大功率IGBT模块结温提取研究

为了提高大功率功率变换器的可靠性,需要对大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块进行温度监测,到目前为止,该领域对高压IGBT的研究很少。本文搭建了双脉冲实验平台,对4.5 kV、1.2 kA IGBT模块开关瞬态时的热敏感电参数进行了测量,并对每个参数是否适用在线结温提取以及预期成本进行了讨论。结果表明,大多数参数除温度外还强烈依赖于负载电流和母线电压,最合适的结温提取参数是准阈值电压和开通时集电极电流变化率,它们都可以通过IGBT的寄生电感来获取。     

基于大电流通态压降的IGBT功率模块结温监测方法的研究

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)是限制新能源汽车可靠性和成本的关键因素。结温监测能够提升IGBT功率模块的功率密度,提高系统可靠性,降低成本。基于此,提出一种基于大电流通态压降的IGBT功率模块结温监测方法。首先分析通态压降与结温之间的关系,然后设计通态压降结温校准电路,并基于小电流通态压降对校准结果进行验证。最后,分别使用数学模型和神经网络模型拟合结温和通态压降的关系,对基于模型对结温进行预测。结果证明,大电流通态压降能够准确测量结温。     

基于电热模型的IGBT结温预测与失效分析

针对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)工作过程中结温难以测量的问题,提出一种基于IGBT电热模型的结温预测方法,并对由结温过高引起的失效进行实验分析.根据IGBT结构特点建立通态压降模型,考虑到器件内部参数和半导体物理常数与温度的关系,建立IGBT导通功耗与结温关系的电热模型.通过联立IGBT结-壳传热方程和电热模型进行热平衡分析,从而得到稳态时的结温.实验结果表明,通过仿真得到的结温基本与实际测量得到的结温值相吻合,结温过大会导致电极根部焊料熔化和表面连接键丝断裂.所提方法通过监测壳温可实时预测IGBT结温,具有方便快捷的优点.     

基于热敏感电参数法的大容量IGBT模块动态结温在线检测研究

绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)在风力发电等大功率系统中应用广泛,其可靠性越来越受到学术界和工业界重视,鉴于结温是影响IGBT模块可靠性的重要因素,国内外学者提出了诸多基于热敏感电参数的结温提取方法,然而较少涉及大容量IGBT模块动态结温在线监测和测试的研究。设计和搭建了基于H桥拓扑的兆瓦级应用工况复现平台,可开展大功率变流系统的运行工况型式测试。以关断延迟时间为热敏感电参数,简要论述了其与器件结温和负载电流等运行工况的相关性,并通过实测构建了三维数据库。基于运行工况复现平台,研究了大容量IGBT模块在不同基波频率下的结温波动特征,并通过模块内置的负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻进行结温波动对比,验证了以关断延迟时间进行IGBT模块结温在线提取和检测具有灵敏度高、响应速度快和易于集成的优点。     

基于Vth和Vce的IGBT结温测量方法对比研究

小电流下饱和压降法（Vce法）和阈值电压法（Vth法）是IGBT热阻测试标准中推荐使用的两种结温测量方法,然而并没有说明两种方法测得的结温的关系及等效性。首先理论分析了小电流下饱和电压和阈值电压的电压构成,表明Vce法测得的结温反映的是芯片集电极侧的温度信息,Vth法测得的结温反映的是芯片发射极侧的温度信息,由于芯片内部存在垂直温度梯度,推断Vth法测得的结温将高于Vce法测得的结温;然后根据两种测量方法的测量原理,搭建了IGBT结温测量平台,在不同负载电流下用两种方法测量结温,实验结果验证了理论预测,且两种方法测得的结温的差值随着负载电流增加而增大。最后,提出一种简易热校准模型用于快速计算差值,使得两种方法的结果可以等效变换并进行公平对比。     

MMC-HVDC系统功率器件的结温估算研究

柔性直流输电系统采用模块化多电平结构,包含数量庞大的半桥功率模块,此处提出了一种功率模块器件的损耗与结温估算方法.首先研究了半桥功率模块的功率损耗计算方法,并根据功率模块内含绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、二极管、散热器的布局,建立功率器件级的热阻模型.然后,由于IGBT为密封器件,无法直接测量器件内部温度,通过测量与之压接相连散热器的表面壳温来间接推导器件结温.最后,开展了功率模块的加载实验工作,所述结温估算方法的仿真与实验结果基本一致.     

大功率LED照明灯具的器件结温估算方法

在分析SMD封装型LED产品热学结构的基础上,提出了一种新的大功率LED照明灯具的器件结温估算方法,即通过测量预留在MCPCB上的测温点的温度估算LED结温。并对该方法应用于单颗器件及灯具进行了的实验评估。     

高压大功率压接型IGBT器件的PETT振荡特性及其抑制方法

高压大功率压接型IGBT器件在关断拖尾阶段产生高频等离子体抽取渡越时间(plasma extraction transit time,PETT)振荡,对驱动电路和环境产生严重的电磁干扰,抑制PETT振荡对于研制大功率压接型IGBT器件至关重要。基于IGBT关断拖尾阶段空穴注入空间电荷区引起的空间电荷效应,分析了空间电荷区的大信号特性以及PETT振荡产生的机理。其次,搭建了压接型IGBT器件开关特性测试平台,首次研究了单芯片PETT振荡特性、驱动回路参数对PETT振荡的影响以及PETT振荡的电磁干扰特性。最后,讨论了压接型IGBT器件PETT振荡抑制措施,提出了一种可以降低封装工艺复杂度、降低芯片电气应力的方法,该方法非常适合于高压大功率的压接型IGBT器件。     

高压大功率压接型IGBT器件封装技术研究综述

高压大功率压接型IGBT器件具有功率密度大、寄生电感低、双面散热、失效短路等优点,是用于智能电网、轨道交通等高压大功率电压源换流装备的理想器件。该文对ABB、Fuji、Toshiba、Westcode等公司的压接型IGBT器件封装技术路线进行介绍和分析,并对现有商业化大功率压接型IGBT器件的特性进行对比。综合已有压接型IGBT器件封装技术的特点与试验测量结果,提出将封装关键技术分为3个部分,并简要介绍各个部分的具体关键技术及研究现状。最后,基于压接型IGBT封装技术特点,结合实际工艺要求,提出一种评估压接型IGBT器件性能的判据,为后续压接型IGBT器件的开发与设计提供参考。     

基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法

压接式绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)模块因优越的电气性能和封装设计,受到柔性直流输电等大功率应用场合的青睐,其模块可靠性也成为大功率应用场合研究的重点,而IGBT模块结温是影响器件可靠性的重要因素。基于压接式IGBT模块双脉冲测试平台,介绍一种基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法,分析压接式IGBT芯片结温和模块关断电流最大变化率间单调变化关系,并利用压接式IGBT模块封装结构固有的寄生电感有效获取关断电流最大变化率的信息,以此来反推模块结温特性。最后通过压接式IGBT双脉冲测试平台验证了通过模块关断电流最大变化率进行压接式IGBT结温提取的可行性。     

IGBT结温获取方法及其讨论*

IGBT模块的寿命预测研究与可靠性分析等都与结温有密切的关系,因此研究结温的获取方法是研究IGBT模块可靠性的基础。文中将IGBT模块的结温获取方法分为了两大类,分别为结温模拟法与结温探测法,结温模拟法主要是对IGBT进行建模进而计算其结温,结温探测法是对IGBT模块的结温进行实时测量。文中分别对两大类结温获取方法进行了分析,根据各种方法的特点分别将其归类并进行阐述,并对比分析了各方法的优缺点,给出了适用范围。最后指出了结温探测的发展趋势以及需要解决的关键问题,以促进该领域的进一步发展。     

基于热阻抗模型的三相逆变器功率器件结温监测方法

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)模块结温的精确计算是开展功率器件主动热管理、寿命预测的前提和关键.IGBT模块的导通压降和开关损耗均受温度影响,在计算损耗时应根据温度对结果进行修正.基于空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse wi...     

功率IGBT模块测试设备脉冲高压参数校准技术研究

为了避免器件温升对参数测量造成影响,"脉冲测试法"被广泛应用于功率IGBT模块的静态和动态参数测试中。该类设备内部单脉冲高压源脉冲宽度为50μs时脉冲的高压幅度可达7 k V以上,如何对该单脉冲高压源进行校准是一个技术难题。研制了脉冲高电压分压器,并使用数据采集单元搭建了脉冲高压参数校准装置,解决了功率IGBT模块测试设备的脉冲高压参数校准难题。通过测量不确定分析和实验验证,综合考虑各测量不确定度分量的影响,在包含因子k为2时,脉冲高压参数校准扩展测量不确定度为1.4%。     

Degradation state analysis of the IGBT module based on apparent junction temperature

The multi-chip parallel insulated gate bipolar transistor (IGBT) is the core device in large-capacity power electronic equipment, but its operational reliability is of considerable concern to industry. The application of IGBT online degradation state analysis technology can be benefcial to the improvement of system reliability. The failure mechanism of IGBT devices is discussed in this paper, and a technique for analyzing the degradation state of IGBT based on apparent junction temperature is proposed. First, the distortion consistency of the voltage rise time in various failures is discussed, and the junction temperature dependence of the voltage rise time is then demonstrated. Subsequently, an apparent junction temperature model based on the voltage rise time is established (the ftting accuracy is as high as 94.3%). From the high-frequency model in the switching process of the device, an online extraction technology of key parameters (e.g., voltage rise time) is developed. Finally, an experimental platform for IGBT degradation state estimation is established, and the feasibility of IGBT degradation state estimation based on apparent junction temperature is proved, especially the degradation of bonding-wire and the gate-oxide-layer. The experimental results show that the proposed IGBT degradation state estimation technique based on apparent junction temperature is a reliable online estimation method with non-contact, high accuracy, and comprehensiveness.     

Degradation state analysis of the IGBT module based on apparent junction temperature

The multi-chip parallel insulated gate bipolar transistor (IGBT) is the core device in large-capacity power electronic equipment, but its operational reliability is of considerable concern to industry. The application of IGBT online degradation state analysis technology can be benefcial to the improvement of system reliability. The failure mechanism of IGBT devices is discussed in this paper, and a technique for analyzing the degradation state of IGBT based on apparent junction temperature is proposed. First, the distortion consistency of the voltage rise time in various failures is discussed, and the junction temperature dependence of the voltage rise time is then demonstrated. Subsequently, an apparent junction temperature model based on the voltage rise time is established (the ftting accuracy is as high as 94.3%). From the high-frequency model in the switching process of the device, an online extraction technology of key parameters (e.g., voltage rise time) is developed. Finally, an experimental platform for IGBT degradation state estimation is established, and the feasibility of IGBT degradation state estimation based on apparent junction temperature is proved, especially the degradation of bonding-wire and the gate-oxide-layer. The experimental results show that the proposed IGBT degradation state estimation technique based on apparent junction temperature is a reliable online estimation method with non-contact, high accuracy, and comprehensiveness.     

Active thermal control of power electronic modules

Active thermal control techniques make it feasible to regulate the steady state and transient thermal-mechanical stress in power electronic modules for applications such as motor drives. Online junction temperature estimation and manipulation of the switching frequency and current limit to regulate the losses are used to prevent overtemperature and power cycling failures in insulated gate bipolar transistor (IGBT) power modules. The techniques developed in this work are used to actively control the junction temperature of the power module. This control strategy improves power module reliability and increases utilization of the silicon thermal capacity by providing sustained operation at maximum attainable performance limits.     

一种改进的IGBT模块结温提取算法及实验研究

IGBT模块目前被广泛应用于电力系统、牵引传动和电动汽车等各个领域,其安全可靠运行对电力电子系统具有重要意义。研究表明,器件的结温与其健康状况有密切的关系,如何实时提取IGBT的结温是在线监测亟需解决的重要问题。在研究IGBT关断期间电流变化率di/dt与结温关系的基础上,提出一种改进的结温提取模型和算法,该方法具有模型简单和准确的特点,并给出了详细的理论推导分析和简化计算模型。最后,通过设计的改进双脉冲实验,验证了模型和算法的正确性与实用性。