技术领域
[0001] 本
发明属于
半导体器件的热瞬态过程分析技术领域，特别涉及一种大功率IGBT结壳瞬态热阻抗的测量方法，用于大功率IGBT在实际运行中预测
结温变化趋势，从而进一步进行热稳定评估。
背景技术
[0002] 近年来，大功率电
力电子装置在
电网中的应用越来越广泛(例如MMC，STATCOM等)，同时其
电压等级和功率等级也越来越高。因此对应用于此类电力电子装置的IGBT的电压等级和容量的要求也越来越高。目前此类装置在选取IGBT型号时主要依靠经验值，主要目的是为了避免IGBT过电压或者
过热失效，因此IGBT的容量会留有较大的裕度。
[0003] 采取经验值的方式选取IGBT可以使得IGBT的容量留有较大的裕度，能够保证装置运行过程中IGBT稳定安全运行，但是造成了一定程度的浪费，从经济性和节能方面考虑均是不可取的。
[0004] 因此为了最大程度的减小上述电力电子装置的成本，充分使用IGBT的容量。需要获取IGBT内部完整的瞬态热阻抗数据，并在装置设计时作为选取IGBT型号的参考依据，使IGBT工作在热稳定状态的同时，又能使其的容量得到最大程度的利用。
发明内容
[0005] 为了解决上述技术问题，提出了一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，利用热敏参数法测量出大功率IGBT在冷却过程中结温的降温曲线，同时利用
热电偶法获取IGBT壳温的降温曲线，从而可以获得瞬态热阻抗曲线，然后利用曲线拟合获取IGBT的瞬态热阻抗参数。此方案可以较为直接准确的获取IGBT内部的瞬态热阻抗参数，可以用于大功率IGBT在实际运行中预测结温变化趋势，从而进一步进行热稳定评估。
[0006] 本发明采用下述技术方案：
[0007] 一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤一，利用温敏电参数法，获取温敏参数定标曲线及拟合关系式，温敏参数包括结温Tj和饱和压降Vce；
[0009] 步骤二，对IGBT进行冷却实验，获取IGBT在冷却过程中结温和壳温的降温曲线；
[0010] 步骤三，对获取的结温的降温曲线进行偏移校正，去除初始阶段的电子干扰，并找出准确的初始结温；
[0011] 步骤四，对偏移校正后的结温和壳温的降温曲线进行做差，获取瞬态热阻抗曲线，然后通过瞬态热阻抗模型拟合曲线获取瞬态结壳热阻抗参数。
[0012] 本发明进一步的改进在于，步骤一中的温敏电参数法具体包括：
[0013] 首先将IGBT置于恒温箱中，则稳定后结温等于恒温箱的
温度，并使其通过
电流Ic，电流Ic的大小为100mA-1A；然后测量IGBT的饱和压降Vce，改变恒温箱的温度，在20℃-150℃范围内重复上述步骤，最后对获取的数据以结温Tj为应变量，饱和压降Vce自变量为进行线性拟合，得到拟合关系式。
[0014] 本发明进一步的改进在于，步骤二中的对IGBT进行冷却实验具体包括：
[0015] 首先让IGBT工作在额定工作状态，稳定后切断IGBT的正常工作状态，并通过电流Ic维持导通，IGBT开始自然冷却降温，测量在冷却过程中结温和壳温的降温曲线。
[0016] 本发明进一步的改进在于，结温的降温曲线是通过测量IGBT冷却过程中饱和压降Vce的变化曲线，并依照结温Tj-饱和压降Vce的拟合关系式获得的；而壳温的降温曲线则是利用热电偶直接测温获取的。
[0017] 本发明进一步的改进在于，步骤三中的去除初始阶段的电子干扰是指：测试的初始阶段有电子干扰，需要去掉在切断时间tcut内记录的
信号点。
[0018] 本发明进一步的改进在于，初始结温的确定具体包括：在去掉切断时间tcut内记录的信号点后，这段时间内的结温变化ΔTJ(tcut)与时间的平方根近似成线性关系，并推导出t＝0时的结温TJ0。
[0019] 本发明进一步的改进在于，IGBT结壳瞬态热阻抗曲线与所述结温和壳温曲线之间的关系式为：
[0020]
[0021] 其中，ΔP表示IGBT正常工作与冷却两个状态之间的功率差值；Tjc0表示初始结壳之间的温度差；Tjc(t)表示不同时刻结壳之间的温度差；Zjc(t)，表示相应的不同时刻的结壳瞬态阻抗值。
[0022] 本发明进一步的改进在于，待拟合的瞬态热阻抗模型选取4阶FOSTER模型。
[0023] 本发明具有以下有益的技术效果：
[0024] 本发明所提出的方法可以准确的测量出IGBT瞬态热阻抗参数，可以用于预测IGBT实际运行中的结温变化趋势，从而进一步进行热稳定评估。同时在工业生产中，IGBT瞬态热阻抗参数可作为换流
阀设计的参考依据，使IGBT工作在热稳定状态的同时，又能使其的容量得到最大程度的利用，最大程度的减小电力电子装置的成本。本发明中通过采用温敏电参数法和热电偶法相结合的方式，进行IGBT的冷却实验，通过拟合降温曲线可以获取IGBT内部完整的瞬态热阻抗参数；IGBT结温的测量是通过测量IGBT在小电流导通条件下的饱和压降间接获取的，不需要破坏IGBT的物理结构，也保证了测量的准确性。
[0025] 进一步地，本发明对IGBT结温的测量是通过测量IGBT在小电流导通条件下的饱和压降间接获取的，减小了电流发热对测量结果的影响，准确度高。
[0026] 进一步地，本发明对结温和壳温曲线的测量是测量其冷却过程中的降温曲线，避免了损耗变化对测量结温的影响。
附图说明
[0028] 图2为获取温敏参数(结温Tj-饱和压降Vce)定标曲线的实验
电路图，其中IGBT部分置于恒温箱中；S为单刀单掷
开关；IC为恒流源，其值应大于IGBT维持导通所需的最小电流，参考值范围：100mA-1A，具体值根据IGBT型号选择；
[0029] 图3为本发明的一个
实施例中得到的结温Tj和饱和压降Vce的关系图；
[0030] 图4为获取IGBT冷却过程中结温和壳温的降温曲线的实验电路图，其中IC的值与图1中的恒流源值保持一致；
二极管D1选取快恢复二极管；ILOAD为IGBT在正常工作时流过的负载电流，取值以IGBT的额定稳态工作电流为宜；AD
采样的电压范围0-3.3V，采样
频率为10kHz；
[0031] 图5为
散热器上埋设热电偶的布局示意图；
[0032] 图6为本发明的实施例中得到的结温Tj壳温Tc的降温曲线图；
[0033] 图7为降温曲线的偏移校正示意图；
[0034] 图8为本发明的实施例中，对结温Tj曲线的偏移校正图；
[0035] 图9为IGBT瞬态热阻抗的FOSTER模型，图中所示的为4阶FOSTER模型。
[0036] 图10为本发明的实施例中得到的瞬态热阻抗曲线图。
具体实施方式
[0037] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：
[0038] 本发明的实施方式分为四个步骤，如图1所示，具体实施步骤如下：
[0039] 在一定温度范围内(一般指20℃-150℃)IGBT的某些参数与结温之间存在着近似线性的关系。其中IGBT在小电流导通条件下的饱和压降Vce通常作为温敏参数用于间接地测量结温。本发明利用了这种关系，因此首先需要获取温敏参数(结温Tj-饱和压降Vce)定标曲线，其具体步骤为：
[0040] 1.将待测的大功率IGBT按图2所示电路连接好，并将IGBT部分置于恒温箱中，然后设置恒温箱的温度为20℃。
[0041] 2.待IGBT内部温度稳定后，闭合开关S，待电压表示数稳定后记录电压表的值，即Vce1；
[0042] 3.接着分别设置恒温箱的温度为30℃:10:150℃，然后重复第二步操作，记录每个温度对应的饱和压降Vce；
[0043] 4.最后将获得的数据进行一阶线性拟合，得到Tj-Vce的一阶拟合关系式。
[0044] 在本发明的一个实施例中，得到的结温Tj和饱和压降Vce的关系如图3所示，其一阶拟合关系式为：
[0045] Tj＝620.217-797.101Vce
[0046] 然后通过实验获取IGBT冷却过程中结温和壳温的降温曲线。其中通过测量在冷却过程中小电流导通条件下的饱和压降变化曲线，并依据上一步获得的Tj-Vce一阶拟合关系式，间接得到结温的降温曲线；壳温的降温曲线则直接利用热电偶测出，具体步骤如下:
[0047] 1.在
散热器上正对IGBT芯片的区域均匀埋设7个热电偶，如图5所示，并保证与IGBT
底板良好
接触，IGBT的底板与散热器之间加一层均匀的导热
硅脂，硅脂的厚度以40μm左右为宜；散热器下方加
水冷装置，保持散热器温度衡定,以20℃左右为宜，记录散热器的温度，作为基准温度Ta；在待测器件上方施加一个压力(10N/cm2以内)，保证待测器件与散热器的良好接触；完成上述步骤后，按图4所示实验电路连接好待测主电路，由于在开通或切断大电流负载时存在一定开合时间，图4的测试电路结构可以保证在开通或切断大电流后，小电流能立即通过IGBT维持其导通并使AD采样能立刻测到IGBT的饱和压降Vce。
[0048] 2.启动变换器使其正常工作(即闭合S1)，测量IGBT饱和压降Vce1，待AD采样电压示数稳定时，可认为IGBT结温已稳定。
[0049] 3.启动AD采样，1s后切断变换器的正常工作状态(即断开S1)，IGBT将转换为小电流导通状态，这时AD电压采样将会记录下饱和压降Vce的值；从断开S1开始，每隔时间t(t＝0.01s，根据实际的IGBT需要
修改时间间隔)选取一个采样点的Vce值，直至Vce值不变；其中t＝0-0.01s期间需要至少均匀选取50个采样点的Vce值。
[0050] 4.根据AD采样获取的Vce值和已经求得的结温定标曲线拟合关系式，绘出Tj-t曲线。
[0051] 5.根据热电偶采集到的数据，将其中温度最高的一组作为壳温的降温曲线，绘出Tc-t曲线。
[0052] 在本发明的实施例中，得到的结温Tj和壳温Tc的降温曲线如图6所示。
[0053] 由于在测试的初始阶段有电子干扰，需要去掉在一定的切断时间tcut内记录的信号点，即对IGBT冷却过程中的降温曲线进行偏移校正。但是这个时间段内的温度变化ΔTJ(tcut)不可忽略。在这段时间内，ΔTJ(tcut)与时间的平方根近似成线性关系，这样就可推导出t＝0时的结温TJ0，具体步骤如下：
[0054] 如图4所示，0-t1时间内存在电子干扰，需要舍去这段时间内的数据；可认为0-2t1时间内ΔTJ(tcut)与时间的平方根近似成线性关系，则对时间轴开方后。从 处开始反向延长曲线，直至0s，则可得到0s的初始结温TJ0。
[0055] 在本发明的实施例中，得到的结温Tj曲线在初始阶段同样存在着电子干扰，如图8所示，通过偏移校正后，找出的初始结温约为57.9℃。
[0056] 最后对偏移校正后的结温和壳温的降温曲线进行做差，进一步通过关系式获取瞬态热阻抗曲线，然后拟合曲线获取瞬态结壳热阻抗参数，具体步骤如下：
[0057] 将结温曲线Tj(t)和壳温曲线Tc(t)做差，得到结壳降温曲线Tjc(t),根据IGBT结壳瞬态热阻抗曲线与所述结温和壳温曲线之间的关系式为：
[0058]
[0059] 其中ΔP＝ILOAD×Vce1
[0060] 从而得到IGBT结壳瞬态热阻抗曲线Zjc(t)，可以用FOSTER模型描述。对于FOSTER模型，其瞬态热阻抗表达式为： 一般4阶以上的FOSTER模型可以较为准确的描述瞬态热传导模型，本发明中采用4阶FOSTER模型，如图5所示。以4阶FOSTER模型作为待拟合关系式，对得到IGBT结壳瞬态热阻抗曲线Zjc(t)进行拟合，则可以得到精确的IGBT结壳间的瞬态热网络RC参数。
[0061] 在本发明的实施例中，得到的瞬态热阻抗曲线如图10所示，对其用四阶FOSTER模型进行拟合，最后得到的拟合关系式为：
[0062]则对应
的瞬态热阻抗参数为：
[0063]R1 0.00123 C1 473.984
R2 0.00145 C2 40.689
R3 0.000266 C3 22.556
R4 0.000257 C4 3.891
