通过结温变化监测IGBT的健康状况

摘 要 IGBT功率模块作为现今电力电子变换装置的核心器件，已广泛应用于工业和新能源行业等各个领域，其工况长期运行的安全可靠性直接关系到整个系统的稳定健康与否，而模块结温参数是影响器件失效的关键因素，如何进行模块结温的准确测量也成为了IGBT在线监测与状态评估的重要关注点。在此简要介绍了几种具有代表性的模块结温测量方法，对于结温的提取和估算这些方法各有其优缺点，也有适用方面的限制，选取时需要根据具体情况有所侧重。

【关键词】IGBT 结温提取 在线监测 状态评估

随着新能源行业的高速发展，风力发电、光伏发电、电动汽车、高铁牵引、航空航天等在日常生活中发挥的作用越来越大，这里面的电力电子变换装置在新能源各个行业扮演着重要的角色。而随着半导体器件的发展，绝缘栅双极型晶体管（Insulate Gate Bipolar Transistor）不仅具有大功率晶体管（GTR）高电流、低饱和电压以及高耐压的优点，更是具备场效应晶体管（MOSFET）输入阻抗高、开关频率高和驱动功率低的优点，因此，IGBT已经作为电力电子变换装置的核心器件广泛应用于现代电力电子的各个领域。

而在日益增长的大容量电力电子变换需求下，现有的功率器件往往由于各方面的原因难以完美匹配，为了保证系统的正常运转，常常会出现大幅度的降额使用或者多组并联的方式以增大裕量、扩大冗余来进一步提高系统在运行中的安全可靠性。但是这种设计方法势必会造成资源的浪费和成本的增加，并不能从根本上解决系统整体长期稳定运行的可靠性。因此，针对功率半导体器件本身进行的在线监测和状态评估就显得尤为重要，这样通过实际工况运行的模块进行数据的采集和进一步分析处理得出结论，从而在模块损坏失效之前就提前更换，可以避免由于模块本身失效造成的一系列安全事故和经济损失，提高系统的整体可靠性。

由于IGBT模块的应用范围非常广泛，工况条件非常复杂，而无论是什么原因导致的模块过压失效、过流失效、过温失效，共同的一点就是IGBT结温的升高，因此，通过结温变化来监测IGBT的健康状况是目前对功率模块在线状态监测的重点。

1 IGBT模块失效分析

对IGBT功率模块进行在线监测与状态评估，首先需要清楚导致IGBT模块失效的主要因素和失效机理。模块的过压失效、过流失效、过温失效是针对IGBT工况运行时开关过程中过高的电压尖峰、电流尖峰等的浪涌情况以及短路故障等，这些超出功率模块允许条件的情况往往会引起IGBT的结温Tj超过其最大温度限定值，从而导致IGBT的永久性损坏。

在线监测和状态评估的重点是功率模块工况稳定运行一段时间之后的健康状况，由于IGBT模块内部结构复杂，开关频率高，键合线和芯片的有效接触面积有限，造成工作时模块内部温度的分布不均，对材料和焊接点往往造成冲击。这是因为IGBT模块的多层结构以及各层之间不同材料的热膨胀系数不同，因此在长期运行情况下由于反复的热循环冲击，往往造成模块键合线的脱落和焊接层的疲劳，导致IGBT模块电气性能和热性能的改变，这也是IGBT模块最常见的失效模式。此外，由于每一款IGBT都有其单一的驱动板，器件本身和驱动保护电路不可避免的存在内部的寄生电感、寄生电容等，这样在运行一段时间后各个因素的综合作用下，最初的驱动板和工况运行一段时间后的IGBT模块之间匹配性会下降，也会进一步引发模块的老化失效。

2 IGBT结温测量现状

结温Tj是功率模块安全可靠运行状态的重要参数，在众多引起IGBT模块失效的因素中，比较直接和可靠的就是对于模块结温的准确测量和进一步监测评估。但是由于IGBT模块的结构特点，芯片下面有DBC基板，上面有封装的硅脂，往往很难对芯片处的结温进行直接准确的在线测量，目前常用的有以下三种结温测量方法。

2.1 光学法

用光学法对IGBT模块进行结温测量时借助的是器件温度的红外辐射，往往需要进行一些前期的处理，如打开待测模块的外部封装，除去芯片表面的硅脂，将芯片表面涂黑以增加热辐射系数，进而使得温度的测量提取更加准确。

光学法测量使用的设备包括红外辐射传感器、光纤、红外显微镜、红外热像仪等，对结温进行直接的测量，由于这些设备大都比较昂贵，采样率与动态结温的检测要求也有一定的差距，而且打开模块的封装往往会破坏模块的完整性，多用于半成品器件的检测，无法进行器件结温的在线监测。

2.2 使用热模型估计结温

对于IGBT模块结温的测量，比较常用的方法是采用热模型来反映其热性能，其中用等效电阻—电容网络组成的热模型由于其相对简单的普适性和计算方便成为最常用的热模型评估方法。

具有代表性的是连续网络热路模型（Continued fraction circuit），又称Cauer模型、T模型或者梯形网络，可以反映带有内部热阻的半导体器件热容量的真实物理传导过程。建立这个热网络模型，需要掌握器件每层的材料特性，将模块每一层用相应独立的RC单元表示出来，从热网络模型的各节点获取每层材料的内部温度，如图1所示。

每一组RC代表模块不同层结构的传导路径，热模型的RC值与材料特性及几何结构有关，需要考虑其厚度、有效截面面积、导热系数、比热容等参数。输入电流源在等效RC网络模型中表示耗散在半导体芯片中的瞬时功率值，热网络模型法对于模块内部层间结构以及材料特性的掌握要求比较高。

2.3 通過热敏电学参数测量结温

目前，使用热敏电气参数测量是实现对结温快速准确测量的有效方法，与结温相关的热敏电学参数有饱和压降VCE（sat）、栅极阈值电压VGE（th）、栅极开通延时tdon、集射极电压变化率dVCE/dt等，而在这众多参数中VCE（sat）是一个IGBT结温测量的常用热敏电学参数，也是比较经典的结温预测方法，同时对于功率模块热网络模型的提取也有很大参考性。endprint

采用VCE（sat）参数测量模块结温时，用直流源对IGBT模块提供小型连续的集电极电流，使其足以达到集电极电压的饱和值。IGBT的VCE（sat）测量的是不同的环境温度，将IGBT放置在一个恒温测试箱里面，采集回来的数据通过曲线拟合可以得到VCE（sat）和结温Tj之間的关系，该曲线也可以用来验证通过热网络模型估算得出的Tj值的准确性。这种方法的缺点和难点在于功率器件工业应用中的在线监测，饱和压降法往往需要辅助电路提供恒定的测量激励源，应用条件有很大的局限性。虽然饱和压降法测量结温的要求比较高，但是其优点也是显而易见的，在不断改进和优化下，利用热敏电学参数测量模块结温的方法也越来越成熟。

3 结语

无论是在工业还是新能源领域，其电力变换装置的核心器件都有着IGBT功率模块不可或缺的重要地位，而温度诱发的模块失效则是IGBT在长期工况稳定运行下需要重点关注的影响因素。本文对目前对于模块结温测量的光学法、热网络模型法、热敏电气参数法这三种具有代表性的方法作了简要的阐述和比较，这几种方法各有其优缺点，在选用时需要根据具体的情况而定，侧重快速方便还是精确无误，除此之外，还有很多在此基础上改进或者相关的测量结温的有效方法。热敏电气参数法的响应快、精度高，虽然现在还没有实现模块结温的在线测量，但是目前发展比较快，也取得了较多的研究成果，未来的发展也必定可以实现功率模块的在线监测。

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作者简介

杨彦朋，西安工程大学硕士研究生，研究方向为中大功率IGBT模块在线状态监测。

作者单位

西安工程大学电子信息学院 陕西省西安市 710048endprint