大容量電力電子器件結溫提取原理

電力生產、傳輸和消費方式的變革對大容量電力電子裝備的可靠性提出了更高的要求。溫度誘發的器件失效是電力電子系統失效的主要原因。因此，對器件結溫的精確提取是大功率電力變換裝備的壽命預測、健康管理和可靠性評估的基礎。概述了大容量電力電子器件結溫提取原理和相關技術的最新進展，梳理現有器件結溫檢測技術的分類方法和主要特點，特別是對熱敏感電參數提取方法的工作原理、典型特徵進行總結和歸納，並從線性度、靈敏度、泛化度等指標對結溫提取方法進行初步評估。在此基礎上展望大容量電力電子器件結溫提取的未來研究方向。

基本介紹

• 中文名：大容量電力電子器件結溫提取原理
• 外文名：Principle of JunctionTemperature Extraction for Large Capacity Power Electronic Devices
• 學科：電氣工程
• 領域：能源利用
• 套用：功率器件壽命預測、可靠性評估
• 典型算法：熱敏感電參數提取法

背景

大容量電力電子裝備是電氣節能、新能源發電、高速機車牽引、智慧型電網和國防軍事中的核心部件之一，其功率等級一般在百kW級乃至數十GW及以上，電壓等級一般在kV級乃至數MV及以上，電流等級一般在數百安培級乃至數萬安培及以上。

具有高電壓阻斷能力、低導通壓降和大電流密度等靜態特性以及短開關時間、小開關損耗、高di/dt與dv/dt耐受力等動態特性的電力電子器件是大容量電力子裝備的理想選擇。然而，電力電子器件和套用系統之間的功率容量與電壓等級差距巨大。現有的器件容量水平遠不能滿足日益增長的大容量電力變換需求，且這一差距還有繼續擴大的趨勢，因而，需發掘現有大容量電力電子器件的套用潛能，提高其功率處理能力。另外，為了保證大容量電力變換裝備的可靠運行，現有的設計方法大多採用粗放式、大裕量、多重冗餘的經驗化設計準則，不可避免地存在“大馬拉小車”現象。這種經驗化設計方法不僅大大浪費了現有功率器件的視在容量，提高了裝備成本；而且也無法從根本上確保電力變流系統在複雜運行工況下的安全可靠運行。

由電力電子系統可靠性調研報告可知，功率器件是變流系統中失效率最高的部件，約占34%。在各類失效因素中，約55%的電力電子系統失效主要由溫度因素誘發。大容量電力電子器件受溫度影響的主要指標包括平均結溫、最高結溫、結溫擺幅和基板溫度等。根據大量試驗統計數據與失效機理分析可知，功率器件在失效前所經歷的溫度循環周期數主要由結溫擺幅、最高結溫、平均結溫、最低外殼溫度及模組周期導通時間等因素共同決定。因此，大容量電力電子器件結溫（含功率開關管和二極體的晶片溫度）的精準提取與檢測是其損耗計算、壽命預測、健康管理與可靠性評估的基礎。

目前，國內外學術界和工業界在大容量功率器件的結溫檢測方面做了大量的研究工作，提出了多種方法，並開展了實證分析。各結溫測量方法的提取原理、測量靈敏性、抗干擾能力、對器件類型的適用性、對套用系統的侵入程度和線上集成能力等特徵大不相同。

大容量功率器件結溫提取的研究現狀

由於大容量電力電子器件的晶片封裝在模組內部，不易直接接觸、難以直接觀測，對其進行晶片溫度測量頗具挑戰，成為近年來電力電子學科的研究熱點與難點課題。現有的器件結溫檢測方法主要可歸納為物理接觸式測量法、光學非接觸測量法、熱阻抗模型預測法與熱敏感電參數提取法等4種技術手段。

物理接觸式測量法

物理接觸式測量法把熱敏電阻或熱電偶等測溫元件置於待測器件內部，從而獲取其內部溫度信息。熱敏電阻法需要外部電源激勵，且瞬態回響慢。利用熱敏電阻對電力電子器件進行晶片溫度檢測需要對待測器件的封裝結構進行改造。目前風電變流器的1700V電壓等級的IGBT模組採用了內置熱敏電阻。該方法測量得到的溫度信息是IGBT模組內部基板的平均溫度，並非IGBT晶片的結溫，測量溫度與真實結溫之間誤差較大。

熱電偶的測溫原理是基於熱電效應，將兩種不同的導體或半導體通過導線連線成閉合迴路，當兩者的接觸點存在溫度差時，整個迴路將產生熱電勢，即熱電效應或塞貝克效應。

光學非接觸測量法

光學非接觸測量法主要基於冷光、拉曼效應、折射指數、反射比、雷射偏轉等光溫藕合效應的表征參數，通常藉助待測器件溫度與紅外輻射之間的關係，包括紅外熱成像儀、光纖紅外顯微鏡、輻射線測定儀等。紅外熱成像儀已被用於大容量電力電子器件的結溫觀測。在測量前需要把待測器件的封裝打開，除去晶片表面的透明矽脂;然後將待測器件的晶片表面塗黑，以增加被測晶片的輻射係數，從而提高溫度測量準確度，但破壞了模組封裝的完整性。通過非接觸式感應加熱等方式對待測器件進行溫度控制，模擬待測器件結溫在實際運行工況中的波動特徵。通過紅外熱成像儀對晶片表面溫度進行實時監控來獲取待測器件的各點溫度圖譜和溫度梯度。然而現有商用紅外熱成像儀的最高採樣率僅為2000幀。遠不能滿足動態結溫的實時檢測要求。且光學非接觸測量法屬於破壞性測量方法，無法用於器件結溫的線上檢測。

熱阻抗模型預測法

熱阻抗模型預測法則結合了待測器件、電路拓撲和散熱系統等綜合因素，基於待測器件的實時損耗及瞬態熱阻抗網路模型，通過仿真計算或離線查表等方式反推晶片結溫及其變化趨勢。該方法被廣泛套用於大容量變換裝備設計之初的散熱系統評估。在用於結溫實時監測時，需要輔助計算機工具，一般只能模擬器件正常運行時的結溫變化，在意外故障發生時(如運行工況異常導致損耗突變或散熱環節異常導致熱阻抗網路突變)無法對待測功率器件的晶片結溫進行提取。圖為含散熱條件的功率變流器熱阻網路典型模型。

功率變流器熱阻網路模型

大容量功率模組本身由矽基等晶片、DBC(Direct Copper Bonding)襯底和銅基板等多種材料多層次組成的電力電子器件。通過對材料的幾何形狀與熱特性分析，即可通過實驗測量或數學建模等方式把含有散熱系統的變流器熱阻網路模型提取出來。然後根據變流器的運行工況進行分析，計算待測器件在該運行工況下的功耗。最後即可根據外部基板溫度，結合熱阻網路模型反推出待測器件的晶片結溫。

熱阻抗模型預測法需要同時獲取待測功率器件的實時損耗以及熱阻抗網路才可實現結溫的精確預測，實時損耗模型和熱阻抗網路模型的精確建模相當困難。且在大容量電力電子系統長期運行過程中，襯底板下的焊料層與導熱矽脂均會出現不同程度的老化。事先測定的熱阻網路模型會由於老化原因發生較大偏移，從而帶來結溫預測的誤差。

熱敏感電參數提取法

由於半導體物理器件的內部微觀物理參數與器件溫度具有一一對應的映射關係。如載流子的壽命隨著結溫的升高而升高，而載流子的遷移率隨著溫度的升高而降低。因此這種半導體材料受溫度影響的特性將會使得待測功率器件的外部巨觀電氣特性呈現出溫度相關的變化趨勢。這種受器件內部結溫影響的外部電氣特徵參數稱之為熱敏感電參數(temperature sensitive electrical parameter TSEP)。當晶片溫度隨著運行工況變化時，待測器件相應的外部電氣參數也會隨之變化。通過對熱敏感電參數的測量，即可對晶片結溫進行逆向預估。

熱敏感電參數提取法的核心思想是把待測器件自身作為溫度感測部件，將其晶片溫度信息映射在外部的電氣變數上。利用熱敏感電參數提取法進行結溫測量的步驟如下:首先進行離線的校準程式，通過離線方式獲得候選熱敏感電參數與已知結溫的映射規律，將該測定的結溫與電氣參數的對應關係作為後續結溫測量程式的參考；其次是開展參數提取程式，在待測器件正常運行時，實時對熱敏感電參數進行測量，利用事先校正程式中獲得的映射關係反推晶片溫度，該過程可通過曲線擬合後的查表法或神經網路預測法等方式確定。

以熱敏電阻為代表的物理接觸式測量法雖然成本低廉，且通過預埋手段可在不破壞封裝的前提下實現對晶片附近的溫度進行測量，然而該方法難以獲取晶片的真實結溫，測量誤差較大。光學非接觸測量法的成本非常高且需要打開待測器件的封裝結構，屬於破壞性測量方法，不適用於環境複雜的現場實際套用。熱阻抗模型預測法所面臨的難點在於老化因素會影響熱阻網路模型及待測器件的損耗模型難以精確實時計算，算法複雜且線上結溫預測能力較弱。熱敏感電參數提取法不僅能獲取待測器件內部晶片的平均結溫，且其成本低、回響快、易於線上檢測，成為最具套用潛力的結溫線上提取與一體化集成的新技術。

熱敏感電參數提取法的最新發展

熱敏感電參數提取法具有回響快、精度較高、有望線上測量等優點，具有相當的學術研究與工業套用價值，得到了國內外學者廣泛而深入的關注，並取得了較多的研究成果。然而，已發現的熱敏感電參數種類較多，配套的校正程式和線上測量方法不盡相同。根據熱敏感電參數的時基特性，提出了將其分為靜態熱敏感電參數和動態熱敏感電參數的分類方法。所謂靜態熱敏感電參數是指待測器件/模組處於完全導通或完全關斷狀態下與結溫相關的電氣參數，例如器件處於穩定短路導通階段內的短路電流等。所謂動態熱敏感電參數是指待測器件/模組在開通或關斷的瞬態切換過程中與結溫相關的電氣參數，例如開通延遲時間、關斷電壓變化率等。

典型靜態熱敏感電參數結溫提取法

代表性靜態熱敏感電參數結溫提取法包括小電流飽和壓降法、大電流注入法、驅動電壓降差比法、集電極開啟電壓法和短路電流法等。

小電流飽和壓降法是經典的晶片結溫預測方法。鑒於其優越的線性度，該方法不僅用於晶片的結溫檢測，還被廣泛用於功率模組的熱阻抗網路提取。

在小電流注入飽和壓降法中，需要特定的小電流輔助電路提供恆定的測量激勵源。該輔助電路不僅提高了測量成本，還增加了測量複雜度。由於負載電流所引起的電壓降本身就受到晶片結溫的影響。有文獻提出了大電流注入法，該方法利用導通負載電流時器件本身的通態壓降作為熱敏感電參數，從而省去小電流注入這一測量必需條件。過校正程式之後，在實際套用工況中，利用集電極電流本身作為致熱源，在待測器件導通時刻測量集電極電流及集電極電壓降，即可利用離線資料庫計算出瞬時結溫。大電流飽和壓降法的靈敏度由器件特性決定，不同電壓和電流等級的器件的大電流飽和壓降特有差異。

然而廣為套用的大容量IGBT器件為雙極型器件，其在某一特定的負載電流點處，集電極電流與電壓降會呈現出正溫度係數與負溫度係數的分界點，即當集電極電流小於分界電流時，IGBT晶片結溫與導通壓降呈現出負溫度係數關係;而集電極電流在高於分界電流時，IGBT晶片結溫與導通呈現出正溫度係數關係。因此，當集電極電流在分界電流點附近會出現檢測盲區，導致結溫測量失效。由於正負溫度係數的交界區域通常處於額定運行電流範圍之內，採用大電流注入法進行結溫提取必須對檢測盲區進行事先判定並建立相應規避策略。

基於負載電流測試的熱敏感電參數都存在不同程度的自熱現象。大電流注入法、驅動電壓降差比法和集電極開啟電壓法都需要在待測器件導通集電極電流非常大的時刻進行採樣程式。採樣時基與採樣轉換時間均會影響自熱效應的程度。因此，若能提出與集電極電流無關的熱敏感電參數，則可從根本上消除自熱效應引發的誤差。

典型動態熱敏感電參數結溫提取法

代表性動態熱敏感電參數結溫提取法包括閾值電壓法、內置驅動溫敏電阻法等。

閾值電壓不涉及電流源注入因素，從測量方法上避免了待測器件的自熱效應。由於閡值電壓僅與門極氧化層的厚度與摻雜濃度有關，而與集電極電流和母線電壓大小無關，已成功用於MOSFET與IGBT等功率器件的結溫提取。

內置驅動溫敏電阻法，利用受結溫影響的門極驅動迴路信息來提取功率器件結溫。

門極信號的變化反映了不同結溫情況下驅動電路對IGBT柵極電容充電過程的時間常數的變化。內置驅動溫敏電阻法無需有源或無源輔助電路，結溫提取相關參數較少，熱敏感電參數的提取時基方便。內置驅動溫敏電阻法通常在IGBT器件開通瞬態時提取門極有效信息。對線上運行的變流器而言，不需要中斷變流器正常運行即可完成結溫提取工作。然而，門極信號容易受到周圍電磁環境的干擾，從而影響測量精度，甚至導致測量失效。

典型熱敏感電參數的性能比較

現有的熱敏感電參數法中，其校正程式與測量方法各異，如何系統評價特定熱敏感電參數的套用潛力，學術界和工業界尚未建立統一標準。在實際運行工況中，待測大容量電力電子器件一直處於高頻開關切換中，處於高頻通斷狀態的待測器件經受著高電壓和大電流的雙重衝擊，功率器件的結溫度變化是複雜工況下的綜合作用結果。因此，對熱敏感電參數的評價指標須與實際工況相結合。其校正程式與測量方法也需在實施難度、套用成本和測量效果上做折衷考慮。本節僅從線性度、靈敏度、泛化度、精準度、非侵入性與集成性等指標，利用雷達圖將上述代表性6種熱敏感電參數法進行系統比較。

其中線性度代表了熱敏感電參數與結溫之間的線性關係程度，線性度越好，利用熱敏感電參數對結溫進行預測的函式關係越簡單，也更易於校正程式。靈敏度指標則反映了每一度結溫變化所對應的熱敏感電參數的變化量。在相同精度的採樣電路中，靈敏度越高的熱敏感電參數可以獲得更高的結溫預測精度。泛化度用於評價候選熱敏感電參數法的適用範圍和適用的器件領域。某些熱敏感電參數法可能僅適用於IGBT器件，而有些熱敏感電參數法能適用於IGBT, MOSFET和GTR等有源開關器件。熱敏感電氣參數法的泛化度則決定了該方法的適用範圍。精準度考慮的是熱敏感電參數法在校正環節中，是否容易引入干擾因素，從而降低了在結溫預測過程中的精確性。例如在大電流注入法中，負載電流作為致熱電流本身會引起結溫的自熱效應，將無法避免地帶來測量誤差。非侵入性特徵強調的是在採取較小的中斷需求，甚至是不中斷和不改變變流器運行策略的條件下對器件結溫進行提取。集成性則考慮的是能否簡單可靠的把校正電路與採樣電路集成進驅動電路並適用於不同封裝類型的功率器件模組。

縱觀基於熱敏感電參數法的大容量電力電子器件結溫提取的最新發展，相關研究尚處於起步階段，目前主要集中在靜態熱敏感電參數的研究，較少涉及動態熱敏感電參數的探索。大容量電力電子器件的開關時間通常在百納秒至微秒級，在極短的開關時間內對動態熱敏感電參數進行低成本精準測量，需要開創新思路。此外，目前大多數研究關注IGBT, MOSFET等有源功率器件的結溫檢測，極少涉及無源二極體的結溫提取。然而，在柔性直流輸電系統的直流側短路故障時，二極體是更為脆弱的功率器件；在雙饋型風電系統中，機側變流器的反並二極體在超同步模式下的結溫高於IGBT開關管，因此，大容量二極體的結溫檢測也相當必要。而且，目前的研究還主要聚焦在器件結溫的離線校正分析，極少涉及結溫提取功能的線上集成研究。複雜工況下的大容量電力電子器件對熱敏感電參數的選取具有很大約束，不中斷或不侵入變流器的正常運行，進行器件結溫的實時線上提取，需要開闢新途徑。

動態熱敏感電參數法的挑戰及研究展望

動態熱敏感電參數的結溫提取對硬體條件和運行環境的依賴性低於靜態熱敏感電參數。因此，動態熱敏感電參數提取法有望成為大容量功率器件結溫檢測技術的新方向。此外，鑒於器件結溫的波動受運行工況的影響大，開展器件結溫的實時線上提取對提高大功率變流系統的可靠性相當重要。然而，作為電力電子學科的一個新興研究熱點，基於動態熱敏感電參數的大容量電力電子器件結溫線上提取的研究面臨的挑戰歸納如下：

1)如何系統揭示器件結溫與動態熱敏電參數的相關性:動態熱敏電參數與器件結溫的相互作用關係不僅受到內部半導體物理參數(如禁頻寬度、電子/空穴遷移率、擴散係數、本徵載流子壽命等)的影響，而且受到外部運行環境(如母線電壓、負載電流、寄生電感/電容、驅動電壓/電阻等)的制約。需從晶片一模組一裝置的系統觀出發，揭示大容量器件結溫與動態熱敏電參數及運行工況之間的相關性。

2)如何構建動態熱敏電參數的性能統一評價準則:不同屬性的動態熱敏感電參數，其檢測方法及溫度相關因素差異較大。即使是同一動態熱敏感電參數在不同套用工況下所表現出的性能指標也相差甚遠。需從硬體需求、控制需求和工況需求的多視角出發，構建能系統反映動態熱敏感電參數性能的綜合評價方法。

3)如何實現器件結溫的非侵入性線上提取與集成:在大容量電力變換裝備的實際工況中，功率器件運行於高電壓和大電流的高頻開關狀態。在此期間，諸如過流/短路/過壓等保護機制一直處於工作模式。需研究在不改變控制策略、不中斷或不侵入變流系統正常運行的前提下，植入和集成晶片溫度的檢測功能，實現器件結溫的實時、線上提取。

以大容量IGBT模組為例，由於矽基材料、製造工藝和封裝散熱等限制，大容量IGBT模組需採用多晶片並聯來實現擴容。為提高功率器件在高頻切換運行下的抗干擾能力，多晶片的大容量IGBT模組（電壓等級>1700V；電流等級>800A）在封裝結構上大多設定了開爾文發射極端子。模組內的鋁鍵合線及匯流銅層等在功率迴路及驅動迴路中產生寄生電感。

結語

電能生產、傳輸和消費方式的變革極大推進了大功率電力變換裝備的發展。大容量電力電子器件雖在功率和電壓等級指標上取得了長足進步，但仍遠不能滿足日益增長的電力變換需求。當前普遍採用的粗放式、大裕量、多重冗餘的經驗化設計準則難以有效解決電力電子器件和裝備在複雜運行工況下的可靠性難題。溫度誘發的器件失效是影響電力電子裝備可靠性的重要因素，因此，大容量功率器件結溫（含功率開關管和二極體的晶片溫度）的精確提取和檢測是電力電子系統損耗計算、壽命預測、健康管理和可靠性評估的基礎。綜述和詳細比較了器件結溫提取的代表性方法，包括物理接觸式測量法、光學非接觸測量法、熱阻抗模型預測法與熱敏感電參數提取法等，重點介紹了靜態和動態熱敏感電參數的提取原理、典型特徵和性能綜合比較等。最後展望了基於動態熱敏感電參數法的器件結溫提取技術有待進一步研究的內容。