[發(fā)明專利]半導(dǎo)體功率器件動(dòng)態(tài)結(jié)溫的實(shí)時(shí)在線預(yù)測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711273620.2
• 申請日: 2017-12-06
• 公開（公告）號: CN108072821B
• 公開（公告）日: 2018-11-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 姚瑱;余國軍;苗茂宇;徐小軍;錢巍;李勇;徐正華
• 申請（專利權(quán)）人: 南京埃斯頓自動(dòng)控制技術(shù)有限公司
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務(wù)所 32237
• 代理人: 程化銘

本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體功率器件動(dòng)態(tài)結(jié)溫的實(shí)時(shí)在線預(yù)測方法，其特征在于復(fù)用原系統(tǒng)閉環(huán)控制所必須的電參數(shù)采樣值，離散化計(jì)算功率器件損耗，結(jié)合優(yōu)化擬合的離散化動(dòng)態(tài)熱阻模型，通過在線迭代計(jì)算獲得功率器件的實(shí)時(shí)結(jié)溫。本發(fā)明的優(yōu)勢如下：復(fù)用系統(tǒng)閉環(huán)控制所必須的電參數(shù)采樣值作為輸入，不增加任何額外的系統(tǒng)硬件電路和成本；采用離散化迭代計(jì)算的思想，能夠最大限度的節(jié)約處理器的資源，實(shí)現(xiàn)在線計(jì)算，并且保證動(dòng)態(tài)結(jié)溫計(jì)算的實(shí)時(shí)性；創(chuàng)新性的使用優(yōu)化擬合的離散化動(dòng)態(tài)熱阻模型進(jìn)行迭代計(jì)算，在保證功率器件動(dòng)態(tài)結(jié)溫計(jì)算的實(shí)時(shí)性的同時(shí)，還保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，能夠滿足保護(hù)、壽命預(yù)測、可靠性設(shè)計(jì)等要求且很好的契合實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體功率器件結(jié)溫預(yù)測檢測方法，具體說是一種半導(dǎo)體功率器件動(dòng)態(tài)結(jié)溫的實(shí)時(shí)在線預(yù)測方法。

背景技術(shù)

近年來，半導(dǎo)體功率器件作為工業(yè)自動(dòng)化、交通運(yùn)輸、智能電網(wǎng)、新能源等領(lǐng)域的核心零部件，其可靠性相關(guān)的研究已經(jīng)成為國際國內(nèi)高等院校、科研機(jī)構(gòu)及大中型高新企業(yè)研究的熱點(diǎn)。半導(dǎo)體功率器件的結(jié)溫是決定其壽命的最關(guān)鍵參數(shù)，研究表明60％的半導(dǎo)體功率器件失效都是由于內(nèi)部結(jié)溫過高造成的，幾乎所有的功率器件機(jī)械失效都源于結(jié)溫波動(dòng)引起的功率循環(huán)和熱循環(huán)。

目前在針對半導(dǎo)體功率器件結(jié)溫的獲取方法主要有三種：

(1)直接測量法：通過使用溫度傳感器、熱成像儀等設(shè)備直接測量功率器件內(nèi)部芯片的結(jié)溫。如專利CN103954900A《一種測量IGBT穩(wěn)態(tài)熱阻值的方法》所述，將IGBT器件的正面開帽，完全露出IGBT器件的芯片表面，將IGBT器件固定在帶有小孔的散熱片上，在小孔中插入熱偶，使熱偶的一端與IGBT器件的背面的外殼接觸，熱偶的另一端連接測試設(shè)備。根據(jù)施加電壓的電壓值，管殼溫度、表面溫度和環(huán)境溫度，分別計(jì)算得到IGBT器件的結(jié)殼熱阻值和結(jié)到環(huán)境的熱阻值。該方法使用熱電偶對功率器件結(jié)溫進(jìn)行直接測量，此類方法存在以下缺點(diǎn)：①功率器件集成度比較高，在芯片旁邊安裝溫度傳感器需要比較高的工藝要求且廢品率高，對內(nèi)部芯片之間的耐壓和絕緣水平也會(huì)造成一定影響，很大程度降低了功率器件的可靠性。內(nèi)埋溫度傳感器的功率器件一般僅能夠應(yīng)用于測量研究，不能作為批量產(chǎn)品使用；②常規(guī)溫度傳感器具有較大的熱時(shí)間常數(shù)，無法用于功率器件動(dòng)態(tài)結(jié)溫度的獲取，只能用于穩(wěn)態(tài)結(jié)溫的獲取。為了動(dòng)態(tài)結(jié)溫獲取而制作的溫度傳感器直徑非常小，很容易損壞，只能用于測量研究，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化；③使用熱成像儀進(jìn)行結(jié)溫測量，需要對功率器件進(jìn)行破壞，并對芯片表面進(jìn)行黑化處理，相比于溫度傳感器，此方法雖然能夠獲得良好的響應(yīng)和精度，但會(huì)對功率器件的封裝、絕緣造成不可逆破壞，該方法同樣不能用于產(chǎn)品化。

(2)間接測量法：通過測量功率器件的熱敏電參數(shù)來間接折算獲得結(jié)溫。如專利CN106199367A《一種IGBT結(jié)溫的測量裝置》所述，通過檢測功率開關(guān)器件的關(guān)斷延遲，結(jié)合導(dǎo)通電流來判斷功率器件芯片的結(jié)溫。此外通過功率器件的熱敏電參數(shù)來間接獲取結(jié)溫的實(shí)際案例還有很多，如通過門級開啟電壓、門級米勒平臺電壓、門級米勒平臺持續(xù)時(shí)間和導(dǎo)通壓降等，但此類方法也存在缺陷：①功率器件的熱敏電參數(shù)通常和系統(tǒng)閉環(huán)控制所需的電參數(shù)不同，需要在系統(tǒng)硬件架構(gòu)上額外增加檢測電路，勢必會(huì)增加硬件成本；②功率器件熱敏電參數(shù)的測量必須實(shí)時(shí)、精確，對測量電路、采樣電路的性能和設(shè)計(jì)提出了較高的要求，實(shí)際工程應(yīng)用困難會(huì)有一定的困難；③功率器件熱敏電參數(shù)與結(jié)溫的線性關(guān)系通常只在較小的范圍內(nèi)成立，該方法難以覆蓋全范圍的結(jié)溫獲取。

(3)直接功耗計(jì)算法：通過建立功率器件功耗和熱阻的數(shù)學(xué)模型，用數(shù)學(xué)計(jì)算的方法來估算模塊的結(jié)溫。如專利CN103956887A《風(fēng)電變流器IGBT模塊結(jié)溫在線測試方法》所述，通過功率器件損耗的數(shù)學(xué)模型計(jì)算功率器件的損耗，結(jié)合穩(wěn)態(tài)熱阻計(jì)算出功率器件的穩(wěn)態(tài)結(jié)溫。以上專利使用穩(wěn)態(tài)熱阻(常數(shù))，計(jì)算的是穩(wěn)態(tài)結(jié)溫度。當(dāng)計(jì)算動(dòng)態(tài)結(jié)溫時(shí)，要用到動(dòng)態(tài)熱阻模型(4階Foster模型)，直接采用上述方法計(jì)算會(huì)耗費(fèi)很多CPU資源，實(shí)時(shí)性也難以保證，實(shí)際工程應(yīng)用上鮮有采用此類方法進(jìn)行動(dòng)態(tài)結(jié)溫的實(shí)時(shí)在線計(jì)算的案例。

發(fā)明內(nèi)容