基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法
2017第十二届中国电工装备创新与发展论坛
会议由中国电工技术学会主办，定于2017年8月19-21日在北京铁道大厦召开，本届大会主题为“电网技术创新与电能新业态”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
浙江大学电气工程学院的研究人员常垚、陈玉香、李武华、李威辰、何湘宁在2017年第12期《电工技术学报》上撰文指出，压接式绝缘栅极双极性晶体管（IGBT）模块因优越的电气性能和封装设计，受到柔性直流输电等大功率应用场合的青睐，其模块可靠性也成为大功率应用场合研究的重点，而IGBT模块结温是影响器件可靠性的重要因素。
基于压接式IGBT模块双脉冲测试平台，介绍一种基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法，分析压接式IGBT芯片结温和模块关断电流最大变化率间单调变化关系，并利用压接式IGBT模块封装结构固有的寄生电感有效获取关断电流最大变化率的信息，以此来反推模块结温特性。最后通过压接式IGBT双脉冲测试平台验证了通过模块关断电流最大变化率进行压接式IGBT结温提取的可行性。
随着柔性直流输电系统朝着更高电压等级和更大容量等级的不断发展，人们对绝缘栅极双极性晶体管（Insulated GateBipolar Transistor, IGBT）的性能提出了更高要求[1,2]。压接式IGBT模块因采用双面散热的压接型封装设计，避免了引线键合，具有功率容量高、杂散参数小、失效后短路的特点[3,4]，现己逐步应用于电力系统的高压直流输电和电力机车等高电压大功率应用场合[5]。
由于大功率变换装备的运行工况复杂、故障影响大、运维成本高[6]，如何提升其可靠性成为国内外学术界和工业界的研究重点之一。有研究表明，大功率电力电子变流器的故障主要归因于半导体器件的失效，而55%的器件失效是由于过热引起的[7,8]，在正常工作温度范围内，器件结温每上升10℃，失效率将会翻倍[9]。因此，为防止压接式IGBT模块过热引起的老化甚至是失效带来的影响，对其进行结温提取分析具有重要意义。
目前IGBT模块结温的提取方法分为物理接触测试法、光学非接触测试法、热阻抗模型预测法、热敏感电参数法等。以热电阻或热电偶为代表的物理接触测试法虽然成本低廉，但因该方法只能获取芯片附近的温度，其所测温度往往与芯片真实结温差距较大；以红外热成像仪为代表的光学接触法，成本非常高且需要打开模块封装，属于破坏性测量，应用受限；热阻抗模型预测法则非常依赖损耗的精确计算，对工况的适应性较差。
而热敏感电参数法则将IGBT芯片本身作为热传感器，从IGBT的电气参数入手，通过建立IGBT电气参数与温度的对应关系来反推结温，具有响应速度快、测量精度高、成本低廉等优点，因此，采用热敏电参数作为IGBT结温在线检测技术，成为器件结温提取的研究热点，有望应用于实际工业现场[10]。
目前，热敏感电参数可分为静态热敏电参数和动态热敏电参数。静态热敏电参数通过测量功率器件的导通或关断状态的特性参数来反映结温，常用的有小电流注入法、饱和电流法以及导通压降法等[11,12]。
小电流注入法需要辅助电流源向待测模块注入低电流，以避免模块自热效应[13]；而利用饱和电流法测结温时，模块的门极电压vGE保持稍微高于阈值电压vth，没有对应IGBT门极的正常工况；采用导通压降法则在实际测量中由于IGBT开关动作，使得vCE在导通状态下的几伏与关断状态下上千伏之间切换，难以保证测量精度或需要设计特殊采样电路。
因此，利用静态热敏电参数或改变了待测IGBT模块正常工况，或难以与控制策略兼容。然而，采用动态热敏电参数提取IGBT结温则可以较好地满足非侵入性和可集成性两种需求，成为功率器件结温提取的重要研究方向。
本文先介绍压接式IGBT模块的封装特性及对应的模组成型结构，并分析其构成的半桥模组在感性负载工况下关断后集电极电流下降阶段的动态特性。在此基础上，引入集电极电流关断最大变化率(diC/dt)max作为动态热敏电参数，详细分析压接式IGBT模块结温变化对(diC/dt)max的影响规律。考虑到压接式IGBT模组特殊的成型结构，借助其自身存在的寄生电感LeE在模块关断过程中产生的感应电压峰值VeE_max，线性反映关断电流最大变化率，从而进行待测模块工作结温的检测。
图1 压接式IGBT封装结构图
结论
本文针对压接式IGBT模块的可靠性应用需求，进行了基于关断电流最大变化率的压接式IGBT工作结温提取研究。该研究从压接式IGBT模块关断过程的载流子行为和立体化封装结构入手，利用其压接模组成型结构中固有的寄生电感获取关断电流最大变化率。
本文首先从半导体物理层面研究压接式IGBT关断后集电极电流变化的详细过程，并分析集电极电流最大变化率与温度的耦合关系，最后以ABB的SPT型压接式IGBT为对象搭建了开关特性测试平台，在不同工况下进行模块关断特性测试，验证了关断电流最大变化率与模块结温的负温度系数特性以及在压接式IGBT模块结温检测应用的可行性。