胡 洋，马智浩，李 策，沈 翃，万晓航

（河北工业职业技术学院 工业基础部，河北 石家庄 050091）

引言

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种电压控制的MOS/双极复合型器件，同时具备了单极型器件和双极型器件的优点，是风电机组中风电变流器的主要组成器件之一[1-3]。

在风电变流器实际工况中，由于IGBT 承受间歇性功率循环，其各层结构往复膨胀收缩，材料热物性参数随之退化，导致结温失控性升高，进而影响IGBT 模块甚至风电机组的可靠性[4-5]，因此实时监测IGBT 的结温对评估模块和变流器的工作性能及健康状态具有重要意义[6-7]。

现有关于IGBT 实时结温监测的方法以温敏参数法为主，一般都需要搭建特制的栅极驱动电路或高精度测试电路，因此这方面的研究仍集中在理论方面[8-10]。而从瞬态热阻抗Zth(j-c)角度对IGBT 进行实时结温监测的研究较少，本文创新性的研究了IGBT 常见的两种工作模式，即实验室下的恒直流模式和工况下的开关模式，从数值分析角度探索恒直流模式下瞬态热阻抗对开关模式的适用性，最后给出了工况下IGBT 模块实时结温监测流程图，对工况IGBT 实时结温监测具有一定的科学意义及实用价值。

1 工作模式分析

对于IGBT 模块的结温探测，通常实验室条件下为恒直流模式，而工况下的IGBT 一般工作在开关模式下。对实验室条件下恒直流模式的试验结果是否对工况下的开关模式具有适用性，也即两种模式是否可以近似等效，分为稳态和瞬态两种情况分别进行讨论。

1.1 稳态分析

恒直流模式与开关模式稳态情况下，结温Tj与功率P 存在如下关系：

其中，Tj.avg为平均结温，Tc为壳温，Ploss.avg为平均功率损耗，Rth(j-c)为稳态热阻。

根据公式可以看出，当处于稳态情况时，若两种模式下IGBT 模块壳温Tc数值相同，针对同一型号IGBT，在同一老化周期内，可认为其热阻值Rth(j-c)是一致的，当两种模式下的平均功率损耗值Ploss.avg相同时，则平均结温值相同。

本节分析说明稳态情况下，实验室条件下恒直流模式的试验结果对工况具有适用性。但在实际工况中，一般不进行稳态情况的结温估算，而是进行实时瞬态结温监测，故本文重点研究瞬态情况下两种模式的适用性问题。

1.2 瞬态分析

恒直流模式与开关模式瞬态情况下，结温Tj与功率P 分别存在如下关系：

其中，Tj.h（t）、Tj.k（t）、Tc.h（t）与Tc.k（t）分别为两种模式下随时间变化的结温和壳温；Ploss.h（t）与Ploss.k（t）分别为两种模式下随时间变化的耗散功率分别为两种模式下的瞬态热阻抗，依据Foster 模型可表示为：

其中，ri为第 i 层热阻，τi为第 i 层热时间常数。

根据公式可以发现，当处于瞬态情况时，若两种模式下IGBT 模块壳温瞬时值Tc（t）相同，针对同一型号IGBT，在同一老化周期内，可认为其瞬态热阻抗是相同的，而此时问题的关键是两种模式下的瞬时耗散功率Ploss（t）是否相同，若该值相同或近似，则瞬时结温值相同或近似，那么在瞬态情况下，实验室中恒直流模式的试验结果也将对工况具有适用性。

2 数值分析

2.1 恒直流模式

恒直流模式下电流较大时，在升温过程中由于温度的上升，导致集射极压降vce近似成一次函数线性增大，且电流越大集射极压降变化越明显，进而使得耗散功率Ploss.h（t）随时间近似成一次函数变化。由于结温的变化趋势仅与耗散功率及瞬态热阻抗有关，且已知瞬态热阻抗成指数形式变化，故结温的变化趋势应为指数形式变化，示意图如图1 所示。

图1 恒直流模式P 与Tj 变化

恒直流模式下，电流较大时的耗散功率Ploss.h（t）可表示为：

则得恒流模式下的结温为：

2.2 开关模式

在开关模式下，由于周期性的开通关断，导致IGBT模块上的集电极电流的通断是周期性的，也即耗散功率Ploss.k（t）是周期性变化的，使得结温Tj也随时间成周期性增大；同时与恒直流模式类似，在大电流的作用下，随着温度的上升，vce也将近似成一次函数线性增大，那么耗散功率Ploss.k（t）也将增大，其最大值点成一次函数增大；当模块工作一段时间后达到热平衡，此时每次功率脉冲幅值相同，结温波动稳定，且在每次功率下降沿处结温达到最大，示意图如图2 所示。

图2 开关模式P 与Tj 变化

开关模式下阶跃变化的耗散功率Ploss.k（t）可近似表示为：

则得开关模式下的结温为：

由于工况下IGBT 模块的开关频率约为3-5KHz，即每个功率脉冲循环2t0约为0.4-0.667 毫秒，时间十分短暂，为清晰的显示每一个脉冲过程，图2（a）是局部放大的示意图，实际的工作情况下，各个功率脉冲距离很近，密度很大，根据耗散功率最大值点连线，可近似为一条按一次函数上升的直线，取每个功率循环的结温均值，近似为一条平滑的曲线，如图2（b）所示，这与恒直流模式下的结温变化具有一定的相似性。另一方面，由于IGBT 的层状结构，使得在脉冲功率的作用下，不仅结温成波动性上升，壳温随结温以同样频率呈波动性上升，故其瞬态热阻抗将不受波动的影响。

也就是说，恒直流模式下按一次函数变化的耗散功率Ploss.h（t）和开关模式下大密度的脉冲耗散功率Ploss.k（t）所产生的影响一致时，对于同一型号的IGBT 模块，在同一壳温设定下，其瞬态热阻抗将是相同的。

那么此时就可以用实验室下的恒直流模式测定的不同老化情况的IGBT 瞬态热阻抗等效成工况下开关模式对应的瞬态热阻抗，且工况下功率应力是可测的，IGBT模块壳温也便于测量，此时就可以使用公式（3）对工况下的结温进行预测。

3 结温实时监测

根据以上分析可知，在工况下进行IGBT 结温实时监测时，可以近似使用同一型号同一老化周期的IGBT模块在实验室恒直流模式下所测得的瞬态热阻抗曲线。最后，得到IGBT 工况结温实时监测方法流程图如图3所示。

图3 工况IGBT 实时结温监测流程图

4 结论

本文通过对IGBT 的恒直流模式以及开关模式两种工作状态的工作模式分析及数值分析，发现两种模式在相同条件下测得的瞬态热阻抗近似一致，因此在工况进行IGBT 结温实时监测时，可以近似使用恒直流模式下所测得的同一型号同一老化周期的IGBT 模块的瞬态热阻抗曲线，该研究对IGBT 工况结温实时监测具有一定科学意义及指导作用。