大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法

本發(fā)明涉及電力電子，具體地，涉及大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法。

背景技術(shù)：

1、功率器件作為電力電子系統(tǒng)中的核心部件，是引起電力電子系統(tǒng)故障的最主要因素之一，而功率器件的老化失效通常是由器件承受長(zhǎng)期的結(jié)溫波動(dòng)引起的。因此，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)功率器件在工況下的結(jié)溫，對(duì)電力電子系統(tǒng)可靠性的評(píng)估具有重大意義。其中，利用大電流下的導(dǎo)通壓降作為溫敏參數(shù)預(yù)測(cè)結(jié)溫，因具有侵入性低、響應(yīng)快等優(yōu)勢(shì)而被廣泛采用。

2、為了利用大電流下的導(dǎo)通壓降預(yù)測(cè)功率器件的結(jié)溫，必須先整定大電流下導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系?，F(xiàn)有整定方法通常在溫箱中進(jìn)行，對(duì)器件通入脈沖電流以測(cè)量不同溫度下的導(dǎo)通壓降。在這樣的整定方法中，器件的結(jié)溫由溫箱加熱進(jìn)行控制，器件內(nèi)部溫度均勻分布且等于溫箱的溫度。而在實(shí)際工況中，功率器件運(yùn)行在開關(guān)狀態(tài)下，結(jié)溫的升高由器件的損耗自熱導(dǎo)致，內(nèi)部溫度分布不均勻。這樣的差別會(huì)導(dǎo)致在實(shí)際工況下，器件內(nèi)部封裝材料(如鍵合線、連接端子)的溫度與整定時(shí)不同，產(chǎn)生的壓降也不同，從而導(dǎo)致結(jié)溫測(cè)量的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法。

2、根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，包括：

3、獲取恒定小電流下導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系；

4、通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制被測(cè)器件的開關(guān)狀態(tài)，使流經(jīng)所述被測(cè)器件的電流為幅值固定、占空比固定的方波電流，所述方波電流的最大值為設(shè)定的大電流值，最小值為零；

5、在所述開關(guān)狀態(tài)下，通過控制電路運(yùn)行條件設(shè)定所述被測(cè)器件的自熱條件，通過控制散熱器溫度設(shè)定所述被測(cè)器件的外熱條件；當(dāng)所述被測(cè)器件在所述自熱條件與所述外熱條件下運(yùn)行達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后，測(cè)量所述被測(cè)器件的電流、大電流下導(dǎo)通壓降以及參考點(diǎn)溫度；

6、通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述被測(cè)器件閉鎖，待流經(jīng)所述被測(cè)器件的電流降為零后立刻通過驅(qū)動(dòng)信號(hào)使所述被測(cè)器件導(dǎo)通，并注入恒定小電流測(cè)量所述被測(cè)器件的結(jié)溫；

7、改變所述電路運(yùn)行條件與所述散熱器溫度，使所述被測(cè)器件工作在不同的所述熱穩(wěn)態(tài)，測(cè)量所述被測(cè)器件在所述設(shè)定的大電流下的多組大電流下導(dǎo)通壓降、參考點(diǎn)溫度與結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)；

8、利用線性方程擬合所述被測(cè)器件在所述設(shè)定的大電流下的導(dǎo)通壓降、參考點(diǎn)溫度與結(jié)溫之間的關(guān)系。

9、優(yōu)選地，所述被測(cè)器件為功率半導(dǎo)體器件，包括可控型功率半導(dǎo)體器件和功率二極管，所述功率半導(dǎo)體器件的封裝采用基于模塊、壓接、分立式封裝技術(shù)的一種或多種；所述功率半導(dǎo)體器件的材料采用基于硅、碳化硅、氮化鎵的一種或多種。

10、優(yōu)選地，所述獲取恒定小電流下導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系，包括：

11、將所述被測(cè)器件放置于溫箱中或加熱板上；

12、通入恒定小電流并改變所述溫箱或所述加熱板的溫度，記錄不同溫度對(duì)應(yīng)的小電流下導(dǎo)通壓降；

13、擬合小電流下導(dǎo)通壓降與結(jié)溫的線性關(guān)系式，用于整定過程中的結(jié)溫測(cè)量。

14、優(yōu)選地，在保持設(shè)定的大電流不變的條件下，通過改變電路運(yùn)行條件能夠改變所述被測(cè)器件的損耗，從而改變所述被測(cè)器件的自熱條件；

15、所述電路運(yùn)行條件包括母線電壓、開關(guān)頻率、占空比、驅(qū)動(dòng)電阻中的一種或多種。

16、優(yōu)選地，所述參考點(diǎn)溫度包括所述被測(cè)器件的殼溫、散熱器溫度、功率模塊內(nèi)集成的熱電阻溫度。

17、優(yōu)選地，所述散熱器具有加熱與冷卻功能，所述參考點(diǎn)溫度隨著所述散熱器的溫度改變而改變；所述參考點(diǎn)溫度能夠設(shè)定為恒定值。

18、優(yōu)選地，所述利用線性方程擬合所述被測(cè)器件在所述設(shè)定的大電流下的導(dǎo)通壓降、參考點(diǎn)溫度與結(jié)溫之間的關(guān)系，包括：

19、考慮器件內(nèi)部溫度分布的影響，獲得關(guān)系式：

20、vce?＝?kj·tj?+?ki·ti?+?c?(1)

21、其中，vce為所述被測(cè)器件的大電流下導(dǎo)通壓降，kj為結(jié)溫tj的溫度系數(shù)，ki為封裝材料溫度ti的溫度系數(shù)，c為ti和tj均為0時(shí)的導(dǎo)通壓降值；

22、用結(jié)溫和參考點(diǎn)溫度替換所述關(guān)系式的封裝材料溫度ti，則所述被測(cè)器件在達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后的導(dǎo)通壓降表示為結(jié)溫和參考點(diǎn)溫度的線性函數(shù)，具體為：

23、vce＝kj’·tj+kr·tr+c?(2)

24、其中，kj’為進(jìn)行溫度替換后結(jié)溫tj的溫度系數(shù)，kr為參考點(diǎn)溫度tr的溫度系數(shù)。

25、優(yōu)選地，所述用結(jié)溫和參考點(diǎn)溫度替換所述關(guān)系式的封裝材料溫度ti，包括：

26、當(dāng)所述被測(cè)器件達(dá)到熱穩(wěn)態(tài)后，將其封裝材料溫度用結(jié)溫和參考點(diǎn)溫度的線性組合表示為：

27、ti＝α·tj+(1-α)·tr?(3)

28、ti為封裝材料溫度，tj為被測(cè)器件結(jié)溫，tr為所述參考點(diǎn)溫度，α為三種溫度之間的關(guān)系系數(shù)；

29、將所述線性組合代入所述關(guān)系式中，整理后獲取kj’、kr取值，kj’＝kj+α·ki，kr＝ki-α·ki。

30、優(yōu)選地，對(duì)于不同的大電流與驅(qū)動(dòng)電壓值，所述大電流下導(dǎo)通壓降、參考點(diǎn)溫度與結(jié)溫之間的關(guān)系也不同。

31、優(yōu)選地，當(dāng)整定結(jié)果用于結(jié)溫預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)保證所述參考點(diǎn)的選取與整定大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系時(shí)所用參考點(diǎn)相同，通過測(cè)量被測(cè)器件的大電流下導(dǎo)通壓降與參考點(diǎn)溫度以計(jì)算結(jié)溫。

32、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明實(shí)施例至少具有如下的一種有益效果：

33、本發(fā)明實(shí)施例中的大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，能靈活控制整定時(shí)器件的自熱與外熱條件，并考慮了器件內(nèi)部溫度分布對(duì)導(dǎo)通壓降的影響，從而提高了使用大電流下導(dǎo)通壓降預(yù)測(cè)結(jié)溫的準(zhǔn)確性。

技術(shù)特征：

1.一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，包括：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，所述被測(cè)器件為功率半導(dǎo)體器件，包括可控型功率半導(dǎo)體器件和功率二極管，所述功率半導(dǎo)體器件的封裝采用基于模塊、壓接、分立式封裝技術(shù)的一種或多種；所述功率半導(dǎo)體器件的材料采用基于硅、碳化硅、氮化鎵的一種或多種。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，所述獲取恒定小電流下導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系，包括：

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，在保持設(shè)定的大電流不變的條件下，通過改變電路運(yùn)行條件能夠改變所述被測(cè)器件的損耗，從而改變所述被測(cè)器件的自熱條件；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，所述參考點(diǎn)溫度包括所述被測(cè)器件的殼溫、散熱器溫度、功率模塊內(nèi)集成的熱電阻溫度。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，所述散熱器具有加熱與冷卻功能，所述參考點(diǎn)溫度隨著所述散熱器的溫度改變而改變；所述參考點(diǎn)溫度能夠設(shè)定為恒定值。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，所述利用線性方程擬合所述被測(cè)器件在所述設(shè)定的大電流下的導(dǎo)通壓降、參考點(diǎn)溫度與結(jié)溫之間的關(guān)系，包括：

8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，所述用結(jié)溫和參考點(diǎn)溫度替換所述關(guān)系式的封裝材料溫度ti，包括：

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，對(duì)于不同的大電流與驅(qū)動(dòng)電壓值，所述大電流下導(dǎo)通壓降、參考點(diǎn)溫度與結(jié)溫之間的關(guān)系也不同。

10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其特征在于，當(dāng)整定結(jié)果用于結(jié)溫預(yù)測(cè)時(shí)，應(yīng)保證所述參考點(diǎn)的選取與整定大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系時(shí)所用參考點(diǎn)相同，通過測(cè)量被測(cè)器件的大電流下導(dǎo)通壓降與參考點(diǎn)溫度以計(jì)算結(jié)溫。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供了一種大電流開關(guān)狀態(tài)下功率器件導(dǎo)通壓降與結(jié)溫關(guān)系整定方法，其使被測(cè)器件工作在開關(guān)狀態(tài)下，流過器件的大電流為幅值固定、占空比固定的方波電流，并通過控制電路運(yùn)行條件與散熱器溫度設(shè)定其運(yùn)行結(jié)溫與參考點(diǎn)溫度；在器件運(yùn)行到熱穩(wěn)態(tài)后，測(cè)量其導(dǎo)通壓降以及參考點(diǎn)溫度，隨后切除大電流并向被測(cè)器件注入恒定小電流測(cè)量其結(jié)溫；將封裝材料的等效溫度用參考點(diǎn)溫度表征，并擬合大電流下導(dǎo)通壓降、參考點(diǎn)溫度以及結(jié)溫三者之間的線性關(guān)系式。本發(fā)明能靈活控制整定時(shí)器件的自熱與外熱條件，并考慮了封裝材料溫度對(duì)導(dǎo)通壓降的影響，從而提高了使用大電流下導(dǎo)通壓降預(yù)測(cè)結(jié)溫的準(zhǔn)確性。

技術(shù)研發(fā)人員：馬柯,盧冠宇,蔡旭,黃峰一,熊春,姜圳,沈慧斌
受保護(hù)的技術(shù)使用者：上海交通大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/30