[科普中国]-大容量电力电子器件结温提取原理

背景

大容量电力电子装备是电气节能、新能源发电、高速机车牵引、智能电网和国防军事中的核心部件之一，其功率等级一般在百kW级乃至数十GW及以上，电压等级一般在kV级乃至数MV及以上，电流等级一般在数百安培级乃至数万安培及以上。

具有高电压阻断能力、低导通压降和大电流密度等静态特性以及短开关时间、小开关损耗、高di/dt与dv/dt耐受力等动态特性的电力电子器件是大容量电力子装备的理想选择。然而，电力电子器件和应用系统之间的功率容量与电压等级差距巨大。现有的器件容量水平远不能满足日益增长的大容量电力变换需求，且这一差距还有继续扩大的趋势，因而，需发掘现有大容量电力电子器件的应用潜能，提高其功率处理能力。另外，为了保证大容量电力变换装备的可靠运行，现有的设计方法大多采用粗放式、大裕量、多重冗余的经验化设计准则，不可避免地存在“大马拉小车”现象。这种经验化设计方法不仅大大浪费了现有功率器件的视在容量，提高了装备成本；而且也无法从根本上确保电力变流系统在复杂运行工况下的安全可靠运行。

由电力电子系统可靠性调研报告可知，功率器件是变流系统中失效率最高的部件，约占34%。在各类失效因素中，约55%的电力电子系统失效主要由温度因素诱发。大容量电力电子器件受温度影响的主要指标包括平均结温、最高结温、结温摆幅和基板温度等。根据大量试验统计数据与失效机理分析可知，功率器件在失效前所经历的温度循环周期数主要由结温摆幅、最高结温、平均结温、最低外壳温度及模块周期导通时间等因素共同决定。因此，大容量电力电子器件结温（含功率开关管和二极管的芯片温度）的精准提取与检测是其损耗计算、寿命预测、健康管理与可靠性评估的基础。

目前，国内外学术界和工业界在大容量功率器件的结温检测方面做了大量的研究工作，提出了多种方法，并开展了实证分析。各结温测量方法的提取原理、测量灵敏性、抗干扰能力、对器件类型的适用性、对应用系统的侵入程度和在线集成能力等特征大不相同1。

大容量功率器件结温提取的研究现状由于大容量电力电子器件的芯片封装在模块内部，不易直接接触、难以直接观测，对其进行芯片温度测量颇具挑战，成为近年来电力电子学科的研究热点与难点课题。现有的器件结温检测方法主要可归纳为物理接触式测量法、光学非接触测量法、热阻抗模型预测法与热敏感电参数提取法等4种技术手段。

物理接触式测量法物理接触式测量法把热敏电阻或热电偶等测温元件置于待测器件内部，从而获取其内部温度信息。热敏电阻法需要外部电源激励，且瞬态响应慢。利用热敏电阻对电力电子器件进行芯片温度检测需要对待测器件的封装结构进行改造。目前风电变流器的1700V电压等级的IGBT模块采用了内置热敏电阻。该方法测量得到的温度信息是IGBT模块内部基板的平均温度，并非IGBT芯片的结温，测量温度与真实结温之间误差较大。

热电偶的测温原理是基于热电效应，将两种不同的导体或半导体通过导线连接成闭合回路，当两者的接触点存在温度差时，整个回路将产生热电势，即热电效应或塞贝克效应2。

光学非接触测量法光学非接触测量法主要基于冷光、拉曼效应、折射指数、反射比、激光偏转等光温藕合效应的表征参数，通常借助待测器件温度与红外辐射之间的关系，包括红外热成像仪、光纤红外显微镜、辐射线测定仪等。红外热成像仪已被用于大容量电力电子器件的结温观测。在测量前需要把待测器件的封装打开，除去芯片表面的透明硅脂;然后将待测器件的芯片表面涂黑，以增加被测芯片的辐射系数，从而提高温度测量准确度，但破坏了模块封装的完整性。通过非接触式感应加热等方式对待测器件进行温度控制，模拟待测器件结温在实际运行工况中的波动特征。通过红外热成像仪对芯片表面温度进行实时监控来获取待测器件的各点温度图谱和温度梯度。然而现有商用红外热成像仪的最高采样率仅为2000帧。远不能满足动态结温的实时检测要求。且光学非接触测量法属于破坏性测量方法，无法用于器件结温的在线检测3。

热阻抗模型预测法热阻抗模型预测法则结合了待测器件、电路拓扑和散热系统等综合因素，基于待测器件的实时损耗及瞬态热阻抗网络模型，通过仿真计算或离线查表等方式反推芯片结温及其变化趋势。该方法被广泛应用于大容量变换装备设计之初的散热系统评估。在用于结温实时监测时，需要辅助计算机工具，一般只能模拟器件正常运行时的结温变化，在意外故障发生时(如运行工况异常导致损耗突变或散热环节异常导致热阻抗网络突变)无法对待测功率器件的芯片结温进行提取。图为含散热条件的功率变流器热阻网络典型模型4。

大容量功率模块本身由硅基等芯片、DBC(Direct Copper Bonding)衬底和铜基板等多种材料多层次组成的电力电子器件。通过对材料的几何形状与热特性分析，即可通过实验测量或数学建模等方式把含有散热系统的变流器热阻网络模型提取出来。然后根据变流器的运行工况进行分析，计算待测器件在该运行工况下的功耗。最后即可根据外部基板温度，结合热阻网络模型反推出待测器件的芯片结温5。

热阻抗模型预测法需要同时获取待测功率器件的实时损耗以及热阻抗网络才可实现结温的精确预测，实时损耗模型和热阻抗网络模型的精确建模相当困难。且在大容量电力电子系统长期运行过程中，衬底板下的焊料层与导热硅脂均会出现不同程度的老化。事先测定的热阻网络模型会由于老化原因发生较大偏移，从而带来结温预测的误差。

热敏感电参数提取法由于半导体物理器件的内部微观物理参数与器件温度具有一一对应的映射关系。如载流子的寿命随着结温的升高而升高，而载流子的迁移率随着温度的升高而降低。因此这种半导体材料受温度影响的特性将会使得待测功率器件的外部宏观电气特性呈现出温度相关的变化趋势。这种受器件内部结温影响的外部电气特征参数称之为热敏感电参数(temperature sensitive electrical parameter TSEP)。当芯片温度随着运行工况变化时，待测器件相应的外部电气参数也会随之变化。通过对热敏感电参数的测量，即可对芯片结温进行逆向预估。

热敏感电参数提取法的核心思想是把待测器件自身作为温度传感部件，将其芯片温度信息映射在外部的电气变量上。利用热敏感电参数提取法进行结温测量的步骤如下:首先进行离线的校准程序，通过离线方式获得候选热敏感电参数与已知结温的映射规律，将该测定的结温与电气参数的对应关系作为后续结温测量程序的参考；其次是开展参数提取程序，在待测器件正常运行时，实时对热敏感电参数进行测量，利用事先校正程序中获得的映射关系反推芯片温度，该过程可通过曲线拟合后的查表法或神经网络预测法等方式确定6。

以热敏电阻为代表的物理接触式测量法虽然成本低廉，且通过预埋手段可在不破坏封装的前提下实现对芯片附近的温度进行测量，然而该方法难以获取芯片的真实结温，测量误差较大。光学非接触测量法的成本非常高且需要打开待测器件的封装结构，属于破坏性测量方法，不适用于环境复杂的现场实际应用。热阻抗模型预测法所面临的难点在于老化因素会影响热阻网络模型及待测器件的损耗模型难以精确实时计算，算法复杂且在线结温预测能力较弱。热敏感电参数提取法不仅能获取待测器件内部芯片的平均结温，且其成本低、响应快、易于在线检测，成为最具应用潜力的结温在线提取与一体化集成的新技术。

热敏感电参数提取法的最新发展热敏感电参数提取法具有响应快、精度较高、有望在线测量等优点，具有相当的学术研究与工业应用价值，得到了国内外学者广泛而深入的关注，并取得了较多的研究成果。然而，已发现的热敏感电参数种类较多，配套的校正程序和在线测量方法不尽相同。根据热敏感电参数的时基特性，提出了将其分为静态热敏感电参数和动态热敏感电参数的分类方法。所谓静态热敏感电参数是指待测器件/模块处于完全导通或完全关断状态下与结温相关的电气参数，例如器件处于稳定短路导通阶段内的短路电流等。所谓动态热敏感电参数是指待测器件/模块在开通或关断的瞬态切换过程中与结温相关的电气参数，例如开通延迟时间、关断电压变化率等。

典型静态热敏感电参数结温提取法代表性静态热敏感电参数结温提取法包括小电流饱和压降法、大电流注入法、驱动电压降差比法、集电极开启电压法和短路电流法等7。

小电流饱和压降法是经典的芯片结温预测方法。鉴于其优越的线性度，该方法不仅用于芯片的结温检测，还被广泛用于功率模块的热阻抗网络提取。

在小电流注入饱和压降法中，需要特定的小电流辅助电路提供恒定的测量激励源。该辅助电路不仅提高了测量成本，还增加了测量复杂度。由于负载电流所引起的电压降本身就受到芯片结温的影响。有文献提出了大电流注入法，该方法利用导通负载电流时器件本身的通态压降作为热敏感电参数，从而省去小电流注入这一测量必需条件。过校正程序之后，在实际应用工况中，利用集电极电流本身作为致热源，在待测器件导通时刻测量集电极电流及集电极电压降，即可利用离线数据库计算出瞬时结温。大电流饱和压降法的灵敏度由器件特性决定，不同电压和电流等级的器件的大电流饱和压降特有差异8。

然而广为应用的大容量IGBT器件为双极型器件，其在某一特定的负载电流点处，集电极电流与电压降会呈现出正温度系数与负温度系数的分界点，即当集电极电流小于分界电流时，IGBT芯片结温与导通压降呈现出负温度系数关系;而集电极电流在高于分界电流时，IGBT芯片结温与导通呈现出正温度系数关系。因此，当集电极电流在分界电流点附近会出现检测盲区，导致结温测量失效。由于正负温度系数的交界区域通常处于额定运行电流范围之内，采用大电流注入法进行结温提取必须对检测盲区进行事先判定并建立相应规避策略。

基于负载电流测试的热敏感电参数都存在不同程度的自热现象。大电流注入法、驱动电压降差比法和集电极开启电压法都需要在待测器件导通集电极电流非常大的时刻进行采样程序。采样时基与采样转换时间均会影响自热效应的程度。因此，若能提出与集电极电流无关的热敏感电参数，则可从根本上消除自热效应引发的误差。

典型动态热敏感电参数结温提取法代表性动态热敏感电参数结温提取法包括阈值电压法、内置驱动温敏电阻法等9。

阈值电压不涉及电流源注入因素，从测量方法上避免了待测器件的自热效应。由于阂值电压仅与门极氧化层的厚度与掺杂浓度有关，而与集电极电流和母线电压大小无关，已成功用于MOSFET与IGBT等功率器件的结温提取。

内置驱动温敏电阻法，利用受结温影响的门极驱动回路信息来提取功率器件结温。

门极信号的变化反映了不同结温情况下驱动电路对IGBT栅极电容充电过程的时间常数的变化。内置驱动温敏电阻法无需有源或无源辅助电路，结温提取相关参数较少，热敏感电参数的提取时基方便。内置驱动温敏电阻法通常在IGBT器件开通瞬态时提取门极有效信息。对在线运行的变流器而言，不需要中断变流器正常运行即可完成结温提取工作。然而，门极信号容易受到周围电磁环境的干扰，从而影响测量精度，甚至导致测量失效。

典型热敏感电参数的性能比较现有的热敏感电参数法中，其校正程序与测量方法各异，如何系统评价特定热敏感电参数的应用潜力，学术界和工业界尚未建立统一标准。在实际运行工况中，待测大容量电力电子器件一直处于高频开关切换中，处于高频通断状态的待测器件经受着高电压和大电流的双重冲击，功率器件的结温度变化是复杂工况下的综合作用结果。因此，对热敏感电参数的评价指标须与实际工况相结合。其校正程序与测量方法也需在实施难度、应用成本和测量效果上做折衷考虑。本节仅从线性度、灵敏度、泛化度、精准度、非侵入性与集成性等指标，利用雷达图将上述代表性6种热敏感电参数法进行系统比较。

其中线性度代表了热敏感电参数与结温之间的线性关系程度，线性度越好，利用热敏感电参数对结温进行预测的函数关系越简单，也更易于校正程序。灵敏度指标则反映了每一度结温变化所对应的热敏感电参数的变化量。在相同精度的采样电路中，灵敏度越高的热敏感电参数可以获得更高的结温预测精度。泛化度用于评价候选热敏感电参数法的适用范围和适用的器件领域。某些热敏感电参数法可能仅适用于IGBT器件，而有些热敏感电参数法能适用于IGBT, MOSFET和GTR等有源开关器件。热敏感电气参数法的泛化度则决定了该方法的适用范围。精准度考虑的是热敏感电参数法在校正环节中，是否容易引入干扰因素，从而降低了在结温预测过程中的精确性。例如在大电流注入法中，负载电流作为致热电流本身会引起结温的自热效应，将无法避免地带来测量误差。非侵入性特征强调的是在采取较小的中断需求，甚至是不中断和不改变变流器运行策略的条件下对器件结温进行提取。集成性则考虑的是能否简单可靠的把校正电路与采样电路集成进驱动电路并适用于不同封装类型的功率器件模块。

纵观基于热敏感电参数法的大容量电力电子器件结温提取的最新发展，相关研究尚处于起步阶段，目前主要集中在静态热敏感电参数的研究，较少涉及动态热敏感电参数的探索。大容量电力电子器件的开关时间通常在百纳秒至微秒级，在极短的开关时间内对动态热敏感电参数进行低成本精准测量，需要开创新思路。此外，目前大多数研究关注IGBT, MOSFET等有源功率器件的结温检测10，极少涉及无源二极管的结温提取。然而，在柔性直流输电系统的直流侧短路故障时，二极管是更为脆弱的功率器件；在双馈型风电系统中，机侧变流器的反并二极管在超同步模式下的结温高于IGBT开关管，因此，大容量二极管的结温检测也相当必要。而且，目前的研究还主要聚焦在器件结温的离线校正分析，极少涉及结温提取功能的在线集成研究。复杂工况下的大容量电力电子器件对热敏感电参数的选取具有很大约束，不中断或不侵入变流器的正常运行，进行器件结温的实时在线提取，需要开辟新途径1。

动态热敏感电参数法的挑战及研究展望动态热敏感电参数的结温提取对硬件条件和运行环境的依赖性低于静态热敏感电参数。因此，动态热敏感电参数提取法有望成为大容量功率器件结温检测技术的新方向。此外，鉴于器件结温的波动受运行工况的影响大，开展器件结温的实时在线提取对提高大功率变流系统的可靠性相当重要。然而，作为电力电子学科的一个新兴研究热点，基于动态热敏感电参数的大容量电力电子器件结温在线提取的研究面临的挑战归纳如下：

1)如何系统揭示器件结温与动态热敏电参数的相关性:动态热敏电参数与器件结温的相互作用关系不仅受到内部半导体物理参数(如禁带宽度、电子/空穴迁移率、扩散系数、本征载流子寿命等)的影响，而且受到外部运行环境(如母线电压、负载电流、寄生电感/电容、驱动电压/电阻等)的制约。需从芯片一模块一装置的系统观出发，揭示大容量器件结温与动态热敏电参数及运行工况之间的相关性。

2)如何构建动态热敏电参数的性能统一评价准则:不同属性的动态热敏感电参数，其检测方法及温度相关因素差异较大。即使是同一动态热敏感电参数在不同应用工况下所表现出的性能指标也相差甚远。需从硬件需求、控制需求和工况需求的多视角出发，构建能系统反映动态热敏感电参数性能的综合评价方法。

3)如何实现器件结温的非侵入性在线提取与集成:在大容量电力变换装备的实际工况中，功率器件运行于高电压和大电流的高频开关状态。在此期间，诸如过流/短路/过压等保护机制一直处于工作模式。需研究在不改变控制策略、不中断或不侵入变流系统正常运行的前提下，植入和集成芯片温度的检测功能，实现器件结温的实时、在线提取11。

以大容量IGBT模块为例，由于硅基材料、制造工艺和封装散热等限制，大容量IGBT模块需采用多芯片并联来实现扩容。为提高功率器件在高频切换运行下的抗干扰能力，多芯片的大容量IGBT模块（电压等级>1700V；电流等级>800A）在封装结构上大多设置了开尔文发射极端子。模块内的铝键合线及汇流铜层等在功率回路及驱动回路中产生寄生电感。

结语电能生产、传输和消费方式的变革极大推进了大功率电力变换装备的发展。大容量电力电子器件虽在功率和电压等级指标上取得了长足进步，但仍远不能满足日益增长的电力变换需求。当前普遍采用的粗放式、大裕量、多重冗余的经验化设计准则难以有效解决电力电子器件和装备在复杂运行工况下的可靠性难题。温度诱发的器件失效是影响电力电子装备可靠性的重要因素，因此，大容量功率器件结温（含功率开关管和二极管的芯片温度）的精确提取和检测是电力电子系统损耗计算、寿命预测、健康管理和可靠性评估的基础。综述和详细比较了器件结温提取的代表性方法，包括物理接触式测量法、光学非接触测量法、热阻抗模型预测法与热敏感电参数提取法等，重点介绍了静态和动态热敏感电参数的提取原理、典型特征和性能综合比较等。最后展望了基于动态热敏感电参数法的器件结温提取技术有待进一步研究的内容。