一种IGBT器件结温监测模型

本发明属于电力电子器件结温监测与热管理，具体涉及一种igbt器件结温监测模型。

背景技术：

1、功率器件igbt是电力电子系统实现电能存储与变换的关键部件，其运行状态和健康状态是电力电子设计与使用人员关注的重点，而igbt结温作为运行与健康状态的关键指标，作为半导体器件igbt相关参数的参考与基准变量，已成为领域内学者研究的重中之重。因此，如何实时监测和获取igbt结温的相关信息，已成为当前迫切需要解决的瓶颈问题。监测和获取igbt结温的方法主要包括：红外探测非接触测温法、温度传感器接触测温法、结温评估模型预测分析法、热敏电参数间接测温法等。其中，红外感知非接触测温法和温度传感器接触测温法均需要打开或改变其封装结构，所以适用性和可靠性较低，在实验室研究阶段应用较为普遍。结温评估模型预测分析法的准确性依赖于损耗和模型参数的计算和获取，在电力电子系统设计阶段发挥着重要的分析和指导作用，但电力电子系统运行状态和工况的不可预知性和多变性，导致该方法应用受限。而基于热敏参数的结温监测方法，则利用结温和相关电学参数的一一对应关系，通过可测量的电学参数，间接获取igbt器件的结温。因该方法具有结构非侵入性好、参数可测量性和在线可实施性高等优点，被广泛关注和研究。

2、igbt功率器件具有热敏特性的电参数很多，主要包括：阈值电压、米勒平台、开通时间、关断时间、电压变化率、电流变化率、小电流和大电流下集射极导通压降等，这些方法各有优缺点，应用的场合各不相同。小电流集射极导通压降方法，因其参数耦合关系单一、与结温之间的线性度好、静态可测试性强等特点，在功率循环等疲劳老化实验研究条件下应用广泛。但该方法需要在器件导通状态下额外注入小电流，所以不适用于电力电子系统正常工作状态下igbt器件结温的在线监测。阈值电压、米勒平台、开通时间、关断时间、电压变化率和电流变化率结温监测方法，这些参数与结温具有一一对应关系，且参数提取不影响系统的正常工作状态，所以具有较高的系统适用性。但这些参数与其它多参数具有较强的耦合关系，确定其与结温的一一对应关系之前，须先确认与其它耦合参数之间的关系，所以基于这些热敏参数的结温监测方法复杂，对热敏参数及其耦合参数测量精度要求高，因此，这些方法多停留在理论研究阶段，工程应用罕见。大电流集射极导通压降结温监测方法，是基于数据手册提供的v-i-tj之间的关系曲线，通过实时测量igbt导通阶段电压和电流，即可获取该时刻的结温。该方法参数耦合关系较简单，相同电流下导通压降vce与结温tj之间的线性度好，且当前硬件水平对于vce的mv级精度要求可实现。因此，该方法具有较高的工程应用价值。

3、大电流导通压降结温监测方法的精度和准确性，除了依赖于vce测量设备的精度以外，还依赖于数据手册提供的v-i-tj之间的数据关系的准确性。众所周知，即便是同批次的igbt器件由于工艺原因，同样具有一定的参数分散性。该参数分散性会导致igbt器件的实际参数与数据手册提供的v-i-tj数据关系存在一定的偏差，导致采用该方法监测得到的结温存在较大的误差。

技术实现思路

1、针对电力电子系统核心部件igbt结温监测的需求，本发明克服了上述技术缺陷，提供一种igbt器件结温监测模型，提高了igbt结温监测结果的准确性。

2、为达到上述目的，本发明提供一种igbt器件结温监测模型，包括如下步骤：

3、1)基于半导体物理机理和igbt器件的通态模型，建立v-i特性随参数分散性的变化规律；

4、2)基于所建立的v-i特性随参数分散性的变化规律，建立基于等比例平移关系的igbt器件参数分散性修正方法；

5、3)基于所建立的igbt器件参数分散性修正方法，建立igbt器件结温监测模型。

6、进一步地，所述步骤1)中，igbt器件的通态模型如式(1)：

7、

8、其中，vac为集射极压降，μn为电子迁移率，kt为电子伏特常数，q为电子电荷量常数，ni为本征载流子浓度，d为双极扩散系数，w为准中性基区宽度，ic为igbt导通电流，b为双极迁移率，p0为发射极p+/n-结处载流子浓度，a为芯片有效面积，nb为基区掺杂浓度，l为双极扩散长度，kp为跨导，vgs为栅极电压，vt为阈值电压，isne为p+发射极电子饱和电流，neff为准中性基区有效电子浓度。

9、进一步地，所述步骤1)中，变化规律为：igbt导通电流ic范围内，由掺杂浓度引起的导通压降变化量符合线性减小规律；igbt导通电流ic范围内，由载流子寿命引起的导通压降vce变化量符合线性增大规律；

10、其中，igbt导通电流ic范围为：

11、

12、ic1为采集精度决定的电流最小值，ic2为由非线性到线性的转折点对应的电流，icm为dvce/ic保持不变所对应的电流最大值。

13、进一步地，所述步骤2)的具体过程为：

14、随掺杂浓度和载流子寿命的变化，vce的变化量随电流的变化符合线性变化规律。即掺杂浓度和载流子寿命变化前后的d(δvce)/dic的比值保持不变，如式(2)。

15、

16、其中，nb'和τ'分别为实际模块的掺杂浓度与载流子寿命，nb和τ分别为数据手册对应的模块掺杂浓度与载流子寿命。

17、通过式(10)计算得到不同温度下的k和δvce2；

18、

19、其中，δvce1为参数修正电流点1的vce实测值与数据手册值的差值，vce1(s)为参数修正电流点1的vce实测值，vce1(d)为参数修正电流点1的vce数据手册值，δvce2为参数修正电流点2的vce实测值与数据手册值的差值，vce2(s)为参数修正电流点2的vce实测值，vce2(d)为参数修正电流点2的vce数据手册值，δic为参数修正电流点1与电流点2的电流差值，ics1为参数修正电流点1，ics2为参数修正电流点2，k为等比例平移系数。

20、进一步地，所述步骤3)的具体过程为：

21、基于igbt器件数据手册和多项式最小二乘拟合法，得到vce和ic之间的数学关系表达式(3)；

22、vce＝an·icn+an-1·icn-1+…+a1·ic+a0 (3)

23、其中，an～a0为多项式的系数，a0等于pn结初始电压vbi，n是项数；

24、由等比例平移关系可知，由于掺杂浓度和载流子寿命存在参数分散性引起的vce变化量δvce表示为：

25、

26、δicc为任意电流点与参数修正电流点2的电流差值；

27、将式(4)与式(3)进行数学相加得到igbt器件结温监测模型式(5)；

28、vce(rs)＝vce+δvce＝an·icn+an-1·icn-1+…+a1·ic+k·δicc+a0+δvce2 (5)

29、其中，vce(rs)为经参数分散性修正后的导通压降。

30、与现有技术相比，本发明的技术效果为：基于半导体物理机理和igbt器件的通态模型，建立了v-i特性随参数分散性的变化规律，可直接应用于igbt器件参数分散性修正方法的建立；基于所建立的v-i特性随参数分散性的变化规律，建立基于等比例平移关系的igbt器件参数分散性修正方法，可直接应用于由于掺杂浓度和载流子寿命引起的igbt器件参数分散性的修正；基于所建立的igbt器件参数分散性修正方法，建立igbt器件结温监测模型，可直接应用于电力电子系统中igbt器件的结温监测。