CN115343589B - 一种igbt结温波动快速测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT结温波动快速测量方法，属于IGBT结温波动测量技术领域，包括以下步骤：(1)离线状态下测量IGBT模块的热阻和热容；(2)在线状态下测量IGBT的导通压降、工作电流；(3)根据结温波动计算公式计算IGBT温度循环过程中的IGBT结温波动。本发明能在不破坏IGBT封装的情况下快速有效的进行结温波动检测，作为IGBT可靠性分析的数据支撑。
Description
技术领域
本发明属于IGBT结温波动测量技术领域，更具体地，涉及一种IGBT结温波动快速测量方法。
背景技术
随着我国经济不断发展，在输配电领域，直流输电技术在可再生能源并网、分布式发电并网、孤岛供电、城市电网供电、异步交流电网互联等方面得到了较多应用。IGBT作为运用广泛的关键功率开关器件，其可靠性研究是系统安全运行的保障。温度是导致IGBT模块失效的重要原因之一。温度监测技术对健康管理、寿命预测等后续研究内容至关重要。
IGBT温度监测技术目前主要针对的对象为平均结温。结温波动对IGBT可靠性的影响在平均结温之上，但是目前缺乏有效的结温波动监测手段。虽然热传感器法与红外测温法可以监测结温波动，但均需要破坏IGBT的封装，无法实现IGBT的在线结温波动监测。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种不破坏封装的简单IGBT结温波动快速测量方法。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种IGBT结温波动快速测量方法，包括：
(1)离线状态下测量与待测IGBT模块同型号的目标IGBT模块的热阻和热容；
(2)在线状态下测量待测IGBT模块的导通压降和工作电流；
(3)基于热阻和热容得到待测IGBT模块的时间系数，根据时间系数结合导通压降和工作电流，计算待测IGBT模块温度循环过程中的IGBT结温波动。
在一些可选的实施方案中，步骤(1)包括：
(1-1)在目标IGBT模块中远离芯片的边缘位置开小孔；
(1-2)使用温度传感器通过小孔直接连接目标IGBT模块的芯片；
(1-3)使目标IGBT模块持续导通，测量此时目标IGBT模块的电压U与电流I，根据P＝UI计算目标IGBT模块的功率损耗；
(1-4)测量目标IGBT模块的芯片温度变化，记录温度随时间变化的曲线；
(1-5)对曲线进行拟合，得到目标IGBT模块的热阻Rth和热容Cth。
在一些可选的实施方案中，由对曲线进行拟合，得到目标IGBT模块的热阻Rth和热容Cth，其中，Tj是目标IGBT模块的芯片温度，Ta是环境温度。
在一些可选的实施方案中，步骤(2)包括：
(2-1)针对待测IGBT模块，按照给定的开通时间ton和关断时间toff正常工作；
(2-2)在待测IGBT模块处于导通状态时，测量待测IGBT模块的导通压降Uces；
(2-3)由电源电压Uin减去待测IGBT模块的导通压降Uces，得到负载此时的电压Uload；
(2-4)结合负载自身阻值R，计算导通状态下待测IGBT模块的工作电流Ic＝Uload/R。
在一些可选的实施方案中，步骤(3)包括：
(3-1)持续监测待测IGBT模块的导通压降Uces与工作电流Ic，直至Uces与Ic不再发生变化，记录此时Uces与Ic的值；
(3-2)根据开通时间ton和关断时间toff以及热阻Rth和热容Cth，得到时间系数ton*和toff*；
(3-3)根据不再变化的导通压降Uces与工作电流Ic，以及时间系数ton*和toff*得到待测IGBT模块的结温波动ΔTj。
在一些可选的实施方案中，由得到时间系数ton*和toff*。
在一些可选的实施方案中，由得到待测IGBT模块的结温波动ΔTj。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
通过Cauer分析IGBT在升温与降温过程中的温度变化趋势。使用数值分析的方法计算最高结温与最低结温，并相减得到简单的结温波动计算公式。与现有技术相比，本发明具有原理简单、实现难度小、不破坏封装、响应快等优点。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种IGBT模块的一阶Cauer模型；
图2是本发明实施例提供的一种IGBT结温波动快速测量方法的流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实施例提供了一种IGBT结温波动快速测量方法，包括以下步骤：
(1)离线状态下测量与待测IGBT模块同型号的目标IGBT模块的热阻和热容；
(2)在线状态下测量待测IGBT的导通压降和工作电流；
(3)基于热阻和热容，根据结温波动计算公式计算待测IGBT模块温度循环过程中的IGBT结温波动。
在一些可选的实施方案中，在步骤(1)中，离线状态下测量与待测IGBT模块同型号的目标IGBT模块的热阻和热容的具体方法如下：
(1-1)在目标IGBT模块中远离芯片的边缘位置开小孔，目的是尽量不破坏模块的散热路径，使模块热阻与热容不受影响；
(1-2)使用小型温度传感器(热电偶等)通过小孔直接连接目标IGBT模块的芯片；
(1-3)使目标IGBT模块持续导通，测量此时目标IGBT模块的电压U与电流I，根据P＝UI计算目标IGBT模块的功率损耗；
(1-4)测量目标IGBT模块的芯片温度变化，记录温度随时间变化的曲线；
(1-5)使用以下公式(1)对曲线进行拟合，得到目标IGBT模块的热阻Rth和热容Cth，其中，Tj是目标IGBT模块的芯片温度，Ta是环境温度。
其中，公式(1)来源如下：
使用RC热阻网络法对IGBT温度进行分析。用图1所示的一阶Cauer模型表征IGBT模块，对IGBT模块的芯片结温变化进行分析。将Ta作为初始温度，芯片结温随时间变化的趋势可用以上公式(1)表示。
在一些可选的实施方案中，步骤(2)中，在线状态下测量待测IGBT模块的导通压降和工作电流的具体方法如下：
(2-1)针对完好的待测IGBT模块(与步骤(1)中同型号)，按照给定的开通时间ton和关断时间toff正常工作；
(2-2)在待测IGBT模块处于导通状态时，通过电压表测量待测IGBT模块的导通压降Uces；
(2-3)由电源电压Uin减去待测IGBT模块的导通压降Uces，得到负载此时的电压Uload；
(2-4)结合负载自身阻值R，计算导通状态下待测IGBT模块的工作电流Ic＝Uload/R。
在一些可选的实施方案中，步骤(3)中，计算待测IGBT模块温度循环过程中的IGBT结温波动的具体方法如下：
(3-1)持续监测待测IGBT模块的导通压降Uces与工作电流Ic，直至Uces与Ic不再发生变化，记录此时Uces与Ic的值；
(3-2)根据以下公式(2)计算时间系数ton*和toff*；
(3-3)根据以下公式(3)计算IGBT的结温波动ΔTj。
其中，公式(2)和公式(3)推导过程如下：
当IGBT进入稳定工作状态时，不考虑老化对芯片结温的影响，每个周期中芯片的最大结温与最小结温应保持不变。在IGBT导通状态下，IGBT芯片温度从最小结温逐渐上升到最大结温；在IGBT关断状态下，IGBT芯片温度又从最大结温回落到最小结温。
在IGBT导通瞬间，芯片温度为最小结温Tjmin。之后，由于存在导通压降Uces，IGBT芯片持续产生热量，使自身处于持续升温的状态。此时的功率损耗为：Ploss＝Uces·Ic。这一过程可视为以Tjmin为初始的状态的零输入响应，叠加上以Ploss为输出的零状态响应。因此，Tj随时间变化的公式为：
假设IGBT开通时间为ton，则芯片的最大结温为：
当IGBT完全关断时，虽然仍然有漏电流的存在，但由于数值较小，可以忽略不计。因此，IGBT关断时可视为自身不发热，并通过热传导的方式向环境中散热。结合Cauer电热耦合模型，此阶段为一个零输入响应，芯片温度变化如下所示：
因此，如果IGBT关断时间为toff，可以计算降温过程中芯片的最低温度为：
由于每个循环中Tjmax和Tjmin是不变的，因此联立以上公式，分别计算最大结温与最小结温的数值。计算结果如下所示：
其中
可以发现，直接计算循环过程中的Tjmax和Tjmin是一件计算量巨大的工作。考虑直接计算结温波动ΔTj，如下所示。
上式为步骤(3-3)中公式来源。其中，将最后一个分数展开，即为步骤(3-2)中公式来源。
如图2所示是本发明实施例提供的一种具体流程如下：
步骤01：取与待测IGBT同型号的目标IGBT模块，在目标IGBT模块边缘部分开孔，接入热电偶，与芯片接触；
步骤02：给与目标IGBT模块恒定的导通电压U与工作电流I，测量芯片温度变化；
步骤03：基于温度变化，使用拟合方法得到目标IGBT模块的热阻Rth与热容Cth；
步骤04：针对待测IGBT模块，以开通时间ton，关断时间toff工作；
步骤05：测量待测IGBT模块导通状态下的导通压降Uces和负载电压Uload；
步骤06：根据负载电压Uload计算负载的工作电流Ic，该电流也是待测IGBT模块的工作电流；
步骤07：根据ton、toff、Rth和Cth，计算时间系数ton*和toff*；
步骤08：结合Uces和Ic，计算芯片结温波动ΔTj；
步骤09：结束。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种IGBT结温波动快速测量方法，其特征在于，包括：
(1)离线状态下测量与待测IGBT模块同型号的目标IGBT模块的热阻和热容；
(2)在线状态下测量待测IGBT模块的导通压降和工作电流；
(3)基于热阻和热容得到待测IGBT模块的时间系数，根据时间系数结合导通压降和工作电流，计算待测IGBT模块温度循环过程中的IGBT结温波动；
步骤(3)包括：
(3-1)持续监测待测IGBT模块的导通压降Uces与工作电流Ic，直至Uces与Ic不再发生变化，记录此时Uces与Ic的值；
(3-2)根据开通时间ton和关断时间toff以及热阻Rth和热容Cth，得到时间系数ton*和toff*；
(3-3)根据不再变化的导通压降Uces与工作电流Ic，以及时间系数ton*和toff*得到待测IGBT模块的结温波动ΔTj；
由得到时间系数ton*和toff*；
由得到待测IGBT模块的结温波动ΔTj。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)包括：
(1-1)在目标IGBT模块中远离芯片的边缘位置开小孔；
(1-2)使用温度传感器通过小孔直接连接目标IGBT模块的芯片；
(1-3)使目标IGBT模块持续导通，测量此时目标IGBT模块的电压U与电流I，根据P＝UI计算目标IGBT模块的功率损耗；
(1-4)测量目标IGBT模块的芯片温度变化，记录温度随时间变化的曲线；
(1-5)对曲线进行拟合，得到目标IGBT模块的热阻Rth和热容Cth。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，由对曲线进行拟合，得到目标IGBT模块的热阻Rth和热容Cth，其中，Tj是目标IGBT模块的芯片温度，Ta是环境温度。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤(2)包括：
(2-1)针对待测IGBT模块，按照给定的开通时间ton和关断时间toff正常工作；
(2-2)在待测IGBT模块处于导通状态时，测量待测IGBT模块的导通压降Uces；
(2-3)由电源电压Uin减去待测IGBT模块的导通压降Uces，得到负载此时的电压Uload；
(2-4)结合负载自身阻值R，计算导通状态下待测IGBT模块的工作电流Ic＝Uload/R。
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