CN114384385A - 一种压接型功率模块igbt热阻测试方法 - Google Patents

一种压接型功率模块igbt热阻测试方法 Download PDF

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CN114384385A CN202111468662.8A CN202111468662A CN114384385A CN 114384385 A CN114384385 A CN 114384385A CN 202111468662 A CN202111468662 A CN 202111468662A CN 114384385 A CN114384385 A CN 114384385A
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余琼
杨柳
谢正纯
周月宾
周见豪
王景坤
张海涛
易荣
鲁挺
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Rongxin Huike Electric Co ltd
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Rongxin Huike Electric Co ltd
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Abstract

本发明提供一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，包括：步骤1：将压接型功率模块直接作为被试对象，与测试装置连接；步骤2：对被试子模块的IGBT进行K曲线标定试验；步骤3：对被试子模块的IGBT进行热路热阻测试试验；步骤4：获得IGBT的整体热路热阻参数。该方法能够将功率子模块直接作为被试对象，即对设备的IGBT和散热器直接作为被试对象，对整个热路热阻直接测试，省去了热路分析的环节，提高了热路热阻的准确性，同时，该方法能够在器件(功率模块)的整个生命周期内进行热阻测试，适于观测热阻的退化过程。该方法涉及一种压接型功率模块IGBT热阻测试装置，该测试装置能够完成从器件K曲线标定到热路热阻测试的全部试验，试验过程简单。

Description

一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法
技术领域
本发明涉及电力电子设备技术领域，特别涉及一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法。
背景技术
功率模块是全控型电力电子设备的最小功能单元，确保功率模块的可靠运行是保障设备运行可靠性的基础。IGBT是功率模块内部的核心器件，IGBT的可靠性直接影响着功率子模块运行的可靠性和稳定性。近年来，压接型IGBT(相比焊接型IGBT)以其耐压高、电流等级大、环境适应性强、寿命长、可靠性高、双面散热、低杂感、故障不扩大化、防爆等多方面的优点，在功率等级大、可靠性要求高的应用领域(如柔直换流阀、超大功率变频器、大功率无功补偿设备等)得到了广泛的应用。IGBT结温是功率模块热设计的核心指标，为保证功率模块安全运行，IGBT的工作结温必须限制在极限值以下。传统的结温计算方法为由IGBT制造厂家提供IGBT的结壳热阻参数，由散热器厂家提供散热器的热阻参数，再综合散热回路中其它热阻参数(如接触热阻等)组成热路模型，由热路模型和器件热损耗推导出器件结温，由于热路中各器件的热阻参数分别由不同的试验装置测试给出，且部分热阻参数(如涂抹导热硅脂后的接触热阻)只能通过仿真分析的手段给出，因此热路模型的精确性很难控制，最终造成结温计算结果与实际值的偏差。另外，IGBT 制造商的数据手册里给出的IGBT的Foster热路模型是根据采用某一特定散热器散热时测量得到的，实际应用计算时，当设备的散热器与IGBT制造商进行IGBT热阻测量时所采用的散热器不同时，计算结果将产生偏差。第三，随着功率模块使用时间的增加，结层间会发生退化，这将导致器件结到壳之间的热阻增加，此时若使用器件出厂时的热阻参数来估算器件结温，将产生较大的偏差。第四，器件厂家给出的热阻往往是针对单个器件采用专用工装测量，不是针对模块，这也将在实际应用中产生偏差。近年来，基于电特征量(如集射极饱和压降、实时功耗、关断直流母线振铃峰值电压等)的热阻/结温测量逐渐被提出，但该方法往往过程(或算法)较为复杂，目前较少有工程应用。
鉴于上述原因，发明了一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法。该方法能够将功率子模块直接作为被试对象，即对设备的IGBT和散热器直接作为被试对象，对整个热路热阻直接测试，省去了热路分析的环节，提高了热路热阻的准确性，同时，该方法能够在器件(功率模块)的整个生命周期内进行热阻测试，适于观测热阻的退化过程。该方法涉及一种压接型功率模块IGBT热阻测试装置，该测试装置能够完成从器件K曲线标定到热路热阻测试的全部试验，试验过程简单。
发明内容
为了解决背景技术提出的技术问题，本发明提供一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，该方法能够将功率子模块直接作为被试对象，对整个热路热阻直接进行测试，试验结果可以直接用于结温计算，省去了热路分析环节。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，包括如下步骤：
步骤1：将压接型功率模块直接作为被试对象，与测试装置连接；
步骤2：对被试子模块的IGBT进行K曲线标定试验；
步骤3：对被试子模块的IGBT进行热路热阻测试试验；
步骤4：获得IGBT的整体热路热阻参数。
所述的测试装置包括测试平台、主控制器、电压监测及电流注入单元、水冷机组和补能单元；
所述测试平台包括被试单元、陪试单元、负载单元，所述被试单元为完整的压接型IGBT 功率模块；功率模块中的功率器件为IGBT，所述陪试单元为和被试单元相同拓扑的半桥功率模块，被试单元和陪试单元组成全桥结构；所述负载单元为可调电抗器，作为全桥结构的负载，通过调节电感量，结合全桥控制策略，为被试单元的IGBT提供符合试验要求的加热电流。
进一步地，所述的电压监测及电流注入单元在K曲线标定试验及热阻测试试验中为被试IGBT提供设定的CE负载电流，同时测量被试单元的IGBT的CE饱和电压。
进一步地，所述的主控制器在K曲线标定试验和热阻测试试验中完成控制保护功能，在K曲线标定试验阶段，主控制器在IGBT结温达到预定温度时，向电压监测及电流注入单元发出电流注入命令，同时接收由电压监测及电流注入单元返回的CE饱和电压检测值；在热阻测试试验阶段，主控制器对被试单元和陪试单元的IGBT发出经过调制的PWM触发命令，使被试单元的IGBT流过预定的加热电流，当被试单元达到热稳定后，封锁IGBT 触发脉冲，停止加热后，每隔一段时间向电压监测及电流注入单元发出电流注入命令，同时接收电压监测及电流注入单元回传的集射极饱和电压检测值。
进一步地，所述的水冷机组有电加热装置，在K曲线标定试验阶段，启动电加热装置加热IGBT水冷散热器内部的冷却水，以此加热IGBT，热稳定后IGBT结温等于冷却水温度，此时向被试单元的IGBT注入设定电流并检测被试单元的IGBT集射极饱和电压，得到该结温下的集射极饱和电压，通过控制电加热器加热量及水冷系统水流量可将冷却水控制在不同的温度，因此可以测得不同结温下的集射极饱和电压；在热阻测试试验的加热阶段，水冷机组能够给被试单元和陪试单元提供散热。
进一步地，所述的补能单元在热阻测试试验的加热阶段为被试单元和陪试单元的直流电容补充能量，将直流侧稳定在规定的电压值。
进一步地，所述的步骤2的K曲线标定试验在热阻测试试验之前进行，目的为标定被试IGBT结温VS集射极饱和电压的函数关系，具体为：通过加热IGBT水冷散热器内的冷却水使IGBT的结温达到固定温度，向被试IGBT注入设定电流，同时测量被试IGBT的集射极饱和电压，记录不同结温下IGBT的集射极饱和电压，得到被试IGBT结温VS集射极饱和电压的函数关系，即被试IGBT的K曲线。
进一步地，所述的步骤3的热阻测试试验具体为：在被试IGBT水冷散热器测温点放置热电偶，测量水冷散热器测温点温度作为参考温度，主控制器通过脉宽调制技术控制被试IGBT的加热电流，在被试IGBT达到热平衡后停止加热，以最短时间向被试IGBT注入一次设定电流，同时测量每次注入电流时的集射极饱和电压，利用K曲线标定试验得到的K曲线找到每次注入电流时对应的IGBT结温。
进一步地，所述的步骤4具体为：根据被试IGBT达到热平衡时的热损耗、被试IGBT的结温、被试IGBT水冷散热器测温点的温度，算出被试IGBT结到水冷散热器测温点的热阻。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出的一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，该方法能够将功率子模块直接作为被试对象，即对设备的IGBT和散热器直接作为被试对象，对整个热路热阻直接测试，省去了热路分析的环节，提高了热路热阻的准确性，同时，该方法能够在器件(功率模块)的整个生命周期内进行热阻测试，适于观测热阻的退化过程。该方法涉及一种压接型功率模块IGBT热阻测试装置，该测试装置能够完成从器件K曲线标定到热路热阻测试的全部试验，试验过程简单。
附图说明
图1为本发明的压接型功率模块IGBT热阻测试装置组成框图；
图2为本发明的测试平台结构示意图；
图3为本发明的电压监测及电流注入单元组成框图；
图4为本发明实施例的热阻测试试验波形示意图；
图5为本发明的K曲线标定试验示意图。
图中：1-测试平台 2-电压监测及电流注入单元 3-主控制器 4-水冷机组 5-补能电源 6-电压监测及电流注入单元与测试平台的连接信号 7-主控制器 8-主控制器与测试平台的连接信号 9-主控制器与水冷机组的连接信号 10-主控制器与补能电源的连接信号11-进水管 12-出水管 13-被试单元 14-陪试单元 15-负载单元 16-温度传感器 17-限压采集电路 18-滤波放大电路 19-AD转换电路 20-数字隔离电路 21-MCU控制器 22-电加热器 23-入口温度传感器 24-出口温度传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1-2所示，本发明的试验装置包括测试平台1、电压监测及电流注入单元2、主控制器3、水冷机组4、补能电源5。被试压接型功率模块布置在测试平台1中；电压监测及电流注入单元2与被试单元13中的IGBT连接，能够为被试单元13中的IGBT注入电流同时测量被试IGBT的集射极管压降；主控制器3为试验装置提供控制和保护作用，热阻试验中主控制器3将经过调制后的PWM控制信号传递给测试平台1同时接收测试平台1 回传的状态信号，主控制器3负责向电压监测及电流注入单元2发出电流注入命令同时接收电压监测及电流注入单元2发出电流回传的IGBT集射极饱和电压，主控制器3在试验过程中接收水冷系统4回传的状态信号同时为水冷系统4提供控制保护命令，当主控制器 3检测到测试平台1中的功率单元直流支撑电压跌落时为补能电源5提供补能命令启动信号；水冷机组4在试验过程中为测试平台1中的功率器件提供冷却，通过进水管11与出水管12与测试平台1相连；补能电源5负责为测试平台1补充电能。
如图2所示，测试平台1包括被试单元13、陪试单元14、负载单元15，被试单元13 为功率模块，为半桥结构，被试IGBT的水冷散热器侧面布置温度传感器16，用于检测水冷散热器侧面温度；陪试单元14为与被试单元13相同拓扑的半桥结构，且容量大于被试单元，与被试单元13、负载单元15组成全桥结构，在热阻试验加热阶段对被试IGBT通入设定的加热电流，对于全桥拓扑设备，则不需要陪试单元，可以将左右桥臂直接作为被试单元13和陪试单元14；负载单元15为可调电抗器，试验中通过调整负载电抗器的电感来调整被试IGBT的加热电流。
如图3所示，为电压监测及电流注入单元组成框图，由限压采集电路17、滤波放大电路18、AD转换电路19、数字隔离电路20、MCU控制器21组成，限压采集电路17将采集过来的VEC压降传入滤波放大电路18，经过滤波放调理后将信号传入AD转换电路，将模拟信号转换成数字信号，在通过数字隔离电路20后，将信号送入MCU电路21，最后通过光纤将IGBT集射极饱和电压传送给主控制器3。
如图4所示，为热阻测试试验波形示意图，试验分为加热阶段和测量阶段，在加热阶段主控制器3为被试单元13和陪试单元14发出经过调试后PWM触发信号，使被试IGBT 通入预定的加热电流，当被试单元13达到热稳定时，被试IGBT的结温达到稳定值，此时主控制器3封锁PWM触发命令，停止加热电流，被试IGBT结温开始下降，主控制器每隔20ms向电压监测及电流注入单元2发出电流注入命令，同时接收电压监测及电流注入单元2回传的IGBT集射极饱和压降值，以此获得IGBT结温下降情况，第一次电流注入时刻t1为停止加热后5ms，认为该时刻结温等于加热阶段结温，通过分析第一次电流注入后回传的IGBT集射极饱和电压，在根据IGBT的K曲线，找到该饱和电压下对应的结温，得出被试IGBT加热阶段的稳定结温Tj，再根据加热电流计算出被试IGBT的加热功率P 和IGBT水冷散热器侧面的温度测量值TS，可计算被试IGBT结到散热器测量点的热阻
Figure RE-GDA0003541888770000051
通过有限元仿真方法对试验结果进行二次处理，扣除接触面到散热器侧面的热阻值，可得到器件结到壳的热阻，也可以将测温点设置在散热器中心处，则测量的热阻值直接为器件结壳热阻。
如图5所示为K曲线标定试验示意图，在热阻测试试验之前需要对被试单元13的IGBT 开展K曲线标定试验，试验中通过控制位于入水水管电加热器22的加热量，使冷却水达到预定的温度，在被试单元13的入水水管和出水水管分别设置温度传感器23、24，用以测量冷却水的温度TW，当系统达到稳定时，认为IGBT的结温等于冷却水温度，即Tj＝TW，此时由控制器3向电压监测及电流注入单元2发出电流注入命令，电压监测及电流注入单元2收到命令后向被试单元13的IGBT注入电流，同时对被试IGBT的集射极饱和电压进行检测，并将检测结果会送给主控制器3，由此得到被试IGBT该结温Tj对应的集射极饱和电压，通过调节电加热器22的加热量，使被试器件结温达到不同的值，热稳定后测量被试IGBT集射极饱和电压，最终绘制出被试IGBT的K曲线(结温VS集射极饱和电压曲线)。
K曲线为结温(Tj)VS集射极饱和电压(VCE_Sat)关系曲线，通常为一次曲线。冷却水能够提供的结温加热范围为20℃至80℃，试验中每间隔10℃标定一个集射极饱和电压点，根据测量点做线性拟合，得到线性拟合曲线VCE_Sat＝K·Tj+A，参数K和A分别为拟合曲线的斜率值和截距值，
Figure RE-GDA0003541888770000061
对于温度点在20℃和80℃之外的点，采用线性外插的方法，即将得到的拟合曲线VCE_Sat＝K·Tj+A向外延申，通过该曲线计算出器件工作结温全范围的饱和压降点。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

Claims (9)

1.一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将压接型功率模块直接作为被试对象，与测试装置连接；
步骤2：对被试子模块的IGBT进行K曲线标定试验；
步骤3：对被试子模块的IGBT进行热路热阻测试试验；
步骤4：获得IGBT的整体热路热阻参数。
2.根据权利要求1所述的一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，其特征在于，所述的步骤2的K曲线标定试验在热阻测试试验之前进行，目的为标定被试IGBT结温VS集射极饱和电压的函数关系，具体为：通过加热IGBT水冷散热器内的冷却水使IGBT的结温达到固定温度，向被试IGBT注入设定电流，同时测量被试IGBT的集射极饱和电压，记录不同结温下IGBT的集射极饱和电压，得到被试IGBT结温VS集射极饱和电压的函数关系，即被试IGBT的K曲线。
3.根据权利要求1所述的一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，其特征在于，所述的步骤3的热阻测试试验具体为：在被试IGBT水冷散热器测温点放置热电偶，测量水冷散热器测温点温度作为参考温度，主控制器通过脉宽调制技术控制被试IGBT的加热电流，在被试IGBT达到热平衡后停止加热，以最短时间向被试IGBT注入一次设定电流，同时测量每次注入电流时的集射极饱和电压，利用K曲线标定试验得到的K曲线找到每次注入电流时对应的IGBT结温。
4.根据权利要求3所述的一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，其特征在于，所述的步骤4具体为：根据被试IGBT达到热平衡时的热损耗、被试IGBT的结温、被试IGBT水冷散热器测温点的温度，算出被试IGBT结到水冷散热器测温点的热阻。
5.根据权利要求1所述的一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，其特征在于，所述的测试装置包括测试平台、主控制器、电压监测及电流注入单元、水冷机组和补能单元；
所述测试平台包括被试单元、陪试单元、负载单元，所述被试单元为完整的压接型功率模块；功率模块中的功率器件为IGBT，所述陪试单元为和被试单元相同拓扑的半桥功率模块，被试单元和陪试单元组成全桥结构；所述负载单元为可调电抗器，作为全桥结构的负载，通过调节电感量，结合全桥控制策略，为被试单元的IGBT提供符合试验要求的加热电流。
6.根据权利要求5所述的一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，其特征在于，所述的电压监测及电流注入单元在K曲线标定试验及热阻测试试验中为被试IGBT提供设定的CE负载电流，同时测量被试单元的IGBT的CE饱和电压。
7.根据权利要求5所述的一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，其特征在于，所述的主控制器在K曲线标定试验和热阻测试试验中完成控制保护功能，在K曲线标定试验阶段，主控制器在IGBT结温达到预定温度时，向电压监测及电流注入单元发出电流注入命令，同时接收由电压监测及电流注入单元返回的CE饱和电压检测值；在热阻测试试验阶段，主控制器对被试单元和陪试单元的IGBT发出经过调制的PWM触发命令，使被试单元的IGBT流过预定的加热电流，当被试单元达到热稳定后，封锁IGBT触发脉冲，停止加热后，每隔一段时间向电压监测及电流注入单元发出电流注入命令，同时接收电压监测及电流注入单元回传的集射极饱和电压检测值。
8.根据权利要求5所述的一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，其特征在于，所述的水冷机组有电加热装置，在K曲线标定试验阶段，启动电加热装置加热IGBT水冷散热器内部的冷却水，以此加热IGBT，热稳定后IGBT结温等于冷却水温度，此时向被试单元的IGBT注入设定电流并检测被试单元的IGBT集射极饱和电压，得到该结温下的集射极饱和电压，通过控制电加热器加热量及水冷系统水流量可将冷却水控制在不同的温度，因此可以测得不同结温下的集射极饱和电压；在热阻测试试验的加热阶段，水冷机组能够给被试单元和陪试单元提供散热。
9.根据权利要求5所述的一种压接型功率模块IGBT热阻测试方法，其特征在于，所述的补能单元在热阻测试试验的加热阶段为被试单元和陪试单元的直流电容补充能量，将直流侧稳定在规定的电压值。
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