不同因素对IGBT温敏参数dv/dt有什么影响？

引言

 

结温是IGBT功率模块中功率器件的重要状态变量，能直接反映器件安全裕量、健康状态及运行性能等。然而由于模块封闭式结构、器件芯片尺寸小且温度分布不均等原因，IGBT模块的结温测量十分困难。目前，基于温敏电参数法（如IGBT关断时的电压变化率dv/dt）的IGBT结温测量技术能够有效解决以上局限性，是目前该技术发展的一个主要方向[1-3]。对于基于dv/dt的IGBT结温测量方法，首先需要通过自标定实验获得温敏参数dv/dt、IGBT结温Tj以及电流i之间的温敏特性关系；然后根据标定得到的温敏特性关系与变流器运行过程中监测得到的dv/dt与i，计算出IGBT的真实运行结温[4]。然而在实际系统中，电路中往往存在寄生电感、突波吸收电容，且运行过程中直流电压也存在一定的波动，此外IGBT的门极电阻也会由于温漂而发生变化。

 

这些因素的变化可能改变实际系统中IGBT温敏特性从而IGBT结温测量的结果存在一定的误差。为评估这些因素对IGBT温敏参数dv/dt以及结温测量的影响，论文通过理论分析与实验研究的方法开展了一系列研究，相关工作对进一步研发基于dv/dt的IGBT结温测量技术具有一定参考价值。

 

基于dv/dt的IGBT结温测量方法

 

IGBT关断过程中电压的变化率dv/dt与流过IGBT的电流以及器件的结温有关。由于兼具灵敏高以及便于测量等优点，因此dv/dt已成为用于IGBT结温测量中最常用的温敏参数之一[5, 8]。

 

基于dv/dt的IGBT结温测量系统如图1(a) 所示。在处于开关工作状态的变流器中，通过监测变流器输出相电压的电压变化率与相电流，获得结温的相关信息。特别需要指出，当电流方向不同时，对应的IGBT关断引起相电压变化的dv/dt定义如图1(b) 所示。相电压上升或下降沿分别对应了下管IGBT和上管IGBT的关断过程。此处的dv/dt定义为从直流母线电压的10%到90%的平均电压变化率。

 

 

图1. 基于dv/dt的IGBT结温测量方法

 

IGBT结温测量步骤如图1(c) 所示。首先对待测IGBT进行标定实验，获得IGBT关断时的dv/dt与结温，电流的关系dv/dt=f (Tj , i)。该关系可以用一张三维图来表示。根据此关系，对监测获得的变流器相电压的电压变化率与电流通过插值查表的方法，计算得到IGBT的结温。

 

影响温敏参数dv/dt的因素

 

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IGBT的关断过程

 

为了研究影响温敏参数dv/dt以及IGBT结温测量的因素，首先需要了解IGBT关断的物理过程(如图2所示）。

 

 

 

图2. 温敏参数dv/dt 随温度变化的物理机理

(可左右滑动查看)

 

利用图2可对温敏参数dv/dt随温度变化的物理机理进行解释：在IGBT关断过程的第3阶段（图2（a）），Vce电压随耗尽层的扩大而迅速上升（图2（b））。Vce上升速度（即dv/dt）由基区（n- base region）中存储载流子清除的快慢决定。随着温度增加，从集电极侧清出的载流子复合过程变慢（emitter recombination parameter hp=hp0 (Tj0/Tjk)下降）而从沟道侧流入的电流主要受门极影响（包括MOS channel conductance Kp、MOS thresh hold voltage Vth、 载流子迁移率μn/μp）而增加，电压上升过程变慢。随着负载电流IL增加，空间载荷区有效载流子浓度增加，使得关断电压上升速度加快。

 

2

直流电压对dv/dt的影响

 

在IGBT关断过程的第3阶段，门极电流ig为米勒电容充电，使得Vce≈Vgc迅速上升。在此阶段，米勒电容等于固定的氧化层电容COX与变化的栅氧层下半导体电容CS并联的情况。此时，集电极的电压变化率如式(1)所示：

 

 

 

其中栅氧层电容COX固定不变，而栅氧层下半导体电容CS则随Vce迅速上升导致耗尽层宽度增加而减小，考虑其电压的依赖关系，有：

 

 

 

其中A1是沟槽栅与N基区的交叠面积，εS是硅的介电常数，W是耗尽层宽度，并随着电压的增长而增加。

 

如式（1）-（2）所示，随着直流电压的增加CS会有所减小，在门极电流ig基本不变的情况下dv/dt将增加。

 

3

变流器硬件参数对dv/dt的影响

 

实际系统中变流器结构会影响门极电阻、杂散电感以及突波吸收电容等硬件参数。

 

随着门极电阻的增长，门极电流ig逐渐减小。由（1）可得，在直流电压不变的情况下（即栅氧层下半导体电容CS保持不变），ig减小从而导致dv/dt减小。

 

杂散电感主要对IGBT关断的第4阶段产生影响。此时dic/dt在杂散电感LS两端产生感应电动势，与二极管导通压降共同作用，使Vce形成电压过冲。由于论文中定义的温敏参数dv/dt是第3阶段中Vce的电压变化率，因此杂散电感对dv/dt无影响。

 

突波吸收电容在主电路中的作用主要是吸收IGBT高频开关过程中的浪涌电压，主要对IGBT关断过程中的第4阶段产生影响。因此，突波吸收电容对第3阶段的电压变化率dv/dt基本无影响。

 

实验研究

 

1

实验系统

 

论文以1700V/450A的IGBT模块（Infineon FF450R17ME4）搭建的H桥实验电路为例，利用双脉冲实验研究不同因素对IGBT关断过程电压变化率的影响，并评估其对结温测量结果的影响。实验通过电压电流探头经示波器测量数据并传送至电脑，利用Matlab进行数据分析，获得不同因素下IGBT关断时的电压变化率。

 

 

图3. 实验系统图

 

 

表1. 实验系统基本数据

 

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实验结果

 

在IGBT电流ic=280A时，不同因素下测得的IGBT关断电压变化率dv/dt的变化情况如图4-7所示。

 

 

 

 

 

 

 

表1. 不同因素及结温与dv/dt的关系

 

对表1数据进行分析可知，IGBT结温与其关断时的dv/dt基本呈线性关系，结温越高，dv/dt越小。

 

直流母线电压VDC对IGBT关断时的dv/dt产生了影响。电压越高，IGBT关断时的dv/dt越大。直流电压VDC与dv/dt基本呈线性关系。当直流母线电压从898V下降到845V时dv/dt变化约4.5%，按表1中dV/dt的温度特性进行估计，53V直流电压的变化两可引起结温估算误差达到 21°C。因此，实际结温测量时需同时监测直流母线电压并进行线性补偿。

 

不同门极电阻对IGBT关断时的dv/dt产生了影响。门极电阻越大，IGBT关断时的dv/dt则越小。普通金属膜电阻温漂系数典型值为±100ppm/°C，按表1中dv/dt的温度特性估计，环境温度变化时（-10°C到+40°C），金属膜电阻温漂引起结温估算误差约为11°C。若采用高精度电阻（温漂系数为±25ppm/°C），环境温度变化引起结温估算误差小于3°C，基本可以忽略。

 

不同杂散电感，不同突波吸收电容均对IGBT关断时的dv/dt基本无影响。

 

结论

 

论文通过理论分析与实验研究了不同因素对IGBT温敏参数dv/dt的影响。研究结果表明：

 

（1）在实际系统中，直流母线电压对基于dv/dt的IGBT结温测量结果有较大的影响，因此需要对直流母线电压进行线性补偿；

 

（2）门极电阻虽然对IGBT关断时的dv/dt产生了影响，但若采用高精度、低温漂电阻，则其对IGBT结温测量结果影响较小；

 

（3）杂散电感与突波吸收电容，对IGBT关断过程中Vce迅速上升阶段的dv/dt影响不大，不会对结温结温测量造成影响。论文工作对研发基于dv/dt的IGBT结温测量技术具有一定参考价值。