風電變流器IGBT模塊通斷延遲時間結溫探測模型研究

姚?芳，馬?靜，張彧碩，唐圣學，黃?凱，李志剛

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風電變流器IGBT模塊通斷延遲時間結溫探測模型研究

姚?芳1，馬?靜1，張彧碩2，唐圣學1，黃?凱1，李志剛1

(1. 省部共建電工裝備可靠性與智能化國家重點實驗室(河北工業大學)，天津 300130；2. 河北工業大學實驗實訓中心，天津 300130)

針對風電變流器中絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)開關，研究基于通斷延遲時間風電變流器IGBT模塊結溫探測方法．首先，從半導體物理機理視角分析了通斷延遲時間的溫敏機理和溫敏特性，明確了本征載流子濃度、電流增益和載流子遷移率等影響通斷延遲時間的物理因素．然后，設計IGBT模塊的動態測試試驗，測試不同母線電壓或不同集電極電流條件下，通斷延遲時間與結溫的關系，并對試驗結果進行分析．動態測試試驗采用雙脈沖法二極管鉗位電路，提高通斷過程柵極電壓和集電極電流的動態特性測試精度，采用恒溫控制底板加熱設備，控制IGBT芯片溫度．再后，對IGBT模塊開關過程中不同結溫下集電極電流和柵極電壓波形進行分析，考慮電壓電流影響的條件下，建立了基于開通及關斷延遲時間的結溫探測模型，并對比研究了模型精度．結果表明，基于關斷延遲時間的結溫探測精度較高、穩定性更強，且母線電壓越高或者集電極電流越低，則關斷延遲時間越大．最后，建立了基于關斷延遲時間的IGBT結溫探測模型，該模型考慮電壓和電流影響，擬合精度高，平均相對誤差小，可用于熱平衡態風電變流器的IGBT模塊的工作結溫探測．

風電變流器；IGBT模塊；結溫；通斷延遲時間

近年來隨著可再生能源的大幅度推廣和發展，風能成為技術相對成熟、有大規模開發條件且具有發展前景的可再生能源[1-2]，而風電機組及其主要功率器件的可靠性問題得到廣泛的關注和研究[3-4]．

風電變流器是風電機組與電網連接的關鍵控制通道，其核心IGBT功率開關模塊的可靠性對變流器、風電機組甚至整個風電系統的安全運行至關重?要[5]．而結溫是反映和影響功率半導體器件運行安全性及健康狀態的關鍵因素．風速不穩定性、間歇性和準周期性使風電IGBT模塊承載復雜的功率應力沖擊，進而導致結溫往復波動使得模塊各層結構承受熱應力循環[6]．由于模塊各層導熱系數不同，導致不同層材料往復膨脹收縮并不斷退化，最終使得IGBT模塊失效甚至對風電變流系統產生破壞性影響[7]．因此，研究風電工況IGBT模塊結溫探測方法對器件本身以及風電變流器的健康狀態和可靠性有重要影響.

目前國內外關于結溫探測方法的研究已經有一定的成果，溫敏參數法因其無需拆封器件、可在線測量且精度較高得到廣泛的研究和應用[8-10]．常用的溫敏參數有閾值電壓th、短路電流SC、集射極飽和壓降CEsat等[11]．文獻[12-13]研究了一種以集射極飽和壓降為溫敏參數建立實時結溫探測模型方法，詳細介紹了測試電路拓撲結構和探測方法．文獻[14]探討了一種基于IGBT模塊開通過程中米勒平臺電壓高度的結溫探測方法，并通過試驗驗證其可行性．文獻[15]建立了一種基于電壓對電流變化率的結溫在線監測模型，發現電壓對電流變化率與結溫存在正相關關系．現階段以開通或關斷延遲時間進行結溫探測的研究仍較少[16-17]．相關文獻并未對開通或關斷延遲時間兩種參數進行充足的試驗分析和對比研究，對于參數測試的影響因素分析不夠全面．

本文針對現階段仍存在的問題，從半導體物理機理角度分析了通斷延遲時間的溫敏特性，發掘參數與結溫之間的本質關系．設計了通斷延遲時間動態測試試驗．在考慮電壓與電流因素的影響下，對比分析了開通或關斷延遲時間的結溫探測精度．研究了考慮電壓電流影響的關斷延遲時間結溫探測模型建模方法．

1 ?通斷延遲時間理論研究

根據國標GB/T29332—2012，定義開通延遲時間don為柵極電壓上升至其幅值的10%的時刻開始至集電極電流上升至其幅值的10%的時間，上升時間r為集電極電流值從其幅值的10%上升到90%的時間．定義關斷延遲時間doff為從柵極電壓值下降至其幅值的90%的時刻開始至集電極電流值下降至其幅值的90%的時間，下降時間f為集電極電流值從其幅值的90%下降到10%的時間．通斷時間相關定義如圖1所示．

圖1? 通斷時間定義

開通時間on為開通延遲時間don與上升時間r的和，關斷時間off為關斷延遲時間doff與下降時間f之和，即

1.1 通斷時間溫敏機理

根據半導體物理機理，開通時間on和關斷時間off可以表示[18]為

式中：G為用戶定義的柵極電阻；GD為柵漏電容；S為電源電壓；F為MOSFET的正向電壓降；GEon為穩態柵射極電壓；j為芯片結溫；miller(j)為米勒平臺；ISS為關斷延遲時刻的輸入電容；L為流過負載的穩態電流；msat(j)為夾斷時的跨導；th(j)為閾值電壓．其中miller(j)、msat(j)及th(j)均為隨溫度變化的溫敏參數，可分別表示為

(6)

式中：為玻耳茲曼常量；i(j)為隨溫度變化的本征載流子濃度．

1.2?通斷延遲時間溫敏機理

根據半導體物理機理，開通延遲時間don可以表示[19]為

式中：GS為柵源電容；GS＋GD為開通延遲時刻的輸入電容ISS；g＋為用戶定義的柵極正壓．

根據半導體物理機理，關斷延遲時間doff可以表示[20]為

式中：fs為柵源跨導；GH為柵控電壓；dsmax為溝道電流最大值．

1.3?通斷過程時間參數溫敏特性關系

根據式(3)～(10)可知，溫度通過對本征載流子濃度i、電流增益pnp以及載流子遷移率等參量產生物化機理作用，進而影響閾值電壓th和跨導msat，最終在外特性上表現為對通斷過程的時間參數產生影響．總結通斷時間on和off與通斷延遲時間don和doff的溫敏特性關系如圖2所示，其中變量均隨溫度變化．

圖2 ?通斷過程時間參數溫敏特性關系

2?通斷延遲時間試驗研究

2.1?試驗設計

2.1.1?試驗電路和試驗工序設計

為研究開通延遲時間don及關斷延遲時間doff與結溫j、母線電壓C和集電極電流c的關系，需要設計結溫、母線電壓和集電極電流可控的試驗主電路，開通過程和關斷過程的瞬態集電極電流c和柵極電壓ge高速觸發測錄電路，試驗工序及其控制器，以及主電路、控制電路和測錄電路間的接口電路．

試驗采用帶恒溫控制的底板加熱設備，控制溫度恒定在設定值并加熱較長時間，以確保IGBT模塊3D溫度場各向零梯度、芯片結溫等于設定值．

圖3 ?試驗電路

測錄設定結溫、母線電壓和集電極電流時通斷過程瞬態集電極電流c和柵極電壓ge的試驗過程，由試驗工序控制器按圖4所示工作時序進行協調控制，試驗工序程序如下：

(1) 設定結溫、母線電壓和集電極電流；

(2) 調節主電路電源電壓至設定的母線電壓，開啟底板加熱設備，加熱至IGBT底板保持設定的結溫；

(3) 驅動IGBT和電源光耦開關SW2導通，電感充電；

(5) 試驗電流比較電路輸出低電平時，驅動電源光耦開關W2導通，電感充電；

圖4? 試驗控制時序圖

2.1.2?試驗方案設計

分別給定50A集電極電流c和200V母線電壓C，設計結溫與母線電壓可控、結溫與集電極電流可控的兩種試驗方案，如表1和表2所示．

表1? 試驗方案1，集電極電流c＝50A

Tab.1 ?Test scheme 1，collector current Ic＝50A

表2?試驗方案2，母線電壓C＝200V

Tab.2?Test scheme 2，bus voltage VC＝200V

2.2?試驗結果分析

表1和表2所設計的24組試驗方案下，測試得到開通及關斷過程的上下橋IGBT瞬態的集電極電流和柵極電壓．C＝200V、c＝50A試驗方案下瞬態開通和關斷過程集電極電流c和柵極電壓ge如圖5和圖6所示．

圖5 ?不同結溫下ic測試波形

圖6? 不同結溫下vge測試波形

由圖5和圖6可見：開通過程柵極電壓ge上升至13V并保持一段時間，集電極電流c平緩上升至50A并趨于穩定；關斷過程柵極電壓ge由15V快速下降至3V、產生米勒平臺、波動后趨于0V，集電極電流c逐漸下降至0A并趨于穩定；關斷過程ge米勒平臺高度隨結溫上升而增高，開通和關斷過程c隨結溫增大有規律性地移動．

3?考慮電壓電流影響的結溫探測模型

3.1?基于開通延遲時間的結溫探測

根據開通延遲時間定義，從試驗方案1(集電極電流50A，母線電壓100V、200V和300V)和試驗方案2(母線電壓200V，集電極電流20A、35A和50A)的上下橋IGBT開通及關斷過程的瞬態集電極電流c和柵極電壓ge的測試數據提取開通延遲時間．上下橋IGBT開通延遲時間don與結溫j的關系分別如圖7和圖8所示．圖中虛線為實測曲線，實線為擬合曲線．

從圖7和圖8擬合曲線走向可知，相同電流不同電壓時，電壓越大則開通延遲時間don越??；相同電壓不同電流時，電流越大則開通延遲時間don越大．

另外，開通延遲時間don隨結溫j的增大而減小，為負相關關系．根據其擬合結果可知，所有曲線擬合精度最高為0.83，最低為0.09，12組數據平均擬合精度為0.61，說明擬合精度較低，don線性度較差．因此，開通延遲時間don不適合作為計算結溫的溫敏參數．

圖8 ?下橋IGBT開通延遲時間tdon與結溫tj的關系

3.2?基于關斷延遲時間的結溫探測

根據關斷延遲時間定義，從試驗方案1和試驗方案2的上下橋IGBT開通及關斷過程的瞬態集電極電流c和柵極電壓ge的測試數據提取關斷延遲時間．上下橋臂IGBT關斷延遲時間doff與結溫j的關系分別如圖9和圖10所示．

從圖9和圖10擬合曲線走向可知，相同電流不同電壓時，電壓越大則關斷延遲時間doff越大；相同電壓不同電流時，電流越大則關斷延遲時間doff越小.

另外，關斷延遲時間doff隨結溫j的增大而增大，為正相關關系．根據其擬合結果可知，所有曲線擬合精度最高為0.999，最低為0.990，12組數據平均擬合精度為0.995，說明擬合精度較高，doff線性度較好．因此，關斷延遲時間doff適合作為計算結溫的溫敏參數．

對比圖7和圖8、圖9和圖10可知，測試不同橋臂時，don或doff的測試結果將整體等量偏移．這是由于測試不同橋臂時接線長短不同，而導致線路中的雜散電感電容不同，引起don或doff的整體移動．因此，只要保證在對比試驗中每次測試的線路模塊位置及接線長短不變，即保證對比試驗中雜散電感電容值一致，對每次時間參數的測量產生同樣的影響，即可保證don或doff與結溫關系的測試結果不受測試線路中雜散參數的影響．

圖9? 上橋IGBT關斷延遲時間tdoff與結溫tj的關系

圖10? 下橋IGBT關斷延遲時間tdoff與結溫tj的關系

3.3?關斷延遲時間結溫探測模型的構建

3.3.1?考慮電壓影響的結溫探測模型的構建

以上分析表明，不同電壓時關斷延遲時間doff精度較高，適合作為探測結溫數值的溫敏參數．不同電壓下關斷延遲時間doff與結溫j的關系模型可表?示為

式中1、2、1、2為不同電壓下關斷延遲時間溫度相關系數．

對圖9和圖10中不同電壓下關斷時間doff與結溫j依據式(11)進行擬合，為了驗證模型的精確度，選取30～70℃對應數據進行擬合計算，90℃對應數據進行精度驗證．得到上下橋臂溫度相關系數如表3所示．

表3? 不同電壓下溫度相關系數

Tab.3? Temperature coefficients under different voltages

表3中，上橋臂擬合精度為0.9951，下橋臂擬合精度為0.9979．根據該doff計算模型，可得90℃時不同電壓的doff，計算其平均相對誤差，可得上橋平均相對誤差為0.47%，下橋為0.51%．經驗證，該模型精度較高．不同電壓下doff與j的三維關系擬合圖如圖11所示．

構建考慮母線電壓的結溫探測模型

圖11 ?不同電壓下tdoff與tj三維擬合圖

對圖9和圖10中不同電壓下關斷延遲時間doff與結溫j依據式(12)進行擬合，得到上下橋臂溫度相關系數如表4所示．

表4? 不同電壓下結溫探測模型相關系數

Tab.4 Correlation coefficients of junction temperature detection model under different voltages

表4中，上橋臂和下橋臂的擬合精度分別為0.9794和0.9896，平均相對誤差分別為2.07%和1.66%，模型的探測精度較高，可用于結溫探測．

3.3.2 ?考慮電流影響的結溫探測模型的構建

以上分析表明，不同電流時關斷延遲時間doff精度較高，適合作為探測結溫數值的溫敏參數．不同電流下關斷延遲時間doff與結溫j的關系模型可表示為

式中1、2、1、2為不同電流下關斷延遲時間溫度相關系數．

對圖9和圖10中不同電流下關斷時間doff與結溫j依據式(13)進行擬合，為了驗證模型的精確度，選取30～70℃對應數據進行擬合計算，90℃對應數據進行精度驗證．得到上下橋臂溫度相關系數如表5所示．

表5? 不同電流下溫度相關系數

Tab.5? Temperature coefficients under different currents

表5中，上橋臂擬合精度為0.9958，下橋臂擬合精度為0.9987．根據該doff計算模型，可得90℃時不同電壓的doff，計算其平均相對誤差，可得上橋平均相對誤差為0.43%，下橋為0.13%．經驗證，該模型精度較高．不同電流下doff與j的三維關系擬合圖如圖12所示．

圖12 ?不同電流下tdoff與tj三維擬合圖

構建考慮集電極電流的結溫探測模型，即

對圖9和圖10中不同電流下關斷時間doff與結溫j依據式(14)進行擬合，得到上下橋臂結溫探測模型相關系數如表6所示．

表6? 不同電流下結溫探測模型相關系數

Tab.6 Correlation coefficients of junction temperature detection model under different currents

表6中，上橋臂和下橋臂的擬合精度分別為0.9904和0.9962，平均相對誤差分別為1.02%和1.39%，模型的探測精度較高，可用于結溫探測．

3.4 ?IGBT模塊結溫探測模型在風電工況的應用

本文所建IGBT模塊結溫探測模型，用于風電變流器IGBT模塊工作結溫探測時尚有幾點注意事項．以背靠背風電變流器網側的電壓源型三相逆變器為例進行說明．

(1) 鑒于所建IGBT模塊結溫探測模型的參數是根據IGBT模塊熱穩態時數據辨識得到的，故必須保證變流器及其IGBT模塊處于熱平衡態，即保持IGBT模塊承載穩定的電、熱應力．某風速值一般可持續幾秒甚至更久，遠大于IGBT模塊幾十毫秒的熱時間常數，使變流器可保持至少幾秒的熱平衡態，結溫探測錄波需要的電熱應力穩態條件得以具備．

(2) 基于變流器輸入、輸出的可測電氣量可直接或間接檢測到IGBT的直流母線電壓C和集電極電流有效值c；根據電路模型和控制策略可復現集電極電流c的暫態波形，確定關斷電流c的值，該值等于集電極電流有效值c作為關斷過程ge和c的觸發條件錄波條件，錄波后再根據關斷過程ge和c的暫態波形提取關斷延遲時間．

(3) 為測量IGBT模塊的關斷延遲時間，需對幾十納秒時間尺度的ge和c的暫態波形進行觸發錄波，無論是實驗室條件還是實際工況下，均需要依賴高速數據采集技術．目前，一般選用探頭有隔離的、采樣速率不低于1GS/s的高速高精度記憶示波器．

風電工況下電壓源型三相逆變器IGBT模塊結溫探測程序如圖13所示．

圖13? IGBT模塊工作結溫探測程序流程

4 ?結?論

(1) 從半導體物理機理角度分析，溫度通過本征載流子濃度i(j)對半導體本征能級與費米能級之間的電勢差B(j)產生影響，進而影響閾值電壓th(j)對通斷延遲時間產生不同程度的作用．

(2) 基于開通延遲時間進行結溫探測精度較低，數據穩定性較差．基于關斷延遲時間進行結溫探測精度較高，數據穩定性較好．因此，選用關斷延遲時間作為溫敏參數進行結溫探測．

(3) 母線電壓C越高或集電極電流c越低則關斷延遲時間越長．考慮母線電壓或集電極電流影響，建立基于關斷延遲時間的結溫探測模型，該模型精度相對較高，可推廣用于風電工況結溫探測．

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Study on Junction Temperature Detection Model Based on Turn-on and-off Delay Time of IGBT Modules in Wind Power Converters

Yao Fang1，Ma Jing1，Zhang Yushuo2，Tang Shengxue1，Huang Kai1，Li Zhigang1

(1. State Key Laboratory of Reliability and Intelligence of Electrical Equipment，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China；2. Experimental Training Center，Hebei University of Technology，Tianjin 300130，China)

This study investigates the junction temperature detection method based on turn-on and-off delay time of insulated gate bipolar transistor(IGBT)modules for IGBT switches in wind power converters．The results are important in monitoring the thermal safety and reliability of wind power converters． First，the temperature-sensitive characteristics and mechanism of turn-on and-off delay time are analyzed by considering the physical mechanism of semiconductors．The physical factors that influence turn-on and-off delay time，such as intrinsic carrier concentration，current gain，and carrier mobility，were defined．Furthermore，the IGBT modules were tested to detect the dynamic characteristics and explore the relations between turn-on and-off delay time and junction temperature under various bus voltages or collector currents．Moreover，the test results were analyzed．Diode clamping circuit and double-pulse method were used in the test．Thus，the measurement accuracy of dynamic characteristics of gate voltage and collector current during the on-off process was improved．The constant temperature control floor was used to heat the module sample and maintain its thermal balance．In addition，the waveform of collector current and gate voltage under various junction temperatures in the switching process of the IGBT module were analyzed．Considering the influence of voltage and current，the junction temperature detection models based on turn-off delay time were established and the detection accuracy rates of these models were compared． The results showed that the junction temperature detection accuracy and stability based on turn-off delay time were higher． When the bus voltage was higher or the collector current was lower，the turn-off delay time was longer．Finally，a junction temperature detection model based on turn-off delay time was established by considering the influence of voltage or current．The validation showed that the IGBT module junction temperature detection model based on turn-on and-off delay time was characterized by high fitting accuracy and small average relative error．Furthermore，the model can be used to detect the working junction temperature of the IGBT module of the wind power converter when thermal balance is maintained．

wind power converter；IGBT module；junction temperature；turn-on and-off delay time

TM46

A

0493-2137(2019)08-0862-09

10.11784/tdxbz201809018

2018-09-07；

2019-02-03.

姚?芳（1972—），女，博士，教授，yaofang@hebut.edu.cn.

唐圣學，tsx@hebut.edu.cn.

國家科技支撐計劃資助項目(2015BAA09B01)；國家自然科學基金資助項目(51377044)；河北省自然科學基金資助項目(E2017202284)；河北省教育廳青年基金資助項目(QN2017316).

the National Science and Technology Support Program(No.2015BAA09B01)，the National Natural Science Foundation of China (No.51377044)，the Natural Science Foundation of Hebei Province，China(No.E2017202284)，the Youth Foundation of Hebei Province，China(No.QN2017316).

(責任編輯：孫立華)