CN114034912A - 基于大电流饱和压降的igbt结壳热阻测量方法 - Google Patents

Abstract

基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，包括以下步骤：(1)利用电热参数测试系统测量f(I_CE)；f(I_CE)表示为：f(I_CE)＝k₂×I_CE‑k₁；k₁为V₀的温度系数，V₀为测试IGBT模块导通时内部PN结压降；k₂为R₀的温度系数，R₀为测试IGBT模块导通时漂移区和导电沟道的等效欧姆电阻；I_CE为测试IGBT模块的输入电流；(2)基于测量的f(I_CE)，利用稳态结壳热阻测量系统测量测试IGBT模块的稳态结壳热阻值。本发明不需要测量IGBT模块的结温，一方面能够保护IGBT模块的完整性，另一方面也能简化测量电路并减小结温测量所带来的误差；在测量IGBT模块稳态结壳热阻时，不需要将IGBT模块从装置中拆卸下来，对IGBT模块无破坏性。

Description

基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法

技术领域

本发明涉及IGBT结壳热阻测量方法，具体是涉及一种基于大电流饱和压降的IGBT稳态结壳热阻的准在线测量方法。

背景技术

IGBT作为新型电力电子器件应用最为广泛的代表，在电网的光伏逆变器、风能变流器、储能逆变器、柔性直流换流阀等相关设备中起着至关重要的作用。因此，研究IGBT的工作性能与可靠性对于我国电网的进一步可靠发展有着极为重大的意义。IGBT工作性能与可靠性等都与其工作结温直接相关，而电力电子器件的热阻抗直接影响器件的结温，因此IGBT热阻的准确测量对提升IGBT模块的应用可靠性具有重要的现实意义。

近年来，国内外的学者对IGBT模块的热阻测量技术都有比较深入的研究，测量方法可以归纳为五种：热敏参数法、数学物理法、有限元仿真、实测结温法以及红外扫描法。

热敏参数法主要分为两种：一种是采用小电流下的集电极-发射极电压(V_CE)作为热敏参数；另外一种采用栅极-发射极阀值电压(V_GE)作为热敏参数。用V_GE作为热敏参数时，不易测量，对硬件要求极高，而V_CE便于测量且测量装置简单，因此目前大多数测量方案均用V_CE作为热敏参数。现有基于小电流下的V_CE进行IGBT模块的热阻测量，首先是通过大电流恒流电源所构建的加热回路对IGBT模块进行升温，使其达到热平衡的状态，然后借助示波器等装置测量得到大电流下IGBT模块达到热平衡状态时模块饱和压降与电流。然后，通过加热回路的开关迅速断开回路，通过附加的测试电路，给IGBT模块通入小电流得到模块小电流下的饱和压降，进而进行结温的间接测量，而壳温的测量通过热电阻或热电偶得到。最后，基于IGBT模块稳态结壳热阻的定义式，最终得到IGBT模块的稳态结壳热阻。该方法虽然能得到IGBT模块的稳态结壳热阻，但是测量过程需要附加大电流加热电路、小电流回路等附加电路，同时测量过程比较繁琐。另一方面，该方法是通过小电流下IGBT模块的饱和压降实现结温的间接测量，其中存在一定的测量与转换过程，也会进一步带来稳态热阻计算结果的误差。

数学物理方法包括基于热传导法提取热阻参数与有限元法数值仿真。基于热传导法提取热阻参数需要利用厂家提供的IGBT相关参数代入式

进行各层热阻值的计算，然后同个各分层的热阻值相加，即可得到稳态结壳热阻值。该方法虽然不需要相关的测试平台就能测量出IGBT模块的稳态结壳热阻，但是需要准确的得到每一层的参数(厚度、导热系数、有效传热面积等)，这些参数通过IGBT模块的数据手册不能直接准确的得到，同时求解过程繁琐，不能应用于模块在工作过程中的退化后的热阻求解，而且各层有效面积都为近似值，误差较大。

有限元仿真是基于有限元仿真软件建立IGBT模块电热仿真模型，首先是利用电学法测量模块的热特性，然后利用实际的实验测量对建模型的相关边界条件进行校验。最后利用校正后的模型进行电热仿真，计算出结温、壳温以及功率损耗的值，最后基于热阻的计算公式得到结壳间的稳态热阻。该方法可以省去试验测试的时间与成本，但是基于有限元仿真软件所建立的模型校正过程繁琐，模型精确度难以把握，同时该模型不能真实的反应IGBT模块退化后的热阻变化情况，因此该方法应用较少。

实时结温法是通过采用热敏元件直接与IGBT模块的芯片相接触获取结温的方法，首先，通过给IGBT模块通入恒定的电流进行加热，测量模块达到热平衡状态下的饱和压降与功率损耗。然后，通过与IGBT模块的芯片相接触获取IGBT模块的结温与壳温，然后基于热阻的计算公式得到结壳间的稳态热阻。该方法虽然能够直接测量IGBT模块的结温，但是测量方法为侵入式的，对IGBT模块具有一定的破坏性，会影响IGBT模块的可靠性。同时测量成本大且难以实现。

红外扫描法与实时结温法计算模块的稳态结壳热阻的过程类似，唯一的区别在于该方法是通过红外成像仪来获取IGBT模块的结温。该方法需要打开IGBT模块的封装，并去除芯片上的硅胶。该方法同样是对IGBT模块具有一定破坏性，而且通过热成像仪探测的温度与实际温度之间的误差比较大。同时测温系统结构复杂且成本昂贵。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，不需要测量IGBT模块的结温，一方面能够保护IGBT模块的完整性，另一方面也能简化测量电路并减小结温测量所带来的误差；在测量IGBT模块稳态结壳热阻时，不需要将IGBT模块从装置中拆卸下来，对IGBT模块无破坏性。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，包括以下步骤：

(1)利用电热参数测试系统测量f(I_CE)；

f(I_CE)表示为：

f(I_CE)＝k₂×I_CE-k₁

k₁为V₀的温度系数，V₀为测试IGBT模块导通时内部PN结压降；k₂为R₀的温度系数，R₀为测试IGBT模块导通时漂移区和导电沟道的等效欧姆电阻；I_CE为测试IGBT模块的输入电流；

(2)基于测量的f(I_CE)，利用稳态结壳热阻测量系统测量测试IGBT模块的稳态结壳热阻值。

进一步，所述电热参数测试系统的电路结构包括恒流源、电子负载、开关IGBT模块、测试IGBT模块、驱动模块、采集电路、DSP和PC端上位机，所述恒流源、电子负载、开关IGBT模块串接形成回路，所述测试IGBT模块并接在开关IGBT模块上，所述驱动模块在DSP的控制下驱动开关IGBT模块及测试IGBT模块导通，所述采集电路在DSP的控制下采集测试IGBT模块的导通压降，DSP将采集电路采集的信号传输至PC端上位机。

进一步，步骤(1)中，测量f(I_CE)的具体方法为：

(1-1)恒定测试IGBT模块的结温T_j下，测量不同测试电流I_CE下的测试IGBT模块两端的导通压降V_CE；恒定测试电流I_CE下，测量不同结温T_j下的测试IGBT模块两端的导通压降V_CE；

(1-2)通过步骤(1-1)测量的多组不同结温T_j、测试电流I_CE、导通压降V_CE的数据，拟合得到大电流下测试IGBT模块关于结温T_j、测试电流I_CE、导通压降V_CE的电热特性曲线，根据电热特性曲线得到f(I_CE)，f(I_CE)为电热特性曲线的斜率。

进一步，步骤(1-1)中，采集测试IGBT模块两端的导通压降前，利用开关IGBT模块进行换流，具体方法为：t₀时刻，设定恒流源的电流为相应电流，利用恒流源给开关IGBT模块通入恒定的测试电流，驱动模块发出驱动信号，控制开关IGBT模块导通，待开关IGBT模块电流达到稳定；t₁时刻，驱动模块发出驱动信号，控制测试IGBT模块导通，部分开关IGBT模块上的电流换流到测试IGBT模块上；t₂时刻立即给开关IGBT模块关断信号，使开关IGBT模块上的电流全部换流到测试IGBT模块上，经过1ms～5ms延时后，利用采集电路，采集特定结温与电流下测试IGBT模块两端的导通压降。

进一步，步骤(1-1)中，测试IGBT模块的结温的具体设定方法为：设定恒温箱的温度为相应温度，将测试IGBT模块放于恒温箱中加热，使恒温箱内的测试IGBT模块的结温与恒温箱设定温度值保持一致。

进一步，所述稳态结壳热阻测量系统的电路结构包括恒流源、电子负载、测试IGBT模块、驱动模块、采集电路、热电偶、温度变送器、DSP和PC端上位机，恒流源、电子负载、测试IGBT模块串接形成回路，驱动模块在DSP的控制下驱动测试IGBT模块导通，采集电路在DSP的控制下采集测试IGBT模块的导通压降及测试IGBT模块的壳温，DSP将采集电路采集的信号传输至PC端上位机；热电偶一端贴在测试IGBT模块外壳上，另一端与温度变送器相连，温度变送器与DSP相连。

进一步，步骤(2)中，测试IGBT模块的稳态结壳热阻值的具体方法为：

(2-1)采集不同测试电流I_CE下，测试IGBT模块未发生老化时，测试IGBT模块达到热平衡状态下对应的初始导通压降V_CE0与初始壳温T_C0；

(2-2)采集不同测试电流I_CE下，测试IGBT模块发生老化时，测试IGBT模块达到热平衡状态下对应的导通压降V_CE与壳温T_C；

(2-3)基于下式，计算测试IGBT模块的稳态结壳热阻值：

其中，T_j0为测试IGBT模块的初始结温，ΔT_j为测试IGBT模块老化后的结温变化量，ΔT_C为测试IGBT模块老化后的壳温变化量，R_th0为IGBT模块老化前的结壳热阻；

R_th0通过测试IGBT模块的数据手册直接得到，将R_th0、f(I_CE)、不同测试电流I_CE下的初始导通压降V_CE0、初始壳温T_C0、导通压降V_CE、壳温T_C代入上式，得到测试IGBT模块不同电流下的稳态结壳热阻值。

进一步，步骤(2-1)、(2-2)中，借助恒流源通入用于测量的恒定电流I_CE，并每间隔一段时间采集测试IGBT模块两端的导通压降；当测试IGBT模块两端的导通压降不再变化时，则表明测试IGBT模块处于热平衡状态；此时，设定恒流源的电流I_CE为不同电流值，在不同电流值下，通过采集电路采集测试IGBT模块的导通压降V_CE与壳温T_C，并将采集的信号传输到DSP；测试IGBT模块投入使用前，由于IGBT未发生老化，首次采集的数据为初始导通压降V_CE0与初始壳温T_C0。

进一步，步骤(2-2)中，采集测试IGBT模块的壳温，具体方法为：将测试IGBT模块固定在带有小孔的散热器上，小孔位于测试IGBT模块的正下方；在小孔中插入热电偶，保持热电偶的一端与测试IGBT模块外壳的底面充分接触，另一端与温度变送器相连，将由温度产生的热电势转换为与温度成线性关系的电压信号传输到稳态结壳热阻测量系统的DSP，热电偶采集的温度值则为测试IGBT模块的壳温。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

本发明是基于IGBT模块内部的电热特性来测量IGBT模块的稳态结壳热阻，该测量方法不需要测量IGBT模块的结温，一方面能够保护IGBT模块的完整性，另一方面也能简化测量电路并减小结温测量所带来的误差。在测量IGBT模块稳态结壳热阻时，不需要将IGBT模块从装置中拆卸下来，对IGBT模块无破坏性，只需要测出f(I_CE)，并给测量IGBT模块形成通入恒定电流的回路，并测量IGBT模块热稳态时的导通压降与壳温，就能直接计算得到IGBT模块的结壳热阻。不受IGBT模块因功率循环而导致焊料层失效的影响。能直接应用于直流系统内的IGBT模块，同时也能应用于工况具有间歇性的电力电子装置中，如高速列车的牵引变流器，电动汽车的逆变器等，应用范围更为广泛，同时也能为IGBT模块焊料层的状态评估提供参考。

附图说明

图1是本发明实施例的电热参数测试系统的电路结构示意图。

图2是本发明实施例的稳态结壳热阻测量系统的电路结构示意图。

图3是本发明实施例的大电流下测试IGBT模块电热特性曲线图。

图4是本发明实施例焊料层失效模拟实验结果曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细描述。

IGBT模块的电流导通回路是由芯片、键合线、芯片焊料层以及DBC上铜层这四部分结构组成的。而IGBT模块端部压降主要由两部分组成，一部分是芯片上的压降V_chip，另一部分为IGBT模块的寄生电阻压降R_stray，而V_chip除了受集射极电流I_CE影响外，还受到芯片结温T_j的影响。IGBT模块的导通压降表达式如式(1)所示。

V_CE＝V_chip+V_stray＝[V₀-k₁(T_j-T_j0)]+[R₀+R_stray+k₂(T_j-T_j0)]×I_CE (1)

V₀为IGBT模块导通时内部PN结压降，R₀为IGBT模块导通时漂移区和导电沟道的等效欧姆电阻；V_chip为IGBT模块芯片上的压降，R_stray为IGBT模块寄生电阻，k₁为V₀的温度系数，k₂为R₀的温度系数，T_j0为初始结温，I_CE为IGBT模块的输入电流，假设在给定I_CE时，IGBT模块未发生老化时，IGBT模块达到热平衡状态下结温为初始结温T_j0，此时IGBT模块的导通压降为初始导通压降V_CE0，此时壳温为初始壳温T_C0。因此由式(1)可以推导出

V_CE0＝V₀+[R₀+R_stray]×I_CE (2)

定义IGBT模块老化后的导通压降变化量ΔV_CE＝V_CE-V_CE0，IGBT模块老化后的结温变化量ΔT_j＝T_j-T_j0，则式(1)可转化为

V_CE＝V_CE0+ΔV_CE＝[V₀-k₁ΔT_j]+[R₀+R_stray+k₂ΔT_j]×I_CE (3)

因此，结合式(2)与式(3)，可以推导出IGBT模块老化后的导通压降变化量为

ΔV_CE＝k₂×ΔT_j×I_CE-k₁×ΔT_j (4)

对式(4)进行整理，可以求得因IGBT模块老化导致结温的增量ΔT_j为

IGBT模块达到热平衡状态时，可以求得IGBT模块的结壳热阻R_th为

因此，在模块未发生老化时，IGBT模块的初始结壳热阻为R_th0，其值可以通过IGBT模块的数据手册直接获取，也可以通过式(7)进行相关的测试得到。

当模块发生老化时，IGBT模块老化后的热阻可由式(7)转换为

ΔT_C为IGBT模块老化后的壳温变化量，V_CE为IGBT模块老化后的导通压降。

将式(5)与式(7)带入式(8)，并化简得到

k、k₂其值大小与I_CE有关。因此，为了便于应用各种大小的测试电流，可以设定k₂×I_CE-k₁为负载电流I_CE的多项式，如下所示。

f(I_CE)＝k₂×I_CE-k₁＝a₀+a₁I_CE+…+a_nI_CE ⁿ (10)

相关系数可以通过实验数据拟合得到。

由式(9)可以看出，IGBT模块的结壳热阻R_th与电热参数I_CE、V_CE0、T_C0、V_CE、T_C、R_th0以及多项式f(I_CE)有关。其中I_CE为IGBT模块结壳热阻测量过程中施加恒定电流，其值保持不变；V_CE0、T_C0为IGBT未发生老化时模块的饱和压降与壳温，其值恒定不变且不受IGBT模块老化的影响，可以通过前期的实验直接测量得到；k₁和k₂其值与测试电流I_CE有关，可以通过多项式f(I_CE)表示，当测试电流I_CE确定时，其值恒定不变且不受IGBT模块老化的影响；V_CE、T_C是在输入电流I_CE恒定时，模块达到热平衡状态下的饱和压降与壳温，可以在测量电路中直接测量得到；R_th0为IGBT模块老化前的结壳热阻，该值恒定不变且不受模块老化的影响，可以通过IGBT模块的数据手册直接得到。

在本发明专利所提的IGBT模块结壳热阻R_th计算的参数中，部分参数(如I_CE、V_CE0、T_C0、R_th0、f(I_CE))其值在特定电流下是恒定的且不受模块老化的影响，这些参数可以在IGBT模块投入运行前，就能直接测量得到。而在老化过程中，只需要测量IGBT模块的导通压降V_CE与壳温T_C，就能直接得到IGBT模块的结壳热阻。因此，本发明专利基于大电流饱和压降的IGBT稳态结壳热阻准在线状态监测方法，通过对V_CE、T_C的在线测量，可以直接得到IGBT模块稳态结壳热阻R_th。

本实施例基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法包括以下步骤：

(1)利用电热参数测试系统测量f(I_CE)；

测试IGBT模块的导通压降表达式如式(1)所示：

V_CE＝V_chip+V_stray＝[V₀-k₁(T_j-T_j0)]+[R₀+R_stray+k₂(T_j-T_j0)]×I_CE (1)

其中，V₀为测试IGBT模块导通时内部PN结压降，R₀为测试IGBT模块导通时漂移区和导电沟道的等效欧姆电阻；V_chip为IGBT模块芯片上的压降，R_stray为测试IGBT模块寄生电阻，k₁为V₀的温度系数，k₂为R₀的温度系数，T_j0为初始结温，I_CE为测试IGBT模块的输入电流，假设在给定I_CE时，测试IGBT模块未发生老化时，测试IGBT模块达到热平衡状态下结温为初始结温T_j0，此时测试IGBT模块的导通压降为初始导通压降V_CE0，此时壳温为初始壳温T_C0。

式(1)经过化简得到式(11)：

V_CE＝(k₂×I_CE-k₁)T_j-[V₀+k₁T_j0+(R₀+R_stray-k₂T_j0)×I_CE] (11)

f(I_CE)表示为：

f(I_CE)＝k₂×I_CE-k₁ (12)

参照图1，电热参数测试系统的电路结构包括恒流源、电子负载、开关IGBT模块、测试IGBT模块、驱动模块、采集电路、DSP和PC端上位机，恒流源、电子负载、开关IGBT模块串接形成回路，测试IGBT模块并接在开关IGBT模块上，驱动模块在DSP的控制下驱动开关IGBT模块及测试IGBT模块导通，采集电路在DSP的控制下采集测试IGBT模块的导通压降，DSP将采集电路采集的信号传输至PC端上位机。

步骤(1)具体包括以下步骤：

(1-1)设定测试IGBT模块的结温为T_j1，设定恒流源的电流为I_CE1，采集结温T_j1与电流I_CE1下测试IGBT模块两端的导通压降V_CE11。

(1-2)设定测试IGBT模块的结温为T_j1，设定恒流源的电流为I_CE2，采用结温T_j1与电流I_CE2下测试IGBT模块两端的导通压降V_CE12。

(1-3)设定测试IGBT模块的结温为T_j1，设定恒流源的电流为I_CE3，采用结温T_j1与电流I_CE3下测试IGBT模块两端的导通压降V_CE13。

(1-4)设定测试IGBT模块的结温为T_j2，设定恒流源的电流为I_CE1，采集结温T_j2与电流I_CE1下测试IGBT模块两端的导通压降V_CE21。

(1-5)设定测试IGBT模块的结温为T_j3，设定恒流源的电流为I_CE1，采集结温T_j3与电流I_CE1下测试IGBT模块两端的导通压降V_CE31。

(1-6)通过测量的多组不同T_j、I_CE、V_CE数据，拟合得到大电流下测试IGBT模块关于T_j、I_CE、V_CE的电热特性曲线，如图3所示，根据电热特性曲线得到f(I_CE)，根据式(11)可知，f(I_CE)为式(11)中的斜率，也即电热特性曲线的斜率。为了便于应用各种大小的测试电流，可以设定k₂×I_CE-k₁为负载电流I_CE的多项式，f(I_CE)可表示为：

f(I_CE)＝k₂×I_CE-k₁＝a₀+a₁I_CE+…+a_nI_CE ⁿ (10)

n、a₀、a₁、a_n通过拟合的电热特性曲线得到。

步骤(1-1)～(1-5)中，设定测试IGBT模块结温的具体方法为：设定恒温箱的温度为相应温度，将测试IGBT模块放于恒温箱中加热足够长的时间，使恒温箱内的测试IGBT模块的结温与恒温箱设定温度值保持一致，以此使测试IGBT模块的结温在测试过程维持在恒定的温度内。

步骤(1-1)～(1-3)中，采集测试IGBT模块两端的导通压降前，利用开关IGBT模块进行换流，具体方法为：t₀时刻，设定恒流源的电流为相应电流，利用恒流源给开关IGBT模块通入恒定的测试电流，驱动模块发出驱动信号，控制开关IGBT模块导通，待开关IGBT模块电流达到稳定；t₁时刻，驱动模块发出驱动信号，控制测试IGBT模块导通，部分开关IGBT模块上的电流会换流到测试IGBT模块上；t₂时刻立即给开关IGBT模块关断信号，使开关IGBT模块上的电流全部换流到测试IGBT模块上，经过3ms延时后，利用采集电路，采集特定结温与电流下测试IGBT模块两端的导通压降。为避免采集过程中产生的误差干扰实验结果，在换流过程完成后，每间隔10us采集测试IGBT模块两端的导通压降，并采取10次采集结果的平均值作为特定结温与电流下测试IGBT模块两端的导通压降。

(2)基于测量的f(I_CE)，利用稳态结壳热阻测量系统测量测试IGBT模块的稳态结壳热阻值。

参照图2，其中，稳态结壳热阻测量系统的电路结构包括恒流源、电子负载、测试IGBT模块、驱动模块、采集电路、热电偶、温度变送器、DSP和PC端上位机，恒流源、电子负载、测试IGBT模块串接形成回路，驱动模块在DSP的控制下驱动测试IGBT模块导通，采集电路在DSP的控制下采集测试IGBT模块的导通压降及测试IGBT模块的壳温，DSP将采集电路采集的信号传输至PC端上位机。热电偶一端贴在测试IGBT模块外壳上，另一端与温度变送器相连，温度变送器与DSP相连。

步骤(2)具体包括以下步骤：

(2-1)驱动模块在测试IGBT模块的栅射极两端施加恒定不变的+15V电压，以保证测量过程中，测试IGBT模块一直保持导通状态；

(2-2)采集不同测试电流I_CE下，测试IGBT模块未发生老化时，测试IGBT模块达到热平衡状态下对应的初始导通压降V_CE0与初始壳温T_C0；

(2-3)采集不同测试电流I_CE下，测试IGBT模块发生老化时，测试IGBT模块达到热平衡状态下对应的导通压降V_CE与壳温T_C；

步骤(2-2)、(2-3)中，借助恒流源通入用于测量的恒定电流I_CE，并每间隔一段时间采集测试IGBT模块两端的导通压降。当测试IGBT模块两端的导通压降不再变化时，则表明测试IGBT模块处于热平衡状态。此时，设定恒流源的电流I_CE为不同电流值，在不同电流值下，通过采集电路采集测试IGBT模块的导通压降V_CE与壳温T_C，并将采集的信号传输到DSP。测试IGBT模块投入使用前，由于IGBT未发生老化，首次采集的数据为初始导通压降V_CE0与初始壳温T_C0。

步骤(2-3)中，采集测试IGBT模块的壳温，具体方法为：将测试IGBT模块固定在带有小孔的散热器上，小孔位于测试IGBT模块的正下方。在小孔中插入热电偶，保持热电偶的一端与测试IGBT模块外壳的底面充分接触，另一端与温度变送器相连，将由温度产生的热电势转换为与温度成线性关系的电压信号传输到稳态结壳热阻测量系统的DSP，热电偶采集的温度值则为测试IGBT模块的壳温。

(2-4)基于式(9)，计算测试IGBT模块的稳态结壳热阻值，

R_th0通过测试IGBT模块的数据手册直接得到，将R_th0、f(I_CE)、不同测试电流I_CE下的初始导通压降V_CE0、初始壳温T_C0、导通压降V_CE、壳温T_C代入式(9)，得到测试IGBT模块不同电流下的稳态结壳热阻值。

本实施例以F4-100R17ME4_B11的IGBT模块为研究对象，证明本发明的有效性与正确性。

基于测量要求，搭建电热参数测试系统。实验中，保持环境温度为25℃，测试电流为2、6、10、……、50A时，结温分别为30、60、90、120、150℃下测试IGBT模块的导通压降，实验结果经拟合处理后，如图3所示。

由图3可知，特定集电极电流下，IGBT模块的结温与两端的压降线性相关。同时，当IGBT模块通过的集电极电流大于20A时，IGBT模块两端的导通压降与结温负相关；当IGBT模块通过的集电极电流小于20A时，IGBT模块两端的通态压降与结温正相关；该拐点电流值与型号F4-100R17ME4_B11的IGBT模块的数据手册上一致，也验证了数据的准确性。

基于实验数据，结合公式(10)，得到型号F4-100R17ME4_B11的IGBT模块在n＝4时方程拟合度最高，相关系数为99.7％，因而得到方程式中相关系数分别为n＝4、a₀＝2.097×10^-3、a₁＝1.923×10^-4、a₂＝-7.272×10^-6、a₃＝1.776×10^-7、a₄＝1.6×10^-9。

为了减少实验误差以及保证实验结果的一致性，本发明通过建立稳态结壳热阻测量系统，测量待定参数V_CE0、T_C0。稳态结壳热阻测量系统由恒流源、电子负载、测试IGBT模块、驱动模块、热电偶、温度变送器、采集电路、DSP以及PC端上位机组成。其中，电子负载是为了保证实验过程，通过测试IGBT模块上的电流恒定；热电偶的一端与测试IGBT模块外壳的底面充分接触，另一端与温度变送器相连，将由温度产生的热电势转换为与温度成线性关系的电压信号传输到DSP，热电偶采集的温度值则为测试IGBT模块的壳温；采集电路是采集测试IGBT模块两端的导通压降，并将电压值传输到DSP上，经DSP将数据传输到PC端上位机中进行呈现。

基于稳态结壳热阻测量系统，结合F4-100R17ME4_B11，分别测量测试电流为5、10、15、20、……、50A时，未老化的测试IGBT模块达到热平衡状态下的导通压降V_CE与壳温T_C，此时导通压降值与壳温值即为特定测试电流下测试IGBT模块的初始导通压降V_CE0和初始壳温T_C0，实验数据如表1所示。根据型号F4-100R17ME4_B11的IGBT模块的数据手册得到初始结壳热阻R_th0为0.236℃/W。

表1不同测试电流下，IGBT模块初始导通压降与初始结温

I<sub>CE</sub>(A)	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
											V<sub>CE0</sub>(V)	0.956	1.064	1.151	1.23	1.309	1.384	1.468	1.553	1.641	1.729
T<sub>C0</sub>(℃)	27.3	28.5	30.4	33.4	36.7	41.1	45.7	51.8	58.6	66.9

根据型号F4-100R17ME4_B11的测试IGBT模块铜基板的尺寸大小，依次在测试IGBT模块的铜基板上贴上尺寸为122.5×62.5×0.5mm、122.5×62.5×1mm的导热硅胶片(Sy136)，以此来模拟测试IGBT模块焊料层失效。因为热源尺寸远小于导热硅胶片，所以在计算导热硅胶片的时候一般考虑45°热扩散角，进而计算得到两种尺寸的导热硅胶片的热阻分别为0.390℃/W、0.780℃/W。

将贴有导热硅胶片的测试IGBT模块放入稳态结壳热阻测量系统中，分别用本发明方法对贴有导热硅胶片的测试IGBT模块的热阻进行测量，实验结果如下表2所示。

表2焊料层失效模拟实验结果

为了便于分析本发明方法对IGBT模块稳态结壳热阻测量的准确性与有效性，将实验数据整理成曲线图如图4所示。

由上述实验数据可知：首先，本发明所提IGBT结壳热阻测量方法整体实验结果的准确度更高，结壳热阻测量相对误差值小于5％。其次，随测试电流的增大，本发明所提出的IGBT结壳热阻测量方法误差先增大后减小；在测试电流I_CE为20A时，本发明提出的IGBT结壳热阻测量方法相对误差值最大，分别为3.03％(模拟值1)与3.00％(模拟值2)，这是因为本发明是基于大电流下IGBT模块电热耦合热性建立的稳态结壳热阻计算模型，当检测电流为20A时，IGBT模块的导通压降几乎不随测试模块结温的变化而变化，因此模型中由参数拟合带来的计算误差也最大。最后，虽然测试电流I_CE为50A时，测试所得的热阻值相较于I_CE为5A更为精确，但是考虑到50A测试电流所达到的稳态时间较长、所带来的损耗较大，因此，测试电流I_CE为5A是本实施例实验选取测试电流值中最为适合的电流值。

总的来说，本实施例证明了本发明所提IGBT结壳热阻测量方法的有效性与准确性。同时，在实际应用过程中，研究人员可以根据实际测试精度的要求，进一步细化测试电流值，从而选出满足实际需求的测试电流值。

本发明是基于IGBT模块内部的电热特性来测量IGBT模块的稳态结壳热阻，该测量方法不需要测量IGBT模块的结温，一方面能够保护IGBT模块的完整性，另一方面也能简化测量电路并减小结温测量所带来的误差。在测量IGBT模块稳态结壳热阻时，不需要将IGBT模块从装置中拆卸下来，对IGBT模块无破坏性。只需要测出f(I_CE)，并给测量IGBT模块形成通入恒定电流的回路，并测量IGBT模块热稳态时的导通压降与壳温，就能直接计算得到IGBT模块的结壳热阻。不受IGBT模块因功率循环而导致焊料层失效的影响。测量方法应用范围更为广泛，同时也能为IGBT模块焊料层的状态评估提供参考。能直接应用于直流系统内的IGBT模块，同时也能应用于工况具有间歇性的电力电子装置中，如高速列车的牵引变流器，电动汽车的逆变器等。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种修改和变型，倘若这些修改和变型在本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则这些修改和变型也在本发明的保护范围之内。

说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

Claims (9)

1.一种基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

(1)利用电热参数测试系统测量f(I_CE)；

f(I_CE)表示为：

f(I_CE)＝k₂×I_CE-k₁

k₁为V₀的温度系数，V₀为测试IGBT模块导通时内部PN结压降；k₂为R₀的温度系数，R₀为测试IGBT模块导通时漂移区和导电沟道的等效欧姆电阻；I_CE为测试IGBT模块的输入电流；

(2)基于测量的f(I_CE)，利用稳态结壳热阻测量系统测量测试IGBT模块的稳态结壳热阻值。

2.如权利要求1所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：所述电热参数测试系统的电路结构包括恒流源、电子负载、开关IGBT模块、测试IGBT模块、驱动模块、采集电路、DSP和PC端上位机，所述恒流源、电子负载、开关IGBT模块串接形成回路，所述测试IGBT模块并接在开关IGBT模块上，所述驱动模块在DSP的控制下驱动开关IGBT模块及测试IGBT模块导通，所述采集电路在DSP的控制下采集测试IGBT模块的导通压降，DSP将采集电路采集的信号传输至PC端上位机。

3.如权利要求1或2所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：步骤(1)中，测量f(I_CE)的具体方法为：

(1-1)恒定测试IGBT模块的结温T_j下，测量不同测试电流I_CE下的测试IGBT模块两端的导通压降V_CE；恒定测试电流I_CE下，测量不同结温T_j下的测试IGBT模块两端的导通压降V_CE；

(1-2)通过步骤(1-1)测量的多组不同结温T_j、测试电流I_CE、导通压降V_CE的数据，拟合得到大电流下测试IGBT模块关于结温T_j、测试电流I_CE、导通压降V_CE的电热特性曲线，根据电热特性曲线得到f(I_CE)，f(I_CE)为电热特性曲线的斜率。

4.如权利要求3所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：步骤(1-1)中，采集测试IGBT模块两端的导通压降前，利用开关IGBT模块进行换流，具体方法为：t₀时刻，设定恒流源的电流为相应电流，利用恒流源给开关IGBT模块通入恒定的测试电流，驱动模块发出驱动信号，控制开关IGBT模块导通，待开关IGBT模块电流达到稳定；t₁时刻，驱动模块发出驱动信号，控制测试IGBT模块导通，部分开关IGBT模块上的电流换流到测试IGBT模块上；t₂时刻立即给开关IGBT模块关断信号，使开关IGBT模块上的电流全部换流到测试IGBT模块上，经过1ms～5ms延时后，利用采集电路，采集特定结温与电流下测试IGBT模块两端的导通压降。

5.如权利要求3所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：步骤(1-1)中，测试IGBT模块的结温的具体设定方法为：设定恒温箱的温度为相应温度，将测试IGBT模块放于恒温箱中加热，使恒温箱内的测试IGBT模块的结温与恒温箱设定温度值保持一致。

6.如权利要求1所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：所述稳态结壳热阻测量系统的电路结构包括恒流源、电子负载、测试IGBT模块、驱动模块、采集电路、热电偶、温度变送器、DSP和PC端上位机，恒流源、电子负载、测试IGBT模块串接形成回路，驱动模块在DSP的控制下驱动测试IGBT模块导通，采集电路在DSP的控制下采集测试IGBT模块的导通压降及测试IGBT模块的壳温，DSP将采集电路采集的信号传输至PC端上位机；热电偶一端贴在测试IGBT模块外壳上，另一端与温度变送器相连，温度变送器与DSP相连。

7.如权利要求6所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：步骤(2)中，测试IGBT模块的稳态结壳热阻值的具体方法为：

(2-1)采集不同测试电流I_CE下，测试IGBT模块未发生老化时，测试IGBT模块达到热平衡状态下对应的初始导通压降V_CE0与初始壳温T_C0；

(2-2)采集不同测试电流I_CE下，测试IGBT模块发生老化时，测试IGBT模块达到热平衡状态下对应的导通压降V_CE与壳温T_C；

(2-3)基于下式，计算测试IGBT模块的稳态结壳热阻值：

其中，T_j0为测试IGBT模块的初始结温，ΔT_j为测试IGBT模块老化后的结温变化量，ΔT_C为测试IGBT模块老化后的壳温变化量，R_th0为IGBT模块老化前的结壳热阻；

R_th0通过测试IGBT模块的数据手册直接得到，将R_th0、f(I_CE)、不同测试电流I_CE下的初始导通压降V_CE0、初始壳温T_C0、导通压降V_CE、壳温T_C代入上式，得到测试IGBT模块不同电流下的稳态结壳热阻值。

8.如权利要求7所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：步骤(2-1)、(2-2)中，借助恒流源通入用于测量的恒定电流I_CE，并每间隔一段时间采集测试IGBT模块两端的导通压降；当测试IGBT模块两端的导通压降不再变化时，则表明测试IGBT模块处于热平衡状态；此时，设定恒流源的电流I_CE为不同电流值，在不同电流值下，通过采集电路采集测试IGBT模块的导通压降V_CE与壳温T_C，并将采集的信号传输到DSP；测试IGBT模块投入使用前，由于IGBT未发生老化，首次采集的数据为初始导通压降V_CE0与初始壳温T_C0。

9.如权利要求7所述的基于大电流饱和压降的IGBT结壳热阻测量方法，其特征在于：步骤(2-2)中，采集测试IGBT模块的壳温，具体方法为：将测试IGBT模块固定在带有小孔的散热器上，小孔位于测试IGBT模块的正下方；在小孔中插入热电偶，保持热电偶的一端与测试IGBT模块外壳的底面充分接触，另一端与温度变送器相连，将由温度产生的热电势转换为与温度成线性关系的电压信号传输到稳态结壳热阻测量系统的DSP，热电偶采集的温度值则为测试IGBT模块的壳温。

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