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基于热敏感电参数法的大容量IGBT模块结温的在线

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-09-01 15:29    点击量:

    论文背景以IGBT为代表的全控型电力电子器件在柔性直流电源输电、电力牵引机车、新能源发电等场合的应用愈来愈广泛,逐步成为大容量电力变流装备的主流功率器件之一.

基于热敏感电参数法的大容量IGBT模块结温的在线
    在大功率变流器系统中,功率器件的高失效率成为制约变流器系统长期安全可靠运行的关键因素.据电力电子系统的可靠性调研报告显示,功率器件在整个变流系统中是失效率最高的部件,约占34%比重.此外,在所有引发变流器各类失效故障的因素当中,近55%的电力电子系统失效故障是由温度因素引发.因此,如何在变流器运行过程中,对IGBT功率模块内部的动态结温进行检测与监控,是提高功率模块及变流器系统可靠性的关键.

    有助于打破传统粗放式、大裕量的经验化设计准则,从而提升我国大容量变流器装备可靠性与竞争力.论文所解决的问题及意义IGBT芯片通常被塑封在模块内部,芯片本身具有难以直接接触与观测的特点.热敏感电参数(Temperature Sensitive Electrical Parameter)法是利用芯片本身作为温度传感部件,将其自身难测的内部温度信息反映在模块外部易测的电气信号上.通过对热敏感电参数的电气量进行在线测量,即可对芯片结温进行逆向提取.

    如何实现对IGBT模块热敏感电气参数的非破坏性、低成本的提取,是解决结温在线测量的首要问题.论文结合高压大功率IGBT模块的自身封装特点,提出了基于IGBT模块内部辅助电感LeE上感应电压veE的动态电参数提取方法.该方法实现了将动态的高压大电流变量转化为低压电气量的间接测量,为研究动态热敏感电气参数与器件温度的相关性提供了基础.

    其次,现有的热敏感电参数法主要集中在IGBT等有源器件领域,较少涉及P-i-N二极管类无源器件.如何将动态热敏感电参数法拓展至P-i-N二极管,是动态热敏电参数法在无源器件应用中的问题之二.论文充分发掘P-i-N二极管与IGBT模块的换流机制,提出利用IGBT开通时刻提取P-i-N 二极管结温的热敏感电参数法.该方法可实现对大功率IGBT模块内部有源芯片与无源芯片动态结温的同时检测.

    最后,如何从硬件需求、控制需求和工况需求的角度出发, 构建候选热敏感电参数综合性能的评价指标体系,是解决热敏感电参数法在线应用的问题之三.论文将IGBT开关过程中所测感应电压veE波形分别以横向时间轴、纵向幅值轴以及二维坐标系中面积信息为参考进行比较分析.该方法不仅可提取所有与集电极电流有关的动态热敏感电参数,同时还可对所提取的各类电参数进行分类,为寻找适用于工程应用的最优候选热敏感电参数提供了理论依据.

    3论文重点内容3.1 基于动态热敏感电参数的IGBT结温在线提取方法多芯片并联运行是单一功率模块扩容最直接,最有效的方式.以英飞凌公司的3.3kV/1.5kA大功率IGBT模块(FZ1500R33HL3)为例,图1 显示了其外形图以及等效原理图.

    大功率IGBT模块外貌图及其内部等效电路图图 1 大功率IGBT模块外貌图及其内部等效电路图图2 显示了IGBT模块在感性负载条件下的典型关断瞬态过程.由图2可知,IGBT器件的关断延迟时间的定义为t0至t3的时间段.门极电流变化dige/dt在第1阶段内引起的正向电压跳变vek可作为关断延迟时间的起点.同时,在第4阶段初始时刻,集电极电流变化dic/dt引起的负向电压跳变vkE可作为关断延迟时间的终点.因此,通过对感应电压veE的实时监测,即可提取受结温影响的关断延迟时间变化来提取IGBT器件的动态结温.

    考虑杂散参数的IGBT关断过程图 2 考虑杂散参数的IGBT关断过程图3 显示了基于关断延迟时间的热敏感电气参数法对大功率IGBT模块(英飞凌FF1000R17IE4)在线提取结温波动的实验结果.

    IGBT模块在负载电流频率为50Hz时结温变化曲线图 3 IGBT模块在负载电流频率为50Hz时结温变化曲线 (母线电压=1050V、负载电流=550A、开关频率=2.5 kHz)3.2 基于动态热敏感电参数的高压 P-i-N 二极管结温在线提取方法在电压源型逆变电源中,其典型换流模态是上下桥臂之间IGBT开关管与P-i-N二极管的换流.考虑换流回路及模块内部杂散参数的两电平电路如图4所示.

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