CN110907786B - 一种晶闸管器件电热耦合特性的测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种对物理封装晶闸管器件的电热耦合特性进行测量方法，所述方法包括：步骤1、物理封装晶闸管器件进行恒温处理，以达到预定温度；步骤2、利用测量回路测量所述物理封装晶闸管的以下参数中的一个或多个：门阴极电压、门阴极电流、阳极电流和阴阳极电压；步骤3、将所述预定温度增加一定的温度值，返回步骤2；步骤4、基于获得的上述参数进行拟合，以形成拟合曲线。本发明提供的测量方法实现了对IGCT/ETO等器件的电热耦合特性进行测量。

Description

一种晶闸管器件电热耦合特性的测量方法

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，尤其涉及一种闸管器件电热耦合特性的测量方法。

背景技术

在直流电网的关键电力电子设备中，变换器是最容易失效的装置。由于IGCT(integrated Gate Commutated Thyristors，集成门极换流晶闸管)、ETO(发射极关断晶闸管)等器件管壳封装中各物理相对层所用材料的热导率、热容比、热胀系数等热参数不完全匹配和适应，因此在热应力的作用下IGCT、ETO等容易发生疲劳，从而导致这些器件和电力电子装置的失效。因此进行大功率IGCT/ETO运行过程中的电热耦合特性的分析和测量具有重大的学术研究意义和工程利用价值。

由于IGCT/ETO在变换器中长时间、重负载的运行期间，其芯片结温往往会远远高于室温，而结温将显著影响半导体芯片的物理参数，如迁移率、扩散率、本征载流子浓度等，这些参数将间接影响少数载流子寿命、过量载流子浓度、自建电势等。因此需要通过设定并控制IGCT运行结温从而提取其不同温度下的电特性，对其进行电热耦合特性分析与测量。

现有技术中还有一种测量方式能够实现对IGCT/ETO等器件的电热耦合特性进行测量。

发明内容

基于此，本发明提供一种电热耦合特性测量方法来实现对IGCT/ETO等器件的电热耦合特性进行测量。

一种对物理封装晶闸管器件的电热耦合特性进行测量方法，所述方法包括：

步骤1、物理封装晶闸管器件进行恒温处理，以达到预定温度；

步骤2、利用测量回路测量所述物理封装晶闸管的以下参数中的一个或多个：门阴极电压、门阴极电流、阳极电流和阴阳极电压；

步骤3、将所述预定温度增加一定的温度值，返回步骤2；

步骤4、基于获得的上述参数进行拟合，以形成拟合曲线。

进一步地，所述回路包括：充电回路和放电回路。

进一步地，所述充电回路包括串联连接的直流电源、第一开关、电容。

进一步地，所述放电回路包括串联的电容，第二开关、电感、电阻、接口。

进一步地，利用恒温箱的夹具台中的阴阳极铜块对物理封装晶闸管器件进行温度控制。

进一步地，通过在所述夹具台的上下铜块中加入热阻丝和热偶，通过对热阻丝进行加热实现温度的可调，通过热偶对温度的测量监控实现温度的可控。

进一步地，基于所述拟合曲线，预测所述参数。

本发明的电热耦合特性测量方法能够实现对IGCT/ETO等器件的电热耦合特性进行测量。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指出的结构来实现和获得。应理解的是，前面的一般描述和下面的详细描述都是示例性的，并且意图在于提供要求保护的技术的进一步说明。

附图说明

通过结合附图对本发明实施例进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。除非明确指出，否则附图不应视为按比例绘制。在附图中，相同的参考标号通常代表相同组件或步骤。在附图中：

图1示出了根据本发明实施例的IGCT/ETO电热耦合特性测量回路示意图；

图2示出了根据本发明实施例的IGCT/ETO门阴极电压测量方法示意图。

具体实施方式

为了使得本发明的目的、技术方案和优点更为明显，下面将参照附图详细描述根据本发明的示例实施例。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是本发明的全部实施例，应理解，本发明不受这里描述的示例实施例的限制。基于本文所描述的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动的情况下所得到的所有其它实施例都应落入本发明的保护范围之内。在本说明书和附图中，将采用相同的附图标记表示大体上相同的元素和功能，且将省略对这些元素和功能的重复性说明。此外，为了清楚和简洁，可以省略对于本领域所熟知的功能和构造的说明。

本发明实施例从IGCT/ETO控温方法与电热特性测量电路两部分入手，可以在不改变IGCT/ETO封装结构，增大换流体积容量的情况下，准确控制IGCT/ETO器件温度，并测量IGCT/ETO不同温度下的门阴极电压、阳极电流等关键电参数，实现器件电热耦合特性的协同分析。而电热耦合特性的协同分析对于变换器等应用场合，能够减小为系统运行安全裕度付出的成本，实现更高的变换器运行效率，提升设备整体可靠性。

目前存在的针对电力电子器件的控温测量方法主要是利用夹具台中的阴阳极铜块对器件进行温度控制，其原理是通过在夹具台的上下铜块中加入热阻丝和热偶，通过对热阻丝进行加热实现温度的可调，通过热偶对温度的测量监控实现温度的可控。但是对于IGCT/ETO的典型物理封装结构而言，这极易导致封装横向和纵向温度分布的不均匀性。夹具台铜块中的加热热阻丝的空间位置会导致管壳横向表面温度分布不均匀，这种加热方法会导致管壳封装各物理层之间温度纵向分布不均匀。本发明实施例利用可控温度恒温箱研究并设计了针对IGCT/ETO器件的电热耦合特性的控温测量系统及测量方法。

本发明实施例以IGCT/ETO作为一种物理封装晶闸管器件对其电热耦合特性的测量进行示例性说明。如图1示出了根据本发明实施例的IGCT/ETO电热耦合特性测量回路。如图1所示所述回路包括直流电源DC、开关K1、开关K2、电感Ls、电阻Rs、接口和电容C1。其中，所述直流电源DC、开关K1、开关K2、电感Ls、电阻Rs、接口串联连接，电容C1与所述直流电源DC、开关K1串联连接。图1所示的这种连接方式，使得直流电源DC、开关K1和电容C1形成充电回路，电容C1、开关K2、电感Ls、电阻Rs和接口形成放电回路。

IGCT/ETO等物理封装晶闸管器件可以作为待测量器件DUT安装在所述接口中，以实现对所述IGCT/ETO等物理封装晶闸管器件电热耦合特性的测量。

本发明实施例中，还设有控制装置，所述控制装置用于控制所述开关K1和开关K2的通断。

首先，可以通过上述控制装置控制所述开关K1闭合、控制所述开关K2断开。此时，直流电源DC、开关K1和电容C1形成充电回路。在该充电回路中上述直流电源DC对该充电回路中的电容C1充电。

对上述电容C1充电完成后，上述控制装置可以控制上述开关K1断开、控制上述开关K2闭合。此时，电容C1、开关K2、电感Ls、电阻Rs和接口形成放电回路。放电回路形成后，上述电容C1中的电荷在该放电回路中实现放电，电流流经上述开关K2、通过电感Ls和电阻Rs进入到IGCT/ETO等物理封装晶闸管器件中，并最终返回所述电容C1以实现放电。

基于上述回路，本发明实施例中，电热耦合特性的测量方法主要包括如下步骤如下：

第一步，将所测IGCT/ETO器件置于可控温度恒温箱中，将连接的电缆等通过恒温箱壁上的圆孔穿出，利用恒温箱调节温度，使箱体内保持所要求的温度，在足够大的时间常数(即若干小时，例如3-5个小时)后，可以认为放置于其中的所测IGCT/ETO器件已经整体处于所要求的温度(例如达到80℃)；

第二步，连接如图1的测量回路。图2示出了IGCT/ETO门阴极电压测量方法示意图，如图2所示，标号1和3为器件上的门阴极，标号2和4为门极驱动上的门阴极连接点。MOSFET为门极驱动上的开关元件，门阴极电流均从MOSFET上通过。电容C1和电容C2为门极驱动上的储能元件。本发明实施例中，在开断过程中可以连入多个电容，图2中以虚线表示连入的多个电容利用门级驱动上预留的门阴极电压接口(图2中标号2和4)连接杜邦线结合开尔文电压测量方法测量门阴极电压VGK，可以认为标号2和4处测量得到的电压值约等于标号1和3处门阴极。同时利用罗氏线圈测量门阴极电流IGK和阳极电流IA和高压隔离电压探头测量阴阳极电压VAK。通过该步骤，可以同时测得四个关键电参数：门阴极电压VGK、门阴极电流IGK、阳极电流IA和阴阳极电压VAK；

第三步：通过控制单元控制开关K1使其闭合，利用测量回路中的直流电压发生器对母线电容C1进行充电，在器件门级驱动单元的控制下使IGCT/ETO保持导通状态，通过控制开关K2使其闭合，使器件通过一个正弦电流，根据第二步测量四个电参数；在该第三步中，调节恒温箱的温度，将温度从25℃以预定的间隔增加至125℃，本发明实施例中预定的间隔可以为10℃。每增加所述预定间隔的温度，将重复上述第二步和第三步进行测量；

第四步：通过多项式数学上的拟合，可以实现IGCT/ETO器件温度在25℃到125℃中的任意温度下的电特性预测，预测的电参数包括但不局限于门阴极电压流等。

在IGCT/ETO控温方法部分，本发明中的控温方法有如下特点：1.通过控制恒温箱的温度，可以实现温度从-20℃到140℃的调节并且可控恒温，能够满足IGCT/ETO器件所有运行条件和工况下的电热耦合特性测量。2.可控温度恒温箱能保证箱体内保持同一温度，可以使不同物理空间位置点的温度均保持一致，减小横向温度分布不均匀性。3.这种控温方法能够保证器件管壳封装各物理层之间保持协同一致，散热空间路径保证统一，减小纵向温度分布不均匀性。

在电热特性测量电路部分，本发明中的测量电路有如下特点：1.能够实现IGCT/ETO器件关键电参数的测量，电参数包括但不局限于门阴极电压、阳极电流等。2.电缆连接方式简洁且精炼，保证了回路的杂散参数在较低水平。

本发明所描述的IGCT/ETO电热耦合特性的测量方法主要具有如下特点：1.能够实现IGCT/ETO器件温度从-20℃到140℃的电特性测量，测量的电参数包括但不局限于门阴极电压、阳极电流等。2.通过多项式数学上的拟合，可以实现IGCT/ETO器件温度在-20℃到140℃中的任意温度下的电特性预测，预测的电参数包括但不局限于门阴极电压、阳极电流等。3.相比于IGCT/ETO管壳封装结构，不需要改变物理封装或者增加变流器的体积容量，在测量实现中具有便捷性。

本领域技术人员应该理解的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，但本领域的技术人员可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求书的范围。

Claims (4)

1.一种对物理封装晶闸管器件的电热耦合特性进行测量方法，所述方法包括：

步骤1、物理封装晶闸管器件进行恒温处理，以达到预定温度；

步骤2、利用测量回路测量所述物理封装晶闸管的以下参数中的一个或多个：门阴极电压、门阴极电流、阳极电流和阴阳极电压；

所述回路包括：充电回路和放电回路；

所述充电回路包括串联连接的直流电源、第一开关、电容；

所述放电回路包括串联的电容，第二开关、电感、电阻、接口；

所述物理封装晶闸管器件为IGCT/ETO器件，IGCT/ETO作为待测量器件安装在所述接口中；

MOSFET为门极驱动上的开关元件，门阴极电流均从MOSFET上通过，电容C1和电容C2为门极驱动上的储能元件；在开断过程中可以连入多个电容，连入的多个电容利用门级驱动上预留的门阴极电压接口连接杜邦线结合开尔文电压测量方法测量门阴极电压VGK；同时利用罗氏线圈测量门阴极电流IGK和阳极电流IA和高压隔离电压探头测量阴阳极电压VAK；

通过控制单元控制第一开关使其闭合，利用测量回路中的直流电压发生器对母线电容C1进行充电，在器件门级驱动单元的控制下使IGCT/ETO保持导通状态，通过第二开关使其闭合，使器件通过一个正弦电流，根据步骤2测量门阴极电压、门阴极电流、阳极电流和阴阳极电压；

步骤3、将所述预定温度增加一定的温度值，返回步骤2；

步骤4、基于获得的上述参数进行拟合，以形成拟合曲线。

2.根据权利要求1所述的对物理封装晶闸管器件的电热耦合特性进行测量方法，其中，

利用恒温箱的夹具台中的阴阳极铜块对物理封装晶闸管器件进行温度控制。

3.根据权利要求2所述的对物理封装晶闸管器件的电热耦合特性进行测量方法，其中，

通过在所述夹具台的上下铜块中加入热阻丝和热偶，通过对热阻丝进行加热实现温度的可调，通过热偶对温度的测量监控实现温度的可控。

4.根据权利要求1所述的对物理封装晶闸管器件的电热耦合特性进行测量方法，其中，

基于所述拟合曲线，预测所述参数。

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