大容量IGBT模块结温的非侵入性在线提取原理研究

Junction temperature (chip temperature) is the key indicator for the safe operation and dynamic failure analysis on the power devices. How to online extract the junction temperature of power devices with high accuracy and fast response is taken as one of the most significant challenges in the power electronics community. Fortunately, the parasitic inductor existed in the high power IGBT modules can be taken as an effective intermediary for the junction temperature measurement. In light of this discovery, the concept of dynamic temperature sensitive electrical parameter (DTSEP) is proposed in this proposal, which can be employed to extract the junction temperature. The following major research contents are planned to be investigated: (1) The monotonic dependency among the proposed DTSEPs, internal semiconductor parameters and external system parameters will be disclosed, which could provide the advanced technique for the non-invasive junction temperature monitor for high power IGBTs and diodes. (2) The inherent relationship among different types of DTSEPs will be explored and a general evaluation methodology for the proposed DTSEPs will be revealed. (3) The optimal candidates of DTSEPs will be integrated to generate the intelligent gate driver for the high power IGBT modules, which can provide non-invasive and on-line junction temperature monitor for the high power converters. One of the major contributions of this project is to provide the advanced technology for the health management, usage life prediction and reliability evaluation of high power conversion systems. In addition, some key intellectual properties can be applied to enhance the international competitiveness of China in this area.

芯片温度是电力电子器件安全运行和动态失效分析的关键指标。针对功率器件结温的高精度、快响应和在线测量难题，以大容量IGBT模块中固有的寄生参数为转化媒介，提出通过检测开关瞬态过程中与芯片温度强相关的电气参数(即动态热敏感电参数)来逆向提取大容量IGBT模块结温的新思路。重点研究如下内容：①系统揭示动态热敏感电参数与器件内部微观半导体物理量及外部宏观运行工况的相关性机理，为大容量IGBT和二极管结温的非侵入性检测开辟新途径；②探索属性各异的动态热敏感电参数之间的内在关联和相互作用规律，构建其综合性能的统一评估准则；③在不侵入大容量变流系统正常运行的前提下，探索在IGBT专用驱动模块中植入结温在线检测功能的集成方法。本项目的开展，将为大功率变流器的健康管理、寿命预测和可靠性评估提供坚实的理论基础。同时，相关研究成果将形成具有自主知识产权的发明专利，提升我国在该领域的国际竞争力。

本项目的研究目标是构建基于动态热敏感电参数的大容量IGBT模块结温的非侵入式在线提取理论框架；探索以模块封装结构中天然存在的寄生参数为转换媒介的动态热敏感电参数提取方法、动态热敏感电参数与器件结温及运行工况的交互机理等关键科学问题；探索动态热敏感电参数的综合性能统一评价准则，实现大容量IGBT模块结温的实时、精准、非侵入式检测功能的植入与集成方法。研究成果将为大功率变流系统的健康管理、寿命预测和可靠性评估提供理论基础，同时促进电力电子与半导体物理的学科交叉，为电力电子技术的发展提供新的学科增长点。.本项目的研究内容主要包括以下三个方面：.1．系统揭示器件结温与动态热敏电参数的相互作用机制，包括研究器件内部微观半导体物理参数(如禁带宽度、电子/空穴迁移率、扩散系数、本征载流子浓度/寿命等)与动态热敏感电参数的本征关系，探索外部宏观运行环境(如母线电压、负载电流、寄生电感/电容、驱动电压/电阻等)对动态热敏电参数的制约规律，从芯片-模块-装置的角度出发，为大容量IGBT模块结温的非侵入性在线检测开辟新途径。.2．构建综合反映动态热敏感电参数性能的统一评价准则，包括研究不同属性的动态热敏感电参数的检测方法及温度相关因素的差异；研究同一动态热敏感电参数在不同应用工况下性能指标的表现；从硬件需求、控制需求和工况需求的角度出发，构建能综合反映动态热敏感电参数性能的量化指标，为其工程化应用提供科学依据。.3．实现器件结温的非侵入式在线提取与集成的技术应用，包括研究在不改变控制策略、不中断或不侵入变流系统正常运行的前提下，在IGBT驱动系统中植入和集成芯片温度的实时、在线提取功能；从维持大容量IGBT模块的正常高电压/大电流高频切换状态的角度出发，为在线管理大功率变流系统的健康状态提供新手段。.在面上项目资助下，经过四年来的努力和研究，本课题组已按计划完成了主要的研究内容，实现了项目申请时拟定的预期目标。本项目对大容量IGBT模块结温的在线实时检测、提取方法评估、非侵入式集成做了深入的研究，取得了一系列代表性研究成果，有效地解决了大容量IGBT模块动态结温在线感知难题。该项目已资助发表(含录用)SCI检索期刊论文9篇，EI检索国内期刊/国际会议论文13篇，申请发明专利5件，取得了良好的学术成果。