此期间，IGBT结温的计算方式与上一阶段类似，只是T_j0、T_c0和阶跃响应公式不同。

实施例1

对利用磁纳米粒子进行IGBT结温测量的方案进行仿真。首先对利用磁纳米粒子一次谐波幅值进行外壳背部温度测量的误差进行仿真。设定仿真条件如下：磁纳米粒子温度范围为273K～400K；磁纳米粒子饱和磁化率为477KA/m；磁纳米粒子粒径为10nm；激励磁场强度为0.002T，频率为375Hz；玻尔兹曼常数k为1.38*10^-23；信噪比80db。如图6所示，横轴为设定的磁纳米粒子温度T(单位：K)，纵轴是通过一次谐波幅值计算得到的温度减去设定温度，也就是误差。根据得到的各个温度点的误差，可以发现，最大误差0.06K，平均误差0.024K。

对通过外壳背部温度测量IGBT结温的二阶传热模型进行仿真，设定仿真条件如下：

耗散功率I＝10W,R1＝2K/W,R2＝10K/W,C1＝8J/W,C2＝0.5J/W，工作环境温度为298.15K。加入前面外壳背部温度测量误差后，拟合得到的参数R1、R2、C1、C2及其误差。可以发现，R1、R2、C1、C2相对误差最大为0.18％。

通过二阶传热模型与拟合得到的R1、R2、C1、C2，可以计算IGBT结温。如图7所示，横轴为IGBT结温的设定值，纵轴是测量得到的温度减去设定温度，也就是测量误差。可以发现，最大误差0.1K，平均误差0.04K。

实施例2

为了研究基于磁纳米粒子测温的IGBT结温测量方案的可行性，本实施例采用了Ferrotec公司生产的EMG1300产品，10nm粒径的磁纳米粒子固体样品粉末。IGBT芯片使用的是Infineon公司的IKP_W20N60T，工作电路选用的是该型号芯片手册上的测试电路。

使用光纤温度传感器进行温度的实时测量，用作标定温度。稳定IGBT芯片工作时的耗散功率为3W，记录电路导通直至温度稳定的数据，得到绝对温度倒数-磁化强度一次谐波幅值曲线。如图8所示，横轴为绝对温度的倒数(光纤温度计测量)，纵轴为测量得到的磁化率一次谐波幅值，图8(a)与图8(b)为重复性实验中的两组数据。

对得到的曲线进行拟合，计算磁纳米粒子测量外壳背部的温度误差。图9(a)中最大误差为0.35K，平均误差为0.09K；图9(b)中最大误差0.36K，平均误差为0.12K。

利用IGBT结温的降温曲线与外壳背部的升温(由磁纳米粒子测量)曲线，拟合得到二阶导热网络的参数。计算IGBT结温的测量误差。图10(a)对应图9(a)，最大误差为0.4K，平均误差为0.11K；图10(b)对应图9(b)，最大误差为0.4K，平均误差为0.149K。仿真及实验证明，该种方法能够有效进行IGBT结温测量。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S3.根据提取到的一次谐波幅值，计算IGBT芯片外壳背部温度；

2.如权利要求1所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，所述磁纳米粒子的粒径为5～30nm。

3.如权利要求1所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，IGBT芯片的传热模型看作R1和C1组成的一阶RC网络，散热片看作R2和C2构成的一阶RC网络，从而构建二阶传热模型。

4.如权利要求3所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，所述二阶模型的状态方程为：

5.如权利要求3所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，IGBT结温T_j的阶跃响应方程如下：

IGBT芯片外壳背部温度T_c的阶跃响应方程如下：

其中， T_j为IGBT结温，T_c为外壳背部温度，T_j0、T_c0分别为耗散功率改变时的IGBT结温与外壳背部温度，T_a为工作环境温度，I为IGBT耗散功率，t为时间。

6.如权利要求1所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，利用一对通电的亥姆霍兹线圈产生交流激励磁场，采用一对差分线圈获取磁纳米粒子产生的响应信号。

7.如权利要求1所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，一次谐波幅值的计算公式如下：

8.如权利要求5所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，IGBT结温的计算方式如下：

9.如权利要求5所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，起始阶段，T_j0＝T_c0＝T_a；IGBT结耗散功率发生改变时，用前一阶段最后的结温更新T_j0，用前一阶段最后的IGBT芯片外壳背部温度更新T_c0。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1至9任一项所述IGBT结温测量方法。