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一種可提高IGBT可靠性的新型結溫管控策略

作者:海飛樂技術 時間:2021-09-13 16:33

  IGBT功率器件作為變流器系統的核心部件,對系統的安全可靠運行起著舉足輕重的作用。變流器經常運行在功率大范圍隨機波動的嚴酷環境,致使IGBT模塊內部結溫劇烈波動,加之模塊內部各層封裝材料的熱膨脹系數不一致,器件持續承受交變的熱應力沖擊,引起器件疲勞老化失效等問題,最終導致器件的可靠性和預期使用壽命大幅降低。研究表明,功率器件的結溫波動幅度每增加10℃,其失效率將成倍增加,這是影響IGBT器件可靠性的一個十分重要的因素,因此必須采取有效措施降低和優化器件的結溫波動,改善其熱應力沖擊,提高器件的可靠性和運行壽命。
  如果通過調控開關頻率來實現結溫調節,但僅僅采用變頻調溫方法,開關頻率需要在較大范圍內變化,影響變流器輸出波形。通過調制方法來控制結溫的話,這種方法通過驅動信號連續脈寬調制(PWM)和非連續脈寬調制(DPWM)之間的切換策略來實現功率器件能耗控制進而調節結溫,該策略主要問題是會產生較高的輸出紋波電壓。通過無功調節的方式,在結溫降低過程中,通過帶電流限幅無功電流注入,然而,無功電流主要通過反并聯續流二極管傳輸,事實上,二極管過度導通會大大降低功率器件的壽命。
  實際研究表明,IGBT隨著柵極驅動電壓升高,開通速度越快,開通損耗和通態損耗都越低,反之亦然。因此可根據需要來選擇適當的柵極驅動電壓,進而實現器件損耗控制和結溫的自適應調節。目前,尚未有文獻基于該思路提出功率器件的結溫平滑跟蹤控制方法。本文在分析功率器件開關運行軌跡變化規律的基礎上,選擇在驅動層面上提高系統可靠性,提出了調節驅動開通電壓實現損耗調節和結溫平滑跟蹤管控的策略及實現方案。首先,利用一種簡化的IGBT損耗分析模型,分析和探討了不同驅動開通電壓對IGBT損耗的影響,提出了基于柵極驅動電壓調整進而實現損耗及結溫控制調節的新思路。所提結溫跟蹤管控策略的本質是調節器件本身的開關性能,實現對器件損耗實時控制,從而達到了抑制結溫波動的效果。最后,通過實驗測試對結溫跟蹤管控策略進行了驗證,本文所提結溫管控方法較之其他溫控策略,不影響變流器輸出性能。
 
1. 原理與設計
  IGBT損耗主要由通態損耗、開通損耗和關斷損耗組成。IGBT的通態損耗與柵極開通電壓UGG呈正比例關系。由于IGBT開關速度相對較慢,隨著開關頻率的提高,開關損耗在整個器件損耗中的占比也變得比較大,應引起我們特別注意。圖1為綜合考慮了二極管的恢復特性和極間寄生電容以及雜散電感Ls得到的IGBT的開關時刻理想波形圖。圖2為非理想IGBT的開關損耗簡化示意圖。

圖1IGBT的開關時刻理想波形圖;圖2非理想IGBT的開關損耗簡化示意圖 
 
1.1開通損耗
  由于只需判定開通關斷過程損耗隨柵極電壓的變化趨勢,因此可以簡化開關損耗的計算過程,將開關暫態近似線性化。忽略電流上升延時和電壓拖尾過程中的能量損耗,IGBT的開通損耗集中在開通時間段T2和T3,如圖3中陰影面積所示。
圖2 IGBT開通過程的能量損耗分析 
  IGBT模塊內部集成了反并聯續流二極管,其反向恢復特性是引起IGBT開通電流過沖的主要因素。在給定的反向恢復電荷Qrr情況下,二極管反向恢復電流峰值IR與前向導通電流變化率有關,即
計算公式1~5 
計算公式6~8 
式中:UGG為柵極驅動開通電壓;UGE(th)為開通閾值電壓;RG為驅動電阻;gm為IGBT的跨導;Cies為輸入電容,Cies=CGE+CGC。
  結合式(6)~式(8)可知,開通損耗Eon與柵極開通電壓UGG兩者呈現正比例關系。
 
1.2關斷損耗
  新一代的IGBT大多集成了場中止技術,它能比傳統IGBT關斷更快,基本沒有電流拖尾,因此電流拖尾造成的功耗在總關斷損耗中僅占有很小的比例。忽略電壓上升延時和電流拖尾中的能量損耗,IGBT的關斷損耗集中在關斷時間段t6和t7,如圖4中陰影面積所示。
圖4 IGBT關斷過程的能量損耗分析 
式中:ic-off為關斷時反向恢復電流。
  進一步可以看出,關斷損耗Eoff與柵極開通電壓UGG的大小無關。綜合開通關斷暫態過程的能耗分析與計算,隨著柵極開通電壓UGG的增大,開關損耗和通態損耗均減小,總損耗相應降低,反之亦然。
 
1.3暫態測試實驗
  本文選用Infineon的FF50R12RT4模塊,直流側電壓200V,電流20A,環境溫度25℃。利用雙脈沖實驗測得,在不同柵極開通電壓11~19V、相同關斷電壓(-5V)下,IGBT的開通和關斷波形如圖5和圖6所示??梢钥闯?,隨著柵極開通電壓UGG的增大,對應的開通速度越快,開通時間越短;關斷過程不受影響。
圖5、圖6不同柵極下IGBT的開通和關斷波形 
  在整個開關過程中,對電流、電壓波形乘積的積分可以得到這個開關過程的能量損耗值。
開關能量損耗隨驅動電壓大小的變化趨勢與前一部分的分析相吻合,如圖7所示。詳細的開關動態實驗測試參數如表1所示。圖8給出了在直流實驗中測得的通態壓降UCE(on)隨不同導通電流IC和驅動電壓UGG的輸出特性曲線,可以看出,在一定導通電流下,通態壓降隨著驅動電壓的升高而降低,與前一部分的分析一致。
圖7 開關損耗 
圖8 通態壓降 
 
2. 結溫跟蹤管控策略
  IGBT結溫上升期間,通過增大驅動開通電壓來降低損耗從而抑制結溫的上升,在結溫下降期間,通過減小驅動開通電壓來增大損耗從而抑制結溫的下降。因此,根據結溫的變化趨勢,實時動態調節驅動開通電壓,既能實現降溫,也能適當升溫,在一定程度上抑制結溫波動,從而減小了器件受到的熱應力沖擊,實現升降自如的主動熱管理。
  IGBT模塊是一個密封的結構,在實際應用場景中,無法直接監測結溫變化趨勢,只能通過一些外部參數或IGBT的結構特點來推算結溫。由于IGBT的結殼熱阻抗RC的時間常數為ms級,因此IGBT的結溫與其殼溫之間存在著良好的映射關系,即借助對IGBT殼溫的在線監控,可良好地獲取模塊內部的結溫變化信息,從而實現對IGBT結溫的控制。
  圖9為結溫平滑熱管控跟蹤策略的基本流程圖。其中,動態調節控制環由動態濾波器、采樣保持器構成。動態濾波器用于消除測量殼溫度信號中的噪聲和干擾;采樣保持器用來反映結溫的變化趨勢。線性電壓調節器根據溫度的變化趨勢來實時調節驅動開通電壓UGG的大小。驅動電路的額定輸出開通電壓為15V,可實現3V上下調節。
圖9結溫平滑熱管控跟蹤策略的基本流程圖 
 
3. 實驗驗證
  圖10給出了一種新型的功率器件應力測試電路,具體的測試參數為:直流電壓Udc=100V,開關頻率fs=10kHz,電容C=680μF,電感L=1.22mH,電阻R=0.4Ω。測試電路主要是由2個共用直流母線的變流器和1個阻感負載組成。該電路左、右側變流器采用不同的調制度m和移相角度α,其中左側變流器負責控制輸出電壓幅值,右側變流器負責控制負載上的電流幅值和相位。以T1管作為被測量和控制對象,通過左、右2個變流器協同控制策略,從而在很小的功率損耗情況下就可以對功率器件施加所需的電壓電流應力,因此是模擬研究功率器件實際循環工況下電、熱應力的一個理想的測試方式。圖11給出了基于新型應力測試電路的部分工況下動態電流幅值變化實驗圖像。
圖11動態電流幅值變化實驗圖 
  基于新型應力測試電路的結溫跟蹤管控實驗平臺以數字信號處理器DSP作為核心控制器,IGBT的殼溫監測采用一種基于MAX6675的K型熱電偶溫度傳感器。在實驗過程中,同時利用溫度采集器對開封的模塊結溫進行觀測,驗證該溫度管控策略的實施效果。圖12所示為本文提出的基于損耗模型的在線結溫預估結果與結溫變化實測結果的對比曲線??刂魄昂驣GBT的結溫變化情況如圖13所示??梢钥闯?,在相同工況下,添加管控策略前后,IGBT結溫波動的幅值從11.5℃降低到7.5℃,最高結溫也下降了3℃,抑制結溫波動效果明顯,減小了器件承受的熱應力沖擊。
圖13 IGBT的結溫變化情況 
 
5. 結論
  提出了一種基于驅動電壓調節的IGBT結溫平滑跟蹤管控策略。首先,利用一種簡化的IGBT損耗分析模型,說明了驅動開通電壓大小對通態損耗和開關損耗的影響機理,并通過雙脈沖實驗對開關特性分析進行了驗證。在此基礎上,基于一種新型的器件應力測試電路,搭建了硬件實驗平臺對該管控跟蹤策略的可行性和有效性進行了證實。實驗表明,該策略抑制結溫波動的效果明顯,減小了器件承受的熱應力沖擊。該結溫跟蹤管控電路在不影響變流器輸出性能的同時,適合在實際應用場合中采用。




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