风电变流器IGBT模块通断延迟时间结温探测模型研究

姚 芳，马 静，张彧硕，唐圣学，黄 凯，李志刚



风电变流器IGBT模块通断延迟时间结温探测模型研究

姚 芳1，马 静1，张彧硕2，唐圣学1，黄 凯1，李志刚1

(1. 省部共建电工装备可靠性与智能化国家重点实验室(河北工业大学)，天津 300130；2. 河北工业大学实验实训中心，天津 300130)

针对风电变流器中绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)开关，研究基于通断延迟时间风电变流器IGBT模块结温探测方法．首先，从半导体物理机理视角分析了通断延迟时间的温敏机理和温敏特性，明确了本征载流子浓度、电流增益和载流子迁移率等影响通断延迟时间的物理因素．然后，设计IGBT模块的动态测试试验，测试不同母线电压或不同集电极电流条件下，通断延迟时间与结温的关系，并对试验结果进行分析．动态测试试验采用双脉冲法二极管钳位电路，提高通断过程栅极电压和集电极电流的动态特性测试精度，采用恒温控制底板加热设备，控制IGBT芯片温度．再后，对IGBT模块开关过程中不同结温下集电极电流和栅极电压波形进行分析，考虑电压电流影响的条件下，建立了基于开通及关断延迟时间的结温探测模型，并对比研究了模型精度．结果表明，基于关断延迟时间的结温探测精度较高、稳定性更强，且母线电压越高或者集电极电流越低，则关断延迟时间越大．最后，建立了基于关断延迟时间的IGBT结温探测模型，该模型考虑电压和电流影响，拟合精度高，平均相对误差小，可用于热平衡态风电变流器的IGBT模块的工作结温探测．

风电变流器；IGBT模块；结温；通断延迟时间

近年来随着可再生能源的大幅度推广和发展，风能成为技术相对成熟、有大规模开发条件且具有发展前景的可再生能源[1-2]，而风电机组及其主要功率器件的可靠性问题得到广泛的关注和研究[3-4]．

风电变流器是风电机组与电网连接的关键控制通道，其核心IGBT功率开关模块的可靠性对变流器、风电机组甚至整个风电系统的安全运行至关重 要[5]．而结温是反映和影响功率半导体器件运行安全性及健康状态的关键因素．风速不稳定性、间歇性和准周期性使风电IGBT模块承载复杂的功率应力冲击，进而导致结温往复波动使得模块各层结构承受热应力循环[6]．由于模块各层导热系数不同，导致不同层材料往复膨胀收缩并不断退化，最终使得IGBT模块失效甚至对风电变流系统产生破坏性影响[7]．因此，研究风电工况IGBT模块结温探测方法对器件本身以及风电变流器的健康状态和可靠性有重要影响.

目前国内外关于结温探测方法的研究已经有一定的成果，温敏参数法因其无需拆封器件、可在线测量且精度较高得到广泛的研究和应用[8-10]．常用的温敏参数有阈值电压th、短路电流SC、集射极饱和压降CEsat等[11]．文献[12-13]研究了一种以集射极饱和压降为温敏参数建立实时结温探测模型方法，详细介绍了测试电路拓扑结构和探测方法．文献[14]探讨了一种基于IGBT模块开通过程中米勒平台电压高度的结温探测方法，并通过试验验证其可行性．文献[15]建立了一种基于电压对电流变化率的结温在线监测模型，发现电压对电流变化率与结温存在正相关关系．现阶段以开通或关断延迟时间进行结温探测的研究仍较少[16-17]．相关文献并未对开通或关断延迟时间两种参数进行充足的试验分析和对比研究，对于参数测试的影响因素分析不够全面．

本文针对现阶段仍存在的问题，从半导体物理机理角度分析了通断延迟时间的温敏特性，发掘参数与结温之间的本质关系．设计了通断延迟时间动态测试试验．在考虑电压与电流因素的影响下，对比分析了开通或关断延迟时间的结温探测精度．研究了考虑电压电流影响的关断延迟时间结温探测模型建模方法．

1  通断延迟时间理论研究

根据国标GB/T29332—2012，定义开通延迟时间don为栅极电压上升至其幅值的10%的时刻开始至集电极电流上升至其幅值的10%的时间，上升时间r为集电极电流值从其幅值的10%上升到90%的时间．定义关断延迟时间doff为从栅极电压值下降至其幅值的90%的时刻开始至集电极电流值下降至其幅值的90%的时间，下降时间f为集电极电流值从其幅值的90%下降到10%的时间．通断时间相关定义如图1所示．

图1  通断时间定义

开通时间on为开通延迟时间don与上升时间r的和，关断时间off为关断延迟时间doff与下降时间f之和，即

1.1 通断时间温敏机理

根据半导体物理机理，开通时间on和关断时间off可以表示[18]为

式中：G为用户定义的栅极电阻；GD为栅漏电容；S为电源电压；F为MOSFET的正向电压降；GEon为稳态栅射极电压；j为芯片结温；miller(j)为米勒平台；ISS为关断延迟时刻的输入电容；L为流过负载的稳态电流；msat(j)为夹断时的跨导；th(j)为阈值电压．其中miller(j)、msat(j)及th(j)均为随温度变化的温敏参数，可分别表示为

(6)

式中：为玻耳兹曼常量；i(j)为随温度变化的本征载流子浓度．

1.2 通断延迟时间温敏机理

根据半导体物理机理，开通延迟时间don可以表示[19]为

式中：GS为栅源电容；GS＋GD为开通延迟时刻的输入电容ISS；g＋为用户定义的栅极正压．

根据半导体物理机理，关断延迟时间doff可以表示[20]为

式中：fs为栅源跨导；GH为栅控电压；dsmax为沟道电流最大值．

1.3 通断过程时间参数温敏特性关系

根据式(3)～(10)可知，温度通过对本征载流子浓度i、电流增益pnp以及载流子迁移率等参量产生物化机理作用，进而影响阈值电压th和跨导msat，最终在外特性上表现为对通断过程的时间参数产生影响．总结通断时间on和off与通断延迟时间don和doff的温敏特性关系如图2所示，其中变量均随温度变化．

图2  通断过程时间参数温敏特性关系

2 通断延迟时间试验研究

2.1 试验设计

2.1.1 试验电路和试验工序设计

为研究开通延迟时间don及关断延迟时间doff与结温j、母线电压C和集电极电流c的关系，需要设计结温、母线电压和集电极电流可控的试验主电路，开通过程和关断过程的瞬态集电极电流c和栅极电压ge高速触发测录电路，试验工序及其控制器，以及主电路、控制电路和测录电路间的接口电路．

试验采用带恒温控制的底板加热设备，控制温度恒定在设定值并加热较长时间，以确保IGBT模块3D温度场各向零梯度、芯片结温等于设定值．

图3  试验电路

测录设定结温、母线电压和集电极电流时通断过程瞬态集电极电流c和栅极电压ge的试验过程，由试验工序控制器按图4所示工作时序进行协调控制，试验工序程序如下：

(1) 设定结温、母线电压和集电极电流；

(2) 调节主电路电源电压至设定的母线电压，开启底板加热设备，加热至IGBT底板保持设定的结温；

(3) 驱动IGBT和电源光耦开关SW2导通，电感充电；

(5) 试验电流比较电路输出低电平时，驱动电源光耦开关W2导通，电感充电；

图4  试验控制时序图

2.1.2 试验方案设计

分别给定50A集电极电流c和200V母线电压C，设计结温与母线电压可控、结温与集电极电流可控的两种试验方案，如表1和表2所示．

表1  试验方案1，集电极电流c＝50A

Tab.1  Test scheme 1，collector current Ic＝50A

表2 试验方案2，母线电压C＝200V

Tab.2 Test scheme 2，bus voltage VC＝200V

2.2 试验结果分析

表1和表2所设计的24组试验方案下，测试得到开通及关断过程的上下桥IGBT瞬态的集电极电流和栅极电压．C＝200V、c＝50A试验方案下瞬态开通和关断过程集电极电流c和栅极电压ge如图5和图6所示．

图5  不同结温下ic测试波形

图6  不同结温下vge测试波形

由图5和图6可见：开通过程栅极电压ge上升至13V并保持一段时间，集电极电流c平缓上升至50A并趋于稳定；关断过程栅极电压ge由15V快速下降至3V、产生米勒平台、波动后趋于0V，集电极电流c逐渐下降至0A并趋于稳定；关断过程ge米勒平台高度随结温上升而增高，开通和关断过程c随结温增大有规律性地移动．

3 考虑电压电流影响的结温探测模型

3.1 基于开通延迟时间的结温探测

根据开通延迟时间定义，从试验方案1(集电极电流50A，母线电压100V、200V和300V)和试验方案2(母线电压200V，集电极电流20A、35A和50A)的上下桥IGBT开通及关断过程的瞬态集电极电流c和栅极电压ge的测试数据提取开通延迟时间．上下桥IGBT开通延迟时间don与结温j的关系分别如图7和图8所示．图中虚线为实测曲线，实线为拟合曲线．

从图7和图8拟合曲线走向可知，相同电流不同电压时，电压越大则开通延迟时间don越小；相同电压不同电流时，电流越大则开通延迟时间don越大．

另外，开通延迟时间don随结温j的增大而减小，为负相关关系．根据其拟合结果可知，所有曲线拟合精度最高为0.83，最低为0.09，12组数据平均拟合精度为0.61，说明拟合精度较低，don线性度较差．因此，开通延迟时间don不适合作为计算结温的温敏参数．

图8  下桥IGBT开通延迟时间tdon与结温tj的关系

3.2 基于关断延迟时间的结温探测

根据关断延迟时间定义，从试验方案1和试验方案2的上下桥IGBT开通及关断过程的瞬态集电极电流c和栅极电压ge的测试数据提取关断延迟时间．上下桥臂IGBT关断延迟时间doff与结温j的关系分别如图9和图10所示．

从图9和图10拟合曲线走向可知，相同电流不同电压时，电压越大则关断延迟时间doff越大；相同电压不同电流时，电流越大则关断延迟时间doff越小.

另外，关断延迟时间doff随结温j的增大而增大，为正相关关系．根据其拟合结果可知，所有曲线拟合精度最高为0.999，最低为0.990，12组数据平均拟合精度为0.995，说明拟合精度较高，doff线性度较好．因此，关断延迟时间doff适合作为计算结温的温敏参数．

对比图7和图8、图9和图10可知，测试不同桥臂时，don或doff的测试结果将整体等量偏移．这是由于测试不同桥臂时接线长短不同，而导致线路中的杂散电感电容不同，引起don或doff的整体移动．因此，只要保证在对比试验中每次测试的线路模块位置及接线长短不变，即保证对比试验中杂散电感电容值一致，对每次时间参数的测量产生同样的影响，即可保证don或doff与结温关系的测试结果不受测试线路中杂散参数的影响．

图9  上桥IGBT关断延迟时间tdoff与结温tj的关系

图10  下桥IGBT关断延迟时间tdoff与结温tj的关系

3.3 关断延迟时间结温探测模型的构建

3.3.1 考虑电压影响的结温探测模型的构建

以上分析表明，不同电压时关断延迟时间doff精度较高，适合作为探测结温数值的温敏参数．不同电压下关断延迟时间doff与结温j的关系模型可表 示为

式中1、2、1、2为不同电压下关断延迟时间温度相关系数．

对图9和图10中不同电压下关断时间doff与结温j依据式(11)进行拟合，为了验证模型的精确度，选取30～70℃对应数据进行拟合计算，90℃对应数据进行精度验证．得到上下桥臂温度相关系数如表3所示．

表3  不同电压下温度相关系数

Tab.3  Temperature coefficients under different voltages

表3中，上桥臂拟合精度为0.9951，下桥臂拟合精度为0.9979．根据该doff计算模型，可得90℃时不同电压的doff，计算其平均相对误差，可得上桥平均相对误差为0.47%，下桥为0.51%．经验证，该模型精度较高．不同电压下doff与j的三维关系拟合图如图11所示．

构建考虑母线电压的结温探测模型

图11  不同电压下tdoff与tj三维拟合图

对图9和图10中不同电压下关断延迟时间doff与结温j依据式(12)进行拟合，得到上下桥臂温度相关系数如表4所示．

表4  不同电压下结温探测模型相关系数

Tab.4 Correlation coefficients of junction temperature detection model under different voltages

表4中，上桥臂和下桥臂的拟合精度分别为0.9794和0.9896，平均相对误差分别为2.07%和1.66%，模型的探测精度较高，可用于结温探测．

3.3.2  考虑电流影响的结温探测模型的构建

以上分析表明，不同电流时关断延迟时间doff精度较高，适合作为探测结温数值的温敏参数．不同电流下关断延迟时间doff与结温j的关系模型可表示为

式中1、2、1、2为不同电流下关断延迟时间温度相关系数．

对图9和图10中不同电流下关断时间doff与结温j依据式(13)进行拟合，为了验证模型的精确度，选取30～70℃对应数据进行拟合计算，90℃对应数据进行精度验证．得到上下桥臂温度相关系数如表5所示．

表5  不同电流下温度相关系数

Tab.5  Temperature coefficients under different currents

表5中，上桥臂拟合精度为0.9958，下桥臂拟合精度为0.9987．根据该doff计算模型，可得90℃时不同电压的doff，计算其平均相对误差，可得上桥平均相对误差为0.43%，下桥为0.13%．经验证，该模型精度较高．不同电流下doff与j的三维关系拟合图如图12所示．

图12  不同电流下tdoff与tj三维拟合图

构建考虑集电极电流的结温探测模型，即

对图9和图10中不同电流下关断时间doff与结温j依据式(14)进行拟合，得到上下桥臂结温探测模型相关系数如表6所示．

表6  不同电流下结温探测模型相关系数

Tab.6 Correlation coefficients of junction temperature detection model under different currents

表6中，上桥臂和下桥臂的拟合精度分别为0.9904和0.9962，平均相对误差分别为1.02%和1.39%，模型的探测精度较高，可用于结温探测．

3.4  IGBT模块结温探测模型在风电工况的应用

本文所建IGBT模块结温探测模型，用于风电变流器IGBT模块工作结温探测时尚有几点注意事项．以背靠背风电变流器网侧的电压源型三相逆变器为例进行说明．

(1) 鉴于所建IGBT模块结温探测模型的参数是根据IGBT模块热稳态时数据辨识得到的，故必须保证变流器及其IGBT模块处于热平衡态，即保持IGBT模块承载稳定的电、热应力．某风速值一般可持续几秒甚至更久，远大于IGBT模块几十毫秒的热时间常数，使变流器可保持至少几秒的热平衡态，结温探测录波需要的电热应力稳态条件得以具备．

(2) 基于变流器输入、输出的可测电气量可直接或间接检测到IGBT的直流母线电压C和集电极电流有效值c；根据电路模型和控制策略可复现集电极电流c的暂态波形，确定关断电流c的值，该值等于集电极电流有效值c作为关断过程ge和c的触发条件录波条件，录波后再根据关断过程ge和c的暂态波形提取关断延迟时间．

(3) 为测量IGBT模块的关断延迟时间，需对几十纳秒时间尺度的ge和c的暂态波形进行触发录波，无论是实验室条件还是实际工况下，均需要依赖高速数据采集技术．目前，一般选用探头有隔离的、采样速率不低于1GS/s的高速高精度记忆示波器．

风电工况下电压源型三相逆变器IGBT模块结温探测程序如图13所示．

图13  IGBT模块工作结温探测程序流程

4  结 论

(1) 从半导体物理机理角度分析，温度通过本征载流子浓度i(j)对半导体本征能级与费米能级之间的电势差B(j)产生影响，进而影响阈值电压th(j)对通断延迟时间产生不同程度的作用．

(2) 基于开通延迟时间进行结温探测精度较低，数据稳定性较差．基于关断延迟时间进行结温探测精度较高，数据稳定性较好．因此，选用关断延迟时间作为温敏参数进行结温探测．

(3) 母线电压C越高或集电极电流c越低则关断延迟时间越长．考虑母线电压或集电极电流影响，建立基于关断延迟时间的结温探测模型，该模型精度相对较高，可推广用于风电工况结温探测．

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Study on Junction Temperature Detection Model Based on Turn-on and-off Delay Time of IGBT Modules in Wind Power Converters

Yao Fang1，Ma Jing1，Zhang Yushuo2，Tang Shengxue1，Huang Kai1，Li Zhigang1

(1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2. Experimental Training Center，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

This study investigates the junction temperature detection method based on turn-on and-off delay time of insulated gate bipolar transistor(IGBT)modules for IGBT switches in wind power converters．The results are important in monitoring the thermal safety and reliability of wind power converters． First，the temperature-sensitive characteristics and mechanism of turn-on and-off delay time are analyzed by considering the physical mechanism of semiconductors．The physical factors that influence turn-on and-off delay time，such as intrinsic carrier concentration，current gain，and carrier mobility，were defined．Furthermore，the IGBT modules were tested to detect the dynamic characteristics and explore the relations between turn-on and-off delay time and junction temperature under various bus voltages or collector currents．Moreover，the test results were analyzed．Diode clamping circuit and double-pulse method were used in the test．Thus，the measurement accuracy of dynamic characteristics of gate voltage and collector current during the on-off process was improved．The constant temperature control floor was used to heat the module sample and maintain its thermal balance．In addition，the waveform of collector current and gate voltage under various junction temperatures in the switching process of the IGBT module were analyzed．Considering the influence of voltage and current，the junction temperature detection models based on turn-off delay time were established and the detection accuracy rates of these models were compared． The results showed that the junction temperature detection accuracy and stability based on turn-off delay time were higher． When the bus voltage was higher or the collector current was lower，the turn-off delay time was longer．Finally，a junction temperature detection model based on turn-off delay time was established by considering the influence of voltage or current．The validation showed that the IGBT module junction temperature detection model based on turn-on and-off delay time was characterized by high fitting accuracy and small average relative error．Furthermore，the model can be used to detect the working junction temperature of the IGBT module of the wind power converter when thermal balance is maintained．

wind power converter；IGBT module；junction temperature；turn-on and-off delay time

TM46

A

0493-2137(2019)08-0862-09

10.11784/tdxbz201809018

2018-09-07；

2019-02-03.

姚 芳（1972—），女，博士，教授，yaofang@hebut.edu.cn.

唐圣学，tsx@hebut.edu.cn.

国家科技支撑计划资助项目(2015BAA09B01)；国家自然科学基金资助项目(51377044)；河北省自然科学基金资助项目(E2017202284)；河北省教育厅青年基金资助项目(QN2017316).

the National Science and Technology Support Program(No.2015BAA09B01)，the National Natural Science Foundation of China (No.51377044)，the Natural Science Foundation of Hebei Province，China(No.E2017202284)，the Youth Foundation of Hebei Province，China(No.QN2017316).

(责任编辑：孙立华)