袁逸超，向大為

（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海201804）

不同因素對(duì)IGBT溫敏參數(shù)dV/dt的影響

袁逸超，向大為

（同濟(jì)大學(xué)電氣工程系，上海201804）

結(jié)溫是IGBT器件的重要狀態(tài)變量，可在變流器運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)監(jiān)測(cè)溫敏電參數(shù)dV/dt獲得相關(guān)信息。然而實(shí)際系統(tǒng)中除溫度與電流外，其他因素也可能改變溫敏參數(shù)dV/dt，從而影響IGBT結(jié)溫測(cè)量的準(zhǔn)確性。首先主要研究了不同因素（包括直流電壓，門(mén)極電阻，雜散電感以及突波吸收電容）對(duì)溫敏參數(shù)dV/dt的影響,并對(duì)不同因素與dV/dt的關(guān)系進(jìn)行了理論分析；然后利用雙脈沖實(shí)驗(yàn)研究了不同因素對(duì)1 700 V/450 A的IGBT模塊溫敏參數(shù)dV/dt的影響，并進(jìn)一步評(píng)估其對(duì)結(jié)溫測(cè)量的影響。該研究工作對(duì)基于dV/dt的IGBT結(jié)溫測(cè)量技術(shù)的研發(fā)具有一定的參考價(jià)值。

IGBT；dV/dt；結(jié)溫測(cè)量；雜散電感

引言

結(jié)溫是IGBT功率模塊中功率器件的重要狀態(tài)變量，能直接反映器件安全裕量、健康狀態(tài)及運(yùn)行性能等。然而由于模塊封閉式結(jié)構(gòu)、器件芯片尺寸小且溫度分布不均等原因，IGBT模塊的結(jié)溫測(cè)量十分困難。目前，基于溫敏電參數(shù)（如IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓變化率dV/dt）法的IGBT結(jié)溫測(cè)量技術(shù)能夠有效解決以上局限性，是目前該技術(shù)發(fā)展的一個(gè)主要方向［1-4］?；赿V/dt的IGBT結(jié)溫測(cè)量方法首先需要通過(guò)自標(biāo)定實(shí)驗(yàn)獲得溫敏參數(shù)dV/dt、IGBT結(jié)溫Tj以及電流i之間的溫敏特性關(guān)系；然后根據(jù)標(biāo)定得到的溫敏特性關(guān)系、變流器運(yùn)行過(guò)程中監(jiān)測(cè)得到的dV/dt及i計(jì)算出IGBT的真實(shí)運(yùn)行結(jié)溫［5］。

然而在實(shí)際系統(tǒng)中，電路中往往存在寄生電感和突波吸收電容，運(yùn)行過(guò)程中直流電壓存在一定的波動(dòng)，且IGBT的門(mén)極電阻也會(huì)由于溫漂而發(fā)生變化。這些因素的變化可能改變實(shí)際系統(tǒng)中IGBT溫敏特性從而IGBT結(jié)溫測(cè)量的結(jié)果存在一定的誤差。為評(píng)估這些因素對(duì)IGBT溫敏參數(shù)dV/dt以及結(jié)溫測(cè)量的影響，本文通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究的方法開(kāi)展了一系列研究。

1 基于dV/dt的IGBT結(jié)溫測(cè)量方法

IGBT關(guān)斷過(guò)程中電壓的變化率dV/dt與流過(guò)IGBT的電流以及器件的結(jié)溫有關(guān)。dV/dt由于兼具靈敏高以及便于測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，因此已成為用于IGBT結(jié)溫測(cè)量中最常用的溫敏參數(shù)之一［6,9］。

基于dV/dt的IGBT結(jié)溫測(cè)量方法如圖1所示。其中測(cè)量系統(tǒng)如圖1（a）所示，在處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)的變流器中，通過(guò)監(jiān)測(cè)變流器輸出相電壓的電壓變化率與相電流，獲得結(jié)溫的相關(guān)信息。當(dāng)電流方向不同時(shí)，對(duì)應(yīng)的IGBT關(guān)斷引起相電壓變化的dV/dt，其定義如圖1（b）所示，在圖1電流定義方向下，相電壓上升或下降沿分別對(duì)應(yīng)了下管IGBT和上管IGBT的關(guān)斷過(guò)程，其中，相電壓的上升沿對(duì)應(yīng)下管IGBT的關(guān)斷過(guò)程；相電壓下降沿對(duì)應(yīng)上管IGBT的關(guān)斷過(guò)程。此時(shí)dV/dt定義為從直流母線電壓的10%～90%的平均電壓變化率。

IGBT結(jié)溫測(cè)量流程如圖1（c）所示。首先對(duì)待測(cè)IGBT進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，獲得IGBT關(guān)斷時(shí)的dV/dt與結(jié)溫和電流的關(guān)系，即dV/dt=f（Tj,i）；再根據(jù)此關(guān)系，對(duì)監(jiān)測(cè)獲得的變流器相電壓的電壓變化率與電流通過(guò)插值查表法計(jì)算得到IGBT的結(jié)溫。

圖1 基于dV/dt的IGBT結(jié)溫測(cè)量方法Fig.1 dV/dt based IGBT junction temperature measurement method

2 溫敏參數(shù)dV/dt的影響因素

2.1 IGBT的關(guān)斷過(guò)程

為了研究影響溫敏參數(shù)dV/dt以及IGBT結(jié)溫測(cè)量的因素，給出了IGBT關(guān)斷的物理過(guò)程，如圖2所示。

由圖可見(jiàn)，當(dāng)門(mén)極電壓下降至平臺(tái)電壓vgp時(shí)，IGBT開(kāi)始關(guān)斷，N+區(qū)與n-區(qū)導(dǎo)電溝道電流減小，溝道關(guān)斷，耗盡層電壓反偏，耗盡層開(kāi)始擴(kuò)展，因此電流開(kāi)始減小，Vce增大，基區(qū)載流子復(fù)合直至消失［4］。

根據(jù)圖2，對(duì)溫敏參數(shù)dV/dt隨溫度變化的物理機(jī)理進(jìn)行解釋如下：在圖2（a）IGBT關(guān)斷過(guò)程的第3階段，Vce電壓隨耗盡層的擴(kuò)大而迅速上升，見(jiàn)圖2（b）。Vce上升速度,即dV/dt由基區(qū)（n-base region）中存儲(chǔ)載流子清除的快慢決定。隨著溫度增加，從集電極側(cè)清出的載流子復(fù)合過(guò)程變慢,即發(fā)射極復(fù)合系數(shù)（emitter recombination parameter）hp= hp0（Tj0/Tjk）下降，而從溝道側(cè)流入的電流主要受門(mén)極影響，包括MOS管溝道導(dǎo)通率（channel conductance）Kp、MOS管間檻電壓（thresh hold voltage）Vth、載流子遷移率μn/μp，而增加，電壓上升過(guò)程變慢。隨著負(fù)載電流IL增加，空間載荷區(qū)有效載流子濃度增加，使得關(guān)斷電壓上升速度加快。

圖2 溫敏參數(shù)dV/dt隨溫度變化的物理機(jī)理Fig.2 Physical mechanism of the dV/dt changing with temperature

2.2 直流電壓對(duì)dV/dt的影響

在IGBT關(guān)斷過(guò)程的第3階段，門(mén)極電流ig為米勒電容充電，使得Vce≈Vgc迅速上升。在此階段，米勒電容相當(dāng)于固定的氧化層電容COX與變化的柵氧層下半導(dǎo)體電容CS并聯(lián)［7］。此時(shí)，集電極的電壓變化率為

其中柵氧層電容COX固定不變，而柵氧層下半導(dǎo)體電容CS則隨Vce迅速上升導(dǎo)致的耗盡層寬度增加而減小，考慮其電壓的依賴關(guān)系，則有

式中：A1為溝槽柵與N基區(qū)的交疊面積；εS為硅的介電常數(shù)；W為耗盡層寬度，隨電壓增長(zhǎng)而增加。

由式（1）和式（2）可知，隨著直流電壓的增加，CS會(huì)有所減小，在門(mén)極電流ig基本不變的情況下dV/dt將增加。

2.3 變流器硬件參數(shù)對(duì)dV/dt的影響

實(shí)際系統(tǒng)中，變流器結(jié)構(gòu)影響門(mén)極電阻、雜散電感以及突波吸收電容等硬件參數(shù)。

隨著門(mén)極電阻的增長(zhǎng)門(mén)極電流ig逐漸減小。由式（1）可知，在直流電壓不變的情況下，即柵氧層下半導(dǎo)體電容CS保持不變，ig的減小從而導(dǎo)致dV/dt減小。

雜散電感主要對(duì)IGBT關(guān)斷的第4階段產(chǎn)生影響。此時(shí)dic/dt在雜散電感LS兩端產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，與二極管導(dǎo)通壓降共同作用，使Vce形成電壓過(guò)沖。由于文中定義的溫敏參數(shù)dV/dt是第3階段中Vce的電壓變化率，因此雜散電感對(duì)dV/dt無(wú)影響。

突波吸收電容在主電路中的作用主要是吸收IGBT高頻開(kāi)關(guān)過(guò)程中的浪涌電壓，主要對(duì)IGBT關(guān)斷過(guò)程中的第4階段產(chǎn)生影響。因此，突波吸收電容對(duì)第3階段的電壓變化率dV/dt基本無(wú)影響。

3 實(shí)驗(yàn)研究

3.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

采用（Infineon FF450R17ME4）1 700 V/450 A的IGBT模塊搭建的H橋?qū)嶒?yàn)電路，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示，系統(tǒng)基本參數(shù)如表1所示。通過(guò)雙脈沖實(shí)驗(yàn)研究不同因素對(duì)IGBT關(guān)斷過(guò)程電壓變化率的影響，并評(píng)估其對(duì)結(jié)溫測(cè)量結(jié)果的影響。實(shí)驗(yàn)通過(guò)電壓電流探頭經(jīng)示波器測(cè)量數(shù)據(jù)并傳送至電腦，利用Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，獲得不同因素下IGBT關(guān)斷時(shí)的電壓變化率。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在IGBT電流ic=280 A時(shí)，不同因素下測(cè)得的IGBT關(guān)斷電壓變化率dV/dt的變化情況如圖4～圖8所示。

圖3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.3 Experimental system

表1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)Tab.1 Basic data of experimental system

圖4 不同結(jié)溫時(shí)的電壓變化率dV/dtFig.4 dV/dt under different junction temperatures

圖5 不同直流母線電壓時(shí)的電壓變化率dV/dtFig.5 dV/dt under different DC voltages

圖6 不同門(mén)極電阻時(shí)的電壓變化率dV/dtFig.6 dV/dt under different gate resistances

圖7 不同雜散電感時(shí)的電壓變化率dV/dtFig.7 dV/dt under differentstray inductances

圖8 不同突波吸收電容時(shí)的電壓變化率dV/dtFig.8 dV/dt under different snubber capacitances

不同因素及結(jié)溫與dV/dt的關(guān)系如表2所示。對(duì)表2數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，IGBT結(jié)溫與其關(guān)斷時(shí)的dV/dt基本呈線性關(guān)系，結(jié)溫越高，dV/dt越小。

直流母線電壓VDC對(duì)IGBT關(guān)斷時(shí)的dV/dt產(chǎn)生了影響。電壓越高，IGBT關(guān)斷時(shí)的dV/dt越大。直流電壓VDC與dV/dt基本呈線性關(guān)系。當(dāng)直流母線電壓從898 V下降到845 V時(shí)dV/dt變化約4.5%，按表2中dV/dt的溫度特性進(jìn)行估計(jì)，53 V直流電壓的變化量引起結(jié)溫估算誤差可能達(dá)到 21°C。因此，實(shí)際結(jié)溫測(cè)量時(shí)需同時(shí)監(jiān)測(cè)直流母線電壓并進(jìn)行線性補(bǔ)償。

不同門(mén)極電阻對(duì)IGBT關(guān)斷時(shí)的dV/dt產(chǎn)生了影響。門(mén)極電阻越大，IGBT關(guān)斷時(shí)的dV/dt則越小。普通金屬膜電阻溫漂系數(shù)典型值為±100 ppm/°C，按表2中dV/dt的溫度特性估計(jì)，環(huán)境溫度-10°C到+40°C變化時(shí)，金屬膜電阻溫漂引起結(jié)溫估算誤差約為11°C。若采用高精度電阻如溫漂系數(shù)為±25 ppm/°C，環(huán)境溫度變化引起結(jié)溫估算誤差小于3°C，基本可以忽略。

因此，不同雜散電感、不同突波吸收電容基本對(duì)IGBT關(guān)斷時(shí)的dV/dt無(wú)影響

表2 不同因素及結(jié)溫與dV/dt的關(guān)系Tab.2 Relationship among dV/dt,Tjand different factors

4 結(jié)論

通過(guò)理論分析與實(shí)驗(yàn)研究了不同因素對(duì)IGBT溫敏參數(shù)dV/dt的影響。研究結(jié)果表明：

（1）在實(shí)際系統(tǒng)中，直流母線電壓對(duì)基于dV/dt的IGBT結(jié)溫測(cè)量結(jié)果有較大的影響，因此需要對(duì)直流母線電壓進(jìn)行線性補(bǔ)償；

（2）門(mén)極電阻雖然對(duì)IGBT關(guān)斷時(shí)的dV/dt產(chǎn)生了影響，但若采用高精度、低溫漂電阻，則其對(duì)IGBT結(jié)溫測(cè)量結(jié)果影響較?。?/p>

（3）雜散電感與突波吸收電容，對(duì)IGBT關(guān)斷過(guò)程中Vce迅速上升階段的dV/dt影響不大，不會(huì)對(duì)結(jié)溫測(cè)量造成影響。論文工作對(duì)研發(fā)基于dV/dt的IGBT結(jié)溫測(cè)量技術(shù)具有一定參考價(jià)值。

致謝：感謝英飛凌科技（中國(guó)）有限公司為相關(guān)研究工作提供技術(shù)與經(jīng)費(fèi)支持。

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Study on Effects of Different Factors on IGBT Thermal Sensitive Electrical Parameter dV/dt

YUAN Yichao,XIANG Dawei
（Department of Electrical Engineering,Tongji University,Shanghai 201804,China）

Junction temperature is an important condition variable for IGBT,which can be measured by monitoring the thermo-sensitive electrical parameter dV/dt.However,it is difficult to measure IGBT junction temperature accurately in a real system.In this paper,the effects of different factors,such as the DC voltage,gate resistor,stray inductance and snubber capacitor,on the IGBT thermal sensitive parameter dV/dt is studied.The effects is firstly analyzed theoretically and investigated by a series of double-pulse tests experimentally.It is hoped that the research results will provide some reference for the R&D of dV/dt based IGBT junction temperature measurement technique.

IGBT;dV/dt;Junction temperature measurement;stray inductance

袁逸超（1992-），男，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)，E-mail：1433144@#edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2016.6.35

TM 46

A

2016-08-11

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目（0800219334）

Project Supported by the Fundamental Research Funds for the Central Universities of China（0800219334）

向大為（1977-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：電力電子可靠性與狀態(tài)監(jiān)測(cè)、新能源發(fā)電、電機(jī)運(yùn)行與控制，E-mail：xdw_cqu@sina.com。