CN113514747A - 一种测量电力电子器件温度分布的电学方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电力电子器件结温测量技术领域，具体涉及一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，包含如下步骤：1）通过实验测量获得器件在不同温度下的I‑V‑T特性曲线；2）对I‑V‑T特性曲线实验数据进行拟合，得到I、V、T三者的数值关系I(V,T)；3）用函数分布描述器件芯片温度分布；4）用n个二极管并联电路模型模拟器件在小电流下的通态电路模型，建立器件芯片在温度梯度下I和V的数值模型；5）通过多电流测量法得到不同电流下器件的通态压降；6）用联立非线性方程组求解，得到温度分布函数的各个参数；7）将各个参数代入即可获得芯片温度分布。与现有技术相比，本发明不需要破坏器件封装结构。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子器件结温测量技术领域，具体涉及一种测量电力电子器件温度分布的电学方法。
背景技术
电力电子器件正大量应用在直流电网、电力机车和电动汽车等变流领域，根据电力电子系统可靠性研究报告，电力电子器件是电力电子系统中失效率最高的部分，大约占整个电力电子系统的34%。而电力电子器件的失效55%是由温度造成的。可以看出电力电子器件的结温准确测量对于提高整个电力电子系统的可靠性具有重要意义。
小电流下PN结压降法是目前使用最为广泛的一种结温测量法，作为一种温敏电参数法，相比物理接触法和光学法具有不破坏器件封装结构的独特优点，被各主流标准采用应用于功率循环试验或热阻测量中的结温测量。关于该方法的缺点，学术界和工业界也较为清晰，其中之一就是不能获得器件的温度分布，只能得到一个温度数值，这也是所有温敏电参数法的缺点。
目前获得器件芯片温度分布的方法主要是红外测温法，红外测温法需要打开模块封装结构，并清理模块内部的绝缘硅胶，让芯片暴露在红外摄像头下，进行直接测量。另外一种获得器件芯片温度分布的方法是物理接触法，即采用热电偶直接与芯片相接触，每一个热电偶只能获取接触点的温度，为了获得芯片表面温度分布，则需要尽可能多的热电偶。由于芯片表面布满了用于通流的键合线，利用此方法测量模块结温时所选用热电偶的体积必须足够小才能与模块的芯片很好的接触，但是制造工艺的限制使得体积极小的热电偶精度不高，测量值不够准确。上述两种方法都需要对模块的封装结构进行破坏，一方面改变了器件的热学特性，测量结果与实际值相差较大，另一方面只能应用在实验室中测量结温，不能用于实际应用中的结温测量。
随着功率模块朝着大电流、大功率和高可靠性的方向发展，一种新型封装结构的IGBT模块—压接型IGBT器件正逐步应用在柔性直流输电中，压接型IGBT器件通过外部压力使得各组件紧密结合在一起，在这种封装结构中，目前用于测量芯片温度分布的红外测温法和物理接触法均不适用。
发明内容
鉴于目前芯片温度分布测量方法的局限性，本发明专利提出一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，对传统的小电流下PN结压降法进行改进，通过反向求解温度分布函数参数得到芯片温度分布，使得通过电学方法也能进行温度分布的测量。通过本发明提出的方法可以简单方便快速的进行芯片温度分布测量，尤其是解决了目前压接型IGBT器件中芯片温度分布无法测量的问题，为其可靠性研究奠定基础。为此，本发明采取的技术方案是：
这一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，与现有技术不同的是：包含如下步骤：
1）通过实验测量获得器件在不同温度下的I-V-T特性曲线；其中：栅极电压固定为15V，I代表集电极-发射极（CE）电流，V代表与集电极-发射极（CE）两端电压V，T代表温度；
2）对I-V-T特性曲线实验数据进行拟合，得到I、V、T三者的数值关系I(V,T)；
3）用函数分布描述器件芯片温度分布；
4）用n个二极管并联电路模型模拟器件在小电流下的通态电路模型，建立器件芯片在温度梯度下I和V的数值模型；
5）通过多电流测量法得到不同电流下器件的通态压降；
6）用联立非线性方程组求解，得到温度分布函数的各个参数；
7）将各个参数代入即可获得芯片温度分布。
进一步地，步骤1）中，所述特性曲线通过如下步骤获得：
1.1）将器件放入恒温箱中，将恒温箱稳定在一个温度值T 1；
1.2）给器件施加不同的测量电流I，测量器件的结压降V，不同的测量电流取值范围从0到1/1000的器件额定电流，在这范围内均匀取值，测量电流越多越好，不少于50个，得到温度T 1下的I-V特性曲线；
1.3）调整恒温箱的温度，稳定在新的温度值T 2，重复1.2）的过程得到温度T 2下的I-V特性曲线；
1.4）继续调整恒温箱，温度在新的温度值，如此重复，可以得到不同温度下的I-V特性曲线，构成I-V-T特性曲线簇，温度取值范围从室温到最大结温，在这范围内均匀取值，具体范围和取值根据测试需求而定。
进一步地，在步骤2）中，进行数据拟合时采用公式（2）：
进一步地，步骤3）中，函数选取高斯函数（3）或二阶多项式函数（4）：
进一步地，步骤4）中，所有二极管的端电压均视为相同，每个二极管上通过电流之和为测量电流I，如公式（5）所示：
进一步地，步骤5）中，实际结温测量中，负载电流I L对器件进行加热至芯片达到热平衡状态，切断负载电流，施加连续的不同的测量电流，测量电流的选择从0到1/1000器件额定电流，尽可能分散；如果温度分布选择类高斯函数描述，至少需要7个不同的测量电流，如果温度分布选择二阶多项式函数描述，至少需要6个不同的测量电流；无论选择何种函数，每个测量电流持续时间均为100μs。
进一步地，步骤6）中，如果温度分布选择类高斯函数描述，对7个测量电流I 1、I 2、I 3、I 4、I 5、I 6、I 7和相应的电压V 1、V 2、V 3、V 4、V 5、V 6、V 7按照公式（6）进行联立非线性方程组求解；如果温度分布选择二阶多项式函数描述，需要对6个测量电流I 1、I 2、I 3、I 4、I 5、I 6和相应的电压V 1、V 2、V 3、V 4、V 5、V 6也按照公式（6）进行联立非线性方程组求解：
与现有技术相比，本发明通过电学法测量芯片温度分布的方法，方便便捷且不需要破坏器件封装结构，该方法基于小电流下PN结压降法并对其进行改进，适用于一切可以应用该结温测量法的电力电子器件，例如二极管、MOSFET和IGBT等，可以得到较为精确的芯片温度分布，更为重要的是，该方法可以对压接型IGBT器件的芯片温度分布进行测量。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为实施例1测量实验示意图；
图3为实施例1得到的I-V-T特性曲线；
图4为实施例1得到的芯片表面二维温度分布示意图；
图5为实施例1二极管并联电路模型；
图6为实施例1结温测量电路图；
图7为实施例1测量电流时序图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合说明书附图和具体实施方案对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1，针对650V100A的IGBT器件的芯片进行电学法测温，实施流程示意图如图1所示。
1、通过实验测量，获得待测器件在不同温度下的输出特性曲线，即栅极电压固定为15V时，集电极-发射极（CE）电流I与CE两端电压V的特性曲线；
1.1 将待测器件放入恒温箱中，将恒温箱稳定在一个温度值110℃；
1.2 给器件施加不同的测量电流I，测量器件的结压降V，测量方法如图2所示，不同的测量电流取值范围从0到100mA，在这范围内均匀取值，间距为2mA，得到温度为110℃时的I-V特性曲线；
1.3 调整恒温箱的温度，稳定在新的温度值115℃，重复1.2的过程得到温度为115℃时的I-V特性曲线；
1.4 继续调整恒温箱，每隔5℃测得该温度下的I-V特性曲线，构成I-V-T特性曲线簇，如图3所示；
2、通过对I-V-T特性曲线簇实验数据进行拟合，得到待测器件I-V-T特性的数值关系I(V,T)；
2.1 实验测量获得的I-V-T特性曲线主要反映的是小电流下PN结的I-V-T特性，而小电流下PN结的I-V-T特性可以用公式（1）表示：
2.2 最优的拟合函数需要根据物理意义选取，因此可以选择拟合函数为：
2.3 根据公式（2）对I-V-T特性曲线簇实验数据进行拟合，拟合得到不同温度下参数A和B的参数，然后对A(T)和B(T)进行拟合，最终得到待测器件I-V-T特性的数值关系I(V,T)。
3、假设芯片温度分布满足一种函数分布，用函数分布描述芯片温度分布；
3.1 当器件工作时，在芯片有源区会产生功耗，使得芯片温度并不均匀，而是存在温度梯度，呈现的规律是中心温度高，两边温度低，因为器件结构的对称，一般温度分布也是关心中心对称的，这一点也可以通过有限元仿真验证，如图4所示；
3.2 假设芯片温度分布满足二阶多项式函数，函数形式为：
4、建立器件在小电流下的通态电路模型，得到芯片存在温度梯度下电流I和CE两端电压V的数值模型；
4.1 器件芯片有源区往往是成千上万的元胞并联而成，而小电流下器件I-V特性又和PN结的I-V特性相符，因此小电流下器件通态模型可以用n个二极管并联电路模型表示，如图5所示。
4.2每个二极管的温度不同，温度为芯片对应位置的温度，所有二极管的端电压相同，每个二极管上通过电流之和为测量电流，如公式（5）所示：
5、在实际结温测量中，通过多电流测量法得到不同电流下器件的通态压降；
5.1 实际结温测量中的电路如图6所示，负载电流I Load对器件进行加热至芯片达到热平衡状态，切断负载电流，施加连续的不同的测量电流，测量电流的选择范围为0到100mA；
5.2 温度分布选择二阶多项式函数描述，如公式（4）所示，一共有6个参数，因此至少需要6个不同的测量电流。
6、联立非线性方程组求解，得到温度分布函数的各个参数，即可获得芯片温度分布；
6.1温度分布选择二阶多项式函数描述，需要对6个测量电流I 1、I 2、I 3、I 4、I 5、I 6和相应的电压V 1、V 2、V 3、V 4、V 5、V 6进行联立非线性方程组求解，方法同上，求解温度分布函数中的6个参数；
本专利发明了一种通过电学法测量芯片温度分布的方法，方便便捷且不需要破坏器件封装结构，该方法基于小电流下PN结压降法并对其进行改进，适用于一切可以应用该结温测量法的电力电子器件，例如二极管、MOSFET和IGBT等，可以得到较为精确的芯片温度分布，更为重要的是，该方法可以对压接型IGBT器件的芯片温度分布进行测量。
Claims (7)
1.一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，其特征在于：包含如下步骤：
1）通过实验测量获得器件在不同温度下的I-V-T特性曲线；其中：栅极电压固定为15V，I代表集电极-发射极（CE）电流，V代表与集电极-发射极（CE）两端电压V，T代表温度；
2）对I-V-T特性曲线实验数据进行拟合，得到I、V、T三者的数值关系I(V,T)；
3）用函数分布描述器件芯片温度分布；
4）用n个二极管并联电路模型模拟器件在小电流下的通态电路模型，建立器件芯片在温度梯度下I和V的数值模型；
5）通过多电流测量法得到不同电流下器件的通态压降；
6）用联立非线性方程组求解，得到温度分布函数的各个参数；
7）将各个参数代入即可获得芯片温度分布。
2.根据权利要求1所述的一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，其特征在于：步骤1）中，所述特性曲线通过如下步骤获得：
1.1）将器件放入恒温箱中，将恒温箱稳定在一个温度值T 1；
1.2）给器件施加不同的测量电流I，测量器件的结压降V，不同的测量电流取值范围从0到1/1000的器件额定电流，在这范围内均匀取值，测量电流越多越好，不少于50个，得到温度T 1下的I-V特性曲线；
1.3）调整恒温箱的温度，稳定在新的温度值T 2，重复1.2）的过程得到温度T 2下的I-V特性曲线；
1.4）继续调整恒温箱，温度在新的温度值，如此重复，可以得到不同温度下的I-V特性曲线，构成I-V-T特性曲线簇，温度取值范围从室温到最大结温，在这范围内均匀取值，具体范围和取值根据测试需求而定。
3.根据权利要求1所述的一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，其特征在于：在步骤2）中，进行数据拟合时采用公式（2）：
4.根据权利要求1所述的一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，其特征在于：步骤3）中，函数选取高斯函数（3）或二阶多项式函数（4）：
5.根据权利要求1所述的一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，其特征在于：步骤4）中，所有二极管的端电压均视为相同，每个二极管上通过电流之和为测量电流I，如公式（5）所示：
6.根据权利要求1所述的一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，其特征在于：步骤5）中，实际结温测量中，负载电流I L对器件进行加热至芯片达到热平衡状态，切断负载电流，施加连续的不同的测量电流，测量电流的选择从0到1/1000器件额定电流，尽可能分散；如果温度分布选择类高斯函数描述，至少需要7个不同的测量电流，如果温度分布选择二阶多项式函数描述，至少需要6个不同的测量电流；无论选择何种函数，每个测量电流持续时间均为100μs。
7.根据权利要求1所述的一种测量电力电子器件温度分布的电学方法，其特征在于：步骤6）中，如果温度分布选择类高斯函数描述，对7个测量电流I 1、I 2、I 3、I 4、I 5、I 6、I 7和相应的电压V 1、V 2、V 3、V 4、V 5、V 6、V 7按照公式（6）进行联立非线性方程组求解；如果温度分布选择二阶多项式函数描述，需要对6个测量电流I 1、I 2、I 3、I 4、I 5、I 6和相应的电压V 1、V 2、V 3、V 4、V 5、V 6也按照公式（6）进行联立非线性方程组求解：
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