一种用于大功率IGBT的结壳瞬态热阻抗的测量方法与流程

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：
：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。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。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。技术实现要素：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。本发明采用下述技术方案：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：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；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；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；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。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：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。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：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。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。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。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。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：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。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。本发明具有以下有益的技术效果：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。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。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。附图说明图1为本发明实施方案的步骤流程图；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；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；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；图5为散热器上埋设热电偶的布局示意图；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；图7为降温曲线的偏移校正示意图；图8为本发明的实施例中，对结温tj曲线的偏移校正图；图9为igbt瞬态热阻抗的foster模型，图中所示的为4阶foster模型。图10为本发明的实施例中得到的瞬态热阻抗曲线图。具体实施方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明：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：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：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℃。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；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；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。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：tj＝620.217-797.101vce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: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。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。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。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。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。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。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：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。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℃。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：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：其中δp＝iload×vce1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。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：则对应的瞬态热阻抗参数为：r10.00123c1473.984r20.00145c240.689r30.000266c322.556r40.000257c43.891当前第1页12