[发明专利]IGBT耦合热阻抗的离散化方波提取方法及装置

说明书

本发明提供的IGBT耦合热阻抗的离散化方波提取方法，包括对IGBT加热，测量小电流密度下FWD导通压降；对FWD加热，测量小电流密度下IGBT的饱和压降，根据测量小电流密度下FWD导通压降和IGBT的饱和压降，间接获取IGBT与FWD结温变化曲线，计算得到连续变化的耦合热阻抗曲线，通过所述耦合热阻抗曲线拟合得到IGBT与FWD的耦合热阻抗；本发明通过较为简单的方法通过对端部电气特征量的测量来提取IGBT模块的耦合热阻抗，进而建立较为完善的IGBT综合热网络模型，本发明通过将IGBT模块视为一个黑盒子，忽略其内部封装结构，在不破坏模块封装的情况下，利用现有的热敏参数法测量热阻的原理，采用离散化测量方波，实现对耦合热阻抗的测量，本发明具有简单有效、响应快速、测量准确的优点。

技术领域

本发明涉及电力电子领域，尤其涉及一种IGBT耦合热阻抗的离散化方波提取方法及装置。

背景技术

功率变流器作为可再生能源发电系统、电驱动系统中重要的组成部分，长时间工作于处理功率大范围随机波动的恶劣工况下，其可靠性及预期使用寿命较低。绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)作为功率流器中处理功率的核心部件，是失效率最高的部件，研究IGBT的可靠性对于提高功率变换器的可靠性具有重要意义。实际运用中，由于功率变流器长时间工作于处理功率大范围随机波动的恶劣工况下，造成IGBT器件内部的结温持续大范围随机波动，而器件的结温是影响其可靠性水平和寿命的重要参数，如何准确的计算结温对器件的热管理、寿命预测和可靠性评估尤为重要。IGBT器件的结温主要受热阻和本身发热功率的影响，在已知发热功率的情况下，如何建立精确完善的IGBT综合热网络模型对于准确计算器件的结温至关重要。而器件本身的热网络亦可作为评估器件老化过程的重要参数。综上所述，建立较为完善的IGBT热网络模型对于实现功率变流器的有效热管理、寿命预测和可靠性评估，以及基于热网络的器件状态的在线监测均具有十分重要的意义。

目前，IGBT热网络模型广泛采用的一维Foster热网络模型和cauer热网络模型，只考虑了芯片从结到壳垂直方向上的热传递，而忽略了IGBT模块内部各芯片间的热耦合效应。为了建立更为精确的热网络模型，需要计及IGBT模块内部各芯片之间的耦合热阻抗。而目前热阻抗主要提取方法有红外扫描法、有限元仿真方法、温敏电参数法。采用红外扫描法能够在线测量结温为热阻计算提供结温数据，但需要对模块进行破坏性开封处理，且由于芯片表面温度的不均匀分布，致使测量结温与实际温度之间误差大，造成所测热阻偏差较大。采用有限元分析方法，通过有限元仿真软件可建立精确的IGBT综合热网络模型，具有精度高，处理复杂结构等优点，但该方法强烈依赖于IGBT物理结构和各层导热特征参数，而相关参数不易获取，且仿真分析时间较长，求解繁琐，不能反应模块的老化过程。采用热敏电参数法，因不需破坏IGBT的封装结构，且不需要芯片的物理结构参数而被广泛采用，而IGBT模块内部多芯片之间往往共用一个外部电气端口，现有常规方法难以通过对端部电气特征量的测量来提取IGBT模块的耦合热阻抗。因此，亟需一种新的简单有效的方法来提取IGBT模块耦合热阻抗，进而建立较为完善的IGBT综合热网络模型。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种IGBT耦合热阻抗的离散化方波提取方法及装置，以解决上述问题。

本发明提供的IGBT耦合热阻抗的离散化方波提取方法，包括：

对IGBT加热，测量FWD导通压降及其壳温变化曲线；对FWD加热，测量IGBT的饱和压降及其壳温变化曲线，通过对FWD导通压降和IGBT的饱和压降的测量，获取IGBT与FWD的结温，根据所测FWD和IGBT结温和壳温变化曲线得到IGBT与FWD连续变化的耦合热阻抗曲线，通过所述耦合热阻抗曲线拟合获取IGBT与FWD的耦合热阻抗。进一步，还包括标定IGBT饱和压降及其反并联二极管(FWD)导通压降与结温对应的温敏参数曲线，分别提取在电流Is下FWD导通压降和IGBT的饱和压降，并根据所述温敏参数曲线，获取IGBT与FWD结温变化曲线。