[发明专利]半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法

说明书

本发明公开了一种半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法，其特征在于复用原系统闭环控制所必须的电参数采样值，离散化计算功率器件损耗，结合优化拟合的离散化动态热阻模型，通过在线迭代计算获得功率器件的实时结温。本发明的优势如下：复用系统闭环控制所必须的电参数采样值作为输入，不增加任何额外的系统硬件电路和成本；采用离散化迭代计算的思想，能够最大限度的节约处理器的资源，实现在线计算，并且保证动态结温计算的实时性；创新性的使用优化拟合的离散化动态热阻模型进行迭代计算，在保证功率器件动态结温计算的实时性的同时，还保证了计算的准确性，能够满足保护、寿命预测、可靠性设计等要求且很好的契合实际工程应用的需求。

技术领域

本发明涉及一种半导体功率器件结温预测检测方法，具体说是一种半导体功率器件动态结温的实时在线预测方法。

背景技术

近年来，半导体功率器件作为工业自动化、交通运输、智能电网、新能源等领域的核心零部件，其可靠性相关的研究已经成为国际国内高等院校、科研机构及大中型高新企业研究的热点。半导体功率器件的结温是决定其寿命的最关键参数，研究表明60％的半导体功率器件失效都是由于内部结温过高造成的，几乎所有的功率器件机械失效都源于结温波动引起的功率循环和热循环。

目前在针对半导体功率器件结温的获取方法主要有三种：

(1)直接测量法：通过使用温度传感器、热成像仪等设备直接测量功率器件内部芯片的结温。如专利CN103954900A《一种测量IGBT稳态热阻值的方法》所述，将IGBT器件的正面开帽，完全露出IGBT器件的芯片表面，将IGBT器件固定在带有小孔的散热片上，在小孔中插入热偶，使热偶的一端与IGBT器件的背面的外壳接触，热偶的另一端连接测试设备。根据施加电压的电压值，管壳温度、表面温度和环境温度，分别计算得到IGBT器件的结壳热阻值和结到环境的热阻值。该方法使用热电偶对功率器件结温进行直接测量，此类方法存在以下缺点：①功率器件集成度比较高，在芯片旁边安装温度传感器需要比较高的工艺要求且废品率高，对内部芯片之间的耐压和绝缘水平也会造成一定影响，很大程度降低了功率器件的可靠性。内埋温度传感器的功率器件一般仅能够应用于测量研究，不能作为批量产品使用；②常规温度传感器具有较大的热时间常数，无法用于功率器件动态结温度的获取，只能用于稳态结温的获取。为了动态结温获取而制作的温度传感器直径非常小，很容易损坏，只能用于测量研究，难以实现产品化；③使用热成像仪进行结温测量，需要对功率器件进行破坏，并对芯片表面进行黑化处理，相比于温度传感器，此方法虽然能够获得良好的响应和精度，但会对功率器件的封装、绝缘造成不可逆破坏，该方法同样不能用于产品化。

(2)间接测量法：通过测量功率器件的热敏电参数来间接折算获得结温。如专利CN106199367A《一种IGBT结温的测量装置》所述，通过检测功率开关器件的关断延迟，结合导通电流来判断功率器件芯片的结温。此外通过功率器件的热敏电参数来间接获取结温的实际案例还有很多，如通过门级开启电压、门级米勒平台电压、门级米勒平台持续时间和导通压降等，但此类方法也存在缺陷：①功率器件的热敏电参数通常和系统闭环控制所需的电参数不同，需要在系统硬件架构上额外增加检测电路，势必会增加硬件成本；②功率器件热敏电参数的测量必须实时、精确，对测量电路、采样电路的性能和设计提出了较高的要求，实际工程应用困难会有一定的困难；③功率器件热敏电参数与结温的线性关系通常只在较小的范围内成立，该方法难以覆盖全范围的结温获取。

(3)直接功耗计算法：通过建立功率器件功耗和热阻的数学模型，用数学计算的方法来估算模块的结温。如专利CN103956887A《风电变流器IGBT模块结温在线测试方法》所述，通过功率器件损耗的数学模型计算功率器件的损耗，结合稳态热阻计算出功率器件的稳态结温。以上专利使用稳态热阻(常数)，计算的是稳态结温度。当计算动态结温时，要用到动态热阻模型(4阶Foster模型)，直接采用上述方法计算会耗费很多CPU资源，实时性也难以保证，实际工程应用上鲜有采用此类方法进行动态结温的实时在线计算的案例。

发明内容