CN113447787A - 一种功率半导体器件老化在线诊断方法 - Google Patents

一种功率半导体器件老化在线诊断方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种功率半导体器件老化在线诊断方法，该方法基于功率半导体器件不同老化程度下特定电气参数对应不同结温的特性，建立其关于结温的老化诊断模型；根据实际工况中功率半导体器件的电气数据，结合热敏感电参数法和热阻网络法分别进行结温估计，通过对获得的两个估计结温的比较，实现功率半导体器件的老化种类的判定，继而实现老化程度的诊断和寿命估计；该方法提高了功率半导体器件的安全性和经济效益，是功率半导体器件老化预诊断领域的一条新思路。

Description

一种功率半导体器件老化在线诊断方法
技术领域
本发明涉及电力电子设备健康管理技术领域，具体涉及一种功率半导体器件老化在线诊断方法。
背景技术
由电力电子系统可靠性调研报告可知，功率半导体器件是变流系统中失效率最高的，约占34％。在各类失效因素中，由温度因素诱发的电力电子系统失效占比高达55％。大量试验统计数据与失效机理分析得到，功率器件的结温摆动幅度、最大结温、平均结温、最低壳温以及周期内导通时间等因素共同决定了其在失效前所能经历的最大温度循环周期数。因此，功率半导体器件中IGBT的结温的精准提取与检测是其老化状态诊断、使用寿命估计、健康状态管理与可靠性状态评估的基础。
功率半导体器件老化主要可分为芯片老化和封装老化，现有老化分析技术的研究大多从热敏感参数角度研究器件的结温变化，并离线分析映射到器件失效程度，并没有达到实用化，尚缺乏一种兼顾功率半导体器件老化种类判定和老化程度估计的在线诊断方法。
发明内容
为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种功率半导体器件老化在线诊断方法，以IGBT为例，拟在不破坏模块封装的前提下，通过加速老化实验，对功率器件老化特性的测试分析，研究IGBT的失效过程中的结温变化，包括热敏感电参数法和热阻网络法，对比两种方法的结温检测结果，确定IGBT的老化种类和程度，以获得一种兼顾经济效益、设备可靠性的多目标控制，进而为功率半导体器件的健康管理主要是老化因素故障的预诊断技术提供参考。
为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：
一种功率半导体器件老化在线诊断方法，采用结温估计方法，判断导通功率偏移程度，从而判断老化程度；包括两种情况：
(1)基于功率半导体器件电热特性，根据功率半导体器件不同老化程度下特定电气参数对应不同结温的特性，比较热敏感电参数法和热阻网络法获得的两个结温参数的大小，判断功率半导体器件的老化种类，即芯片老化或封装老化；
(2)在老化种类判定的基础上，比较实际工况中功率半导体器件的导通功率数据和正常功率半导体器件的导通功率数据的偏差程度，实现功率半导体器件老化程度的诊断。
优选功率半导体器件为IGBT。
优选地，所述功率半导体器件结温监测方法包括：
(1)热敏感电参数法估计结温的方法，选定导通功率P0为导通状态末即关断过程开始前这一时刻t0的功率，则P0＝vce(t0)·ic(t0)为热敏感电参数，建立导通功率-电流-结温的三维映射关系；根据实际工况中功率半导体器件的导通电流Ic＝ic(t0)和导通功率P0，得到第一估计结温Tj1；
(2)热阻网络法估计结温的方法，提取未封装老化的功率半导体器件热阻参数，构建电热模型即热阻网络Zth＝(Tj-Tc)/P＝ΔT/ΔP，将壳温Tc＝Tc(t0)和热功率数据p(t0)代入获得第二估计结温Tj2。
优选地，所述老化种类的判定实现如下：
采用两个结温参数：基于导通功率的热敏感电参数结温估计方法得到的第一估计结温Tj1，基于热阻网络结温估计方法得到的第二估计结温Tj2；
若Tj1＜Tj2，功率半导体器件老化种类为芯片老化。当功率半导体器件发生芯片老化而未发生封装老化时，芯片老化后基于正常模型所建立的导通功率的热敏感电参数结温估计方法得到的第一估计结温Tj1小于此时该功率半导体器件的实际结温，而芯片老化不影响封装固有特性，即封装的热阻抗参数不变，基于热阻网络结温估计方法得到的第二估计结温Tj2为此时该功率半导体器件的实际结温；
若Tj1＞Tj2，功率半导体器件老化种类为封装老化。当功率半导体器件发生封装老化而未发生芯片老化时，封装老化不影响芯片内部固有特性，基于正常模型所建立的导通功率的热敏感电参数结温估计方法得到的第一估计结温Tj1为此时该功率半导体器件的实际结温，基于正常热阻网络结温估计方法得到的第二估计结温Tj2小于此时该功率半导体器件的实际结温。
优选地，所述老化程度的估计实现如下：
保持功率半导体器件的壳温Tc恒定，温度标定实验中开关周期内导通状态末即关断过程开始前这一时刻t0的导通电流Ic对应的导通功率P1；实际运行条件下同等壳温Tc和同等导通电流Ic对应另一导通功率P2；
P2-P1，发生老化，通过导通功率的偏差ΔP＝P2-P1表征功率半导体器件的老化程度。
优选地，基于导通功率的热敏感电参数法和热阻网络法的结温估计模型建立包括以下四个步骤：
步骤一：温度标定实验，正常IGBT固有参数提取，选取特定一个IGBT在温度标定平台进行试验，采取控制变量法，分别在一定的电流梯度和结温梯度下测得该IGBT单个开关周期内的集电极电流ic和集射极电压vce参数信号；
步骤二：离线数据处理，获得各实验样本的导通功率，建立导通功率-电流-结温的三维映射关系表；
步骤三：根据所试验的IGBT数据手册，提取该IGBT的热阻网络参数；
步骤四：根据所提取的热阻网络参数，搭建该IGBT的电热模型。
优选地，基于导通功率的热敏感电参数法和热阻网络法的结温估计实现包括以下两个步骤：
步骤一：数据采样，传感功率半导体器件在一个开关周期内导通状态末即关断过程开始前这一时刻t0的壳温Tc、集射极电压vce、集电极电流ic，进而获得导通电流Ic、对应的导通功率P1和热功率数据p(t0)＝vce(t0)·ic(t0)；
步骤二：获取结温，将导通电流Ic和对应的导通功率P1代入权利要求5建立的导通功率-电流-结温的三维映射关系表得到的第一估计结温Tj1；将壳温Tc和热功率数据p(t0)代入权利要求5建立的电热模型得到的第二估计结温Tj2。
优选地，在将导通电流Ic和对应的导通功率P1代入导通功率-电流-结温的三维映射关系表得到的第一估计结温Tj1时，采用基于导通功率的热敏感电参数结温估计方法；在将壳温Tc和热功率数据p(t0)代入权利要求5建立的电热模型得到的第二估计结温Tj2时，采用基于热阻网络结温估计方法。
优选地，所述基于导通功率P0的热敏感电参数结温估计方法，根据实际情况采用其他热敏感电参数替代，如：导通压降vce、关断延迟时间td_off。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
1.本发明功率半导体器件老化在线诊断方法，以关键老化因素——结温进行老化诊断；
2.本发明分别基于导通功率的热敏感电参数结温估计方法和热阻网络结温估计方法进行结温监测，通过两个估计结温的比较，实现功率半导体器件的老化种类的判定，继而实现老化程度的诊断和寿命估计，提高了功率半导体器件的安全性和经济效益，为今后的功率半导体器件老化在线诊断研究提供了新思路；
3.本发明方法简单易行，成本低，适合推广使用。
附图说明
图1为本发明的一种功率半导体器件老化在线诊断方法示意图。
图2为本发明的老化种类判定和该老化程度诊断实现流程图。
图3为本发明的结温估计模型建立示意图。
图4为本发明的温度标定试验平台示意图。
图5为本发明的温度标定试验系统原理图。
图6为本发明的一个开关周期内集射极电压vce、集电极电流ic波形示意图。
图7为本发明的导通功率-电流-结温三维关系图。
具体实施方式
以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：
实施例一：
在本实施例中，参见图1，一种功率半导体器件老化在线诊断方法，采用结温估计方法，判断导通功率偏移程度，从而判断老化程度；包括两种情况：
(1)基于功率半导体器件电热特性，根据功率半导体器件不同老化程度下特定电气参数对应不同结温的特性，比较热敏感电参数法和热阻网络法获得的两个结温参数的大小，判断功率半导体器件的老化种类，即芯片老化或封装老化；
(2)在老化种类判定的基础上，比较实际工况中功率半导体器件的导通功率数据和正常功率半导体器件的导通功率数据的偏差程度，实现功率半导体器件老化程度的诊断。
其中，功率半导体器件结温监测方法包括：
(1)热敏感电参数法估计结温的方法，选定导通功率P0为导通状态末即关断过程开始前这一时刻t0的功率，则P0＝vce(t0)·ic(t0)为热敏感电参数，建立导通功率-电流-结温的三维映射关系；根据实际工况中功率半导体器件的导通电流Ic＝ic(t0)和导通功率P0，得到第一估计结温Tj1；
(2)热阻网络法估计结温的方法，提取未封装老化的功率半导体器件热阻参数，构建电热模型即热阻网络Zth＝(Tj-Tc)/P＝ΔT/ΔP，将壳温Tc＝Tc(t0)和热功率数据p(t0)代入获得第二估计结温Tj2。
如图2所示，功率半导体器件的所述老化种类的判定实现如下：
采用两个结温参数：基于导通功率的热敏感电参数结温估计方法得到的第一估计结温Tj1，基于热阻网络结温估计方法得到的第二估计结温Tj2；
若Tj1＜Tj2，功率半导体器件老化种类为芯片老化。当功率半导体器件发生芯片老化而未发生封装老化时，芯片老化后基于正常模型所建立的导通功率的热敏感电参数结温估计方法得到的第一估计结温Tj1小于此时该功率半导体器件的实际结温，而芯片老化不影响封装固有特性，即封装的热阻抗参数不变，基于热阻网络结温估计方法得到的第二估计结温Tj2为此时该功率半导体器件的实际结温；
若Tj1＞Tj2，功率半导体器件老化种类为封装老化。当功率半导体器件发生封装老化而未发生芯片老化时，封装老化不影响芯片内部固有特性，基于正常模型所建立的导通功率的热敏感电参数结温估计方法得到的第一估计结温Tj1为此时该功率半导体器件的实际结温，基于正常热阻网络结温估计方法得到的第二估计结温Tj2小于此时该功率半导体器件的实际结温。
所述老化程度的估计实现如下：
保持功率半导体器件的壳温Tc恒定，温度标定实验中开关周期内导通状态末即关断过程开始前这一时刻t0的导通电流Ic对应的导通功率P1；实际运行条件下同等壳温Tc和同等导通电流Ic对应另一导通功率P2；
P2-P1，发生老化，通过导通功率的偏差ΔP＝P2-P1表征功率半导体器件的老化程度。
如图3所示，基于导通功率的热敏感电参数法和热阻网络法的结温估计模型建立主要包括以下四个步骤：
步骤一：温度标定实验，正常IGBT固有参数提取，选取特定一个IGBT在温度标定平台进行试验，采取控制变量法，分别在一定的电流梯度和结温梯度下测得该IGBT单个开关周期内的集电极电流ic和集射极电压vce参数信号；
步骤二：离线数据处理，获得各实验样本的导通功率，建立导通功率-电流-结温的三维映射关系表；
步骤三：根据所试验的IGBT数据手册，提取该IGBT的热阻网络参数；
步骤四：根据所提取的热阻网络参数，搭建该IGBT的电热模型。
其中，步骤一和步骤二在如图4所示的温度标定平台上实现，图5所示的原理图，采用单相逆变器电路进行双脉冲测试，选择英飞凌的IGBT模块(型号：FF50R12RT4)进行测试，实验时将待测模块两侧加热片启动，待温控器显示温度稳定并维持15分钟后，可认为模块内芯片与箱内温度相同，通过改变第一个脉冲的脉宽宽度实现关断时刻集电极电流10A、15A、20A、25A、30A、35A、40A可调，分别测试30、60、90、120℃下IGBT单个开关周期内集射极电压vce、集电极电流ic，记录试验数据，单个开关周期内集射极电压vce、集电极电流ic波形如图6所示；离线进行数据分析，建立导通功率-电流-结温的映射关系表，进行数据拟合，填充空白数据，绘制导通功率-电流-结温的三维关系图。
如图7所示的导通功率-电流-结温三维关系图，利用老化试验验证本专利所提的一种功率半导体器件老化在线诊断方法的正确性。可见，在相同工况下，不同老化程度下基于导通功率的热敏感电参数结温估计方法得到的第一估计结温Tj1和基于热阻网络结温估计方法得到的第二估计结温Tj2具有一定的偏差。结果表明，IGBT的结温受到老化程度的影响，对于IGBT的老化状态研究，可以应用热阻网络法和热敏感电参数法结合建立联合模型，最终确定IGBT的老化状态。
本实施例根据实际工况中功率半导体器件的电气数据，结合热敏感电参数法和热阻网络法进行分别结温估计，通过两个估计结温的比较，实现功率半导体器件的老化种类的判定，继而实现老化程度的诊断和寿命估计。
实施例二：
本实施例中基本与实施例一相同，区别之处在于：
所述的一种功率半导体器件老化在线诊断方法中的基于导通功率的热敏感电参数结温估计方法，可根据实际情况采用其他热敏感电参数替代，如：导通压降vce、关断延迟时间td_off。降低系统采样、运算成本，更具经济性和实时性。
上述实施例功率半导体器件老化在线诊断方法，该方法基于功率半导体器件不同老化程度下特定电气参数对应不同结温的特性，建立其关于结温的老化诊断模型；根据实际工况中功率半导体器件的电气数据，结合热敏感电参数法和热阻网络法进行分别结温估计，通过两个估计结温的比较，实现功率半导体器件的老化种类的判定，继而实现老化程度的诊断和寿命估计；该方法提高了功率半导体器件的安全性和经济效益，是功率半导体器件老化预诊断领域的一条新思路。
上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种功率半导体器件老化在线诊断方法，其特征在于，采用结温估计方法，判断导通功率偏移程度，从而判断老化程度；包括两种情况：
(1)基于功率半导体器件电热特性，根据功率半导体器件不同老化程度下特定电气参数对应不同结温的特性，比较热敏感电参数法和热阻网络法获得的两个结温参数的大小，判断功率半导体器件的老化种类，即芯片老化或封装老化；
(2)在老化种类判定的基础上，比较实际工况中功率半导体器件的导通功率数据和正常功率半导体器件的导通功率数据的偏差程度，实现功率半导体器件老化程度的诊断。
2.如权利要求1所述功率半导体器件老化在线诊断方法，其特征在于，所述功率半导体器件结温监测方法包括：
(1)热敏感电参数法估计结温的方法，选定导通功率P0为导通状态末即关断过程开始前这一时刻t0的功率，则P0＝vce(t0)·ic(t0)为热敏感电参数，建立导通功率-电流-结温的三维映射关系；根据实际工况中功率半导体器件的导通电流Ic＝ic(t0)和导通功率P0，得到第一估计结温Tj1；
(2)热阻网络法估计结温的方法，提取未封装老化的功率半导体器件热阻参数，构建电热模型即热阻网络Zth＝(Tj-Tc)/P＝ΔT/ΔP，将壳温Tc＝Tc(t0)和热功率数据p(t0)代入获得第二估计结温Tj2。
3.如权利要求1所述功率半导体器件老化在线诊断方法，其特征在于，所述老化种类的判定实现如下：
采用两个结温参数：基于导通功率的热敏感电参数结温估计方法得到的第一估计结温Tj1，基于热阻网络结温估计方法得到的第二估计结温Tj2；
若Tj1＜Tj2，功率半导体器件老化种类为芯片老化；
若Tj1＞Tj2，功率半导体器件老化种类为封装老化。
4.如权利要求1所述功率半导体器件老化在线诊断方法，其特征在于，所述老化程度的估计实现如下：
保持功率半导体器件的壳温Tc恒定，温度标定实验中开关周期内导通状态末即关断过程开始前这一时刻t0的导通电流Ic对应的导通功率P1；实际运行条件下同等壳温Tc和同等导通电流Ic对应另一导通功率P2；
P2-P1，发生老化，通过导通功率的偏差ΔP＝P2-P1表征功率半导体器件的老化程度。
5.如权利要求2～4中任一项所述功率半导体器件老化在线诊断方法，其特征在于，基于导通功率的热敏感电参数法和热阻网络法的结温估计模型建立包括以下四个步骤：
步骤一：温度标定实验，正常IGBT固有参数提取，选取特定一个IGBT在温度标定平台进行试验，采取控制变量法，分别在一定的电流梯度和结温梯度下测得该IGBT单个开关周期内的集电极电流ic和集射极电压vce参数信号；
步骤二：离线数据处理，获得各实验样本的导通功率，建立导通功率-电流-结温的三维映射关系表；
步骤三：根据所试验的IGBT数据手册，提取该IGBT的热阻网络参数；
步骤四：根据所提取的热阻网络参数，搭建该IGBT的电热模型。
6.如权利要求3～4中任一项所述功率半导体器件老化在线诊断方法，其特征在于，基于导通功率的热敏感电参数法和热阻网络法的结温估计实现包括以下两个步骤：
步骤一：数据采样，传感功率半导体器件在一个开关周期内导通状态末即关断过程开始前这一时刻t0的壳温Tc、集射极电压vce、集电极电流ic，进而获得导通电流Ic、对应的导通功率P1和热功率数据p(t0)＝vce(t0)·ic(t0)；
步骤二：获取结温，将导通电流Ic和对应的导通功率P1代入权利要求5建立的导通功率-电流-结温的三维映射关系表得到的第一估计结温Tj1；将壳温Tc和热功率数据p(t0)代入权利要求5建立的电热模型得到的第二估计结温Tj2。
7.如权利要求2～6中任一项所述功率半导体器件老化在线诊断方法，其特征在于，所述基于导通功率P0的热敏感电参数结温估计方法，根据实际情况采用其他热敏感电参数替代，如：导通压降vce、关断延迟时间td_off。
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