[发明专利]一种提高电能变换装置功率密度的方法

说明书

技术领域

本发明属于大容量电力电子器件领域，具体涉及一种提高电能变换装置功率密度的方法，该方法是通过基于热平衡分析的IGBT参数尽限使用实现。

背景技术

IGBT手册通常给出了集电极-发射极最大电压、集电极最大电流和最高工作结温等边界参数，在目前的使用设计中，一般是将这些边界参数值作为最大工作边界，并且还预留较大的裕量，进行一定的降额使用，这种选用与设计标准远未达到器件精确量化与优化设计的目的。特种高性能电力电子系统具有大容量、高功率密度和高可靠性的特点，如果仍采用这种设计方法，将导致需要串、并联使用的器件数目过多，系统体积和重量庞大。事实上，手册给出的这些参数值并不是IGBT的最大工作极限，它们有的是考虑到制造工艺的不均匀性预留了一定余量，如最大电压值，有的是一种行业标准，如最大结温，有的是按最大结温、壳温以及热阻推算得到的限定值，如最大电流值。实际上IGBT参数使用极限的限制主要有两方面，第一是这些参数存在一个最高极限，如集电极-发射极雪崩击穿电压、IGBT(添加”IGBT”)芯片本征温度与熔点，第二是在实际使用中可以达到的最大使用范围，由IGBT总功耗和传热功耗之间的热平衡关系，以及可以达到平衡的稳定工作点决定，与外部散热条件密切相关，并且各个参数之间相互影响。

IGBT热击穿失效的本质是IGBT内部芯片产生的热量与外部散热装置带走的热量间达不到热平衡，热量不能完全发散出去，在内部形成热累积，IGBT功耗与温度间的正反馈作用导致结温不断上升，达到一定程度后由于漏电流的急剧增加引发温度上升到本征温度形成短路，最终发生失效。常规设计方法一般是根据手册给定的最大结温来设计各个参数，不能反映IGBT热失效本质，也不能做到电压、电流、开关频率和结温等参数的尽限使用，是一种基于经验的粗放式设计方法。

发明内容

针对传统设计方法所带来的不足，根据IGBT热击穿失效机理，本发明提出了一种提高电能变换装置功率密度的方法，该方法通过实现IGBT参数的尽限使用设计来突破传统的IGBT安全区设计法则，使装置的功率密度得到提高。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：一种提高电能变换装置功率密度的方法，其特征在于，该方法包括下述步骤：

(1)建立IGBT总功耗P模型为：P＝P_on+P_off+P_sw；

其中，P_on为IGBT的导通功耗，P_sw为IGBT的开关功耗，P_off为IGBT的断态功耗；

(2)计算工作温度T_j时IGBT的内部参数，以及半导体物理常数；根据得到的内部参数和半导体物理常数得到IGBT总功耗与温度T_j的关系，即IGBT总功耗的温度曲线；

工作温度T_j时IGBT的内部参数，包括过剩载流子寿命τ(T_j)、栅极门槛电压V_th(T_j)、跨导K_p(T_j)和发射极电子饱和电流I_sne(T_j)；材料的半导体物理常数，包括本征载流子浓度、载流子迁移率和扩散系数；

(3)由结-壳稳态热阻R_thJC得到在给定壳温T_c条件下的结-壳传热方程，从而得到结-壳传热功耗曲线；

(4)在IGBT的电压、电流、开关频率和占空比四个参数中任意三个，根据其预先设定的值，对第四个参数进行极限设计，得到第四个参数的尽限使用值；

(5)将得到的第四个参数尽限使用值作为电能变换装置中IGBT参数使用，以提高电能变换装置的功率密度。

本发明方法根据IGBT热击穿失效机理，采用IGBT电热耦合模型仿真得到IGBT总功耗的温度曲线，联立结-壳传热功耗曲线进行热平衡分析，当两条曲线发生相切时，IGBT处于临界热平衡状态，也就是热不稳定状态，此时的切点为极限结温点，由此进行电流和开关频率等参数的尽限使用设计。本发明所提出的IGBT参数尽限使用设计方法原理清晰，操作性强，减小了实际测试工作量，做到了参数尽限使用的精确量化，提高了装置的功率密度。

附图说明

图1是PT或FS型IGBT元胞结构；

图2是IGBT热平衡分析示意图；

图3是IGBT关键结温点分析；