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IGBT及其互连结构温度分布下Vce-Tj关系的校准与测量
Calibration and Measurement of Vce-Tj Correlation With Temperature Distribution of IGBT and Interconnections
| 作者 | Guanyu Lu · Ke Ma · Yuli Feng |
| 期刊 | IEEE Transactions on Power Electronics |
| 出版日期 | 2024年9月 |
| 技术分类 | 储能系统技术 |
| 技术标签 | 储能系统 IGBT 可靠性分析 |
| 相关度评分 | ★★★★ 4.0 / 5.0 |
| 关键词 | 结温估计 绝缘栅双极型晶体管 校准方法 温度分布 准确性提升 |
语言:
中文摘要
对功率半导体器件绝缘栅双极型晶体管进行在线结温（$T_j$）估计对于可靠性评估和提升至关重要。通常情况下，可以利用预先校准的结温与负载电流下的导通态集电极 - 发射极电压（$V_{ce}$）之间的相关性来在线计算$T_j$。然而，校准过程中器件内部的不均匀温度分布与运行过程中的情况不同。器件内部的不均匀热分布和芯片的自热效应会导致使用预先校准的$T_j$ - $V_{ce}$相关性进行估计时出现显著误差，因为互连线上的电压降会有所不同。本文提出了一种在器件脉冲宽度调制运行下校准$T_j$ - $V_{ce}$关系的新方法。通过在固定散热器温度的情况下改变开关频率，可以重现器件内部可调节的自热条件和温度分布。此外，揭示了一组结温、散热器温度与器件内部互连温度之间的新关系。利用所发现的关系，可以以非侵入的方式补偿不均匀温度分布对$V_{ce}$的影响，与传统方法相比，该方法在$T_j$估计中能够实现更高的精度。
English Abstract
Online junction temperature (Tj) estimation for power semiconductor device insulated gate bipolar transistor is of great importance for reliability assessment and enhancement. Typically, Tj can be online calculated using the pre-calibrated correlation with on-state collector-emitter voltages (Vce) at loading current. However, the uneven temperature distribution inside the device during calibration is different from the conditions during operation. Uneven thermal distribution inside the device and self-heating of chips will cause significant estimation error by using the pre-calibrated Tj - Vce correlation, as the voltage drop on interconnections will be different. In this article, a novel calibration method of Tj - Vce relationship under pulsewdith modulation operation of device is proposed. By varying the switching frequency with fixed heatsink temperature, adjustable self-heating conditions and temperature distributions inside the device can be recreated. Moreover, a group of new relationships between junction temperature, heatsink temperature and temperature of interconnections inside device are revealed. By using the discovered relationship, the influence of uneven temperature distribution on Vce can be compensated in a noninvasive way, which can achieve higher accuracy in Tj estimation compared to the conventional method.
S
SunView 深度解读
从阳光电源的业务视角来看，这项IGBT结温在线监测技术具有重要的战略价值。IGBT作为光伏逆变器和储能变流器的核心功率器件，其可靠性直接影响系统的整体性能和寿命。当前阳光电源的逆变器产品在高温、高湿等严苛环境下运行时，IGBT的热管理是制约系统可靠性的关键因素之一。
该论文提出的创新校准方法解决了传统Vce-Tj标定中的核心痛点。在实际PWM工作状态下，器件内部温度分布不均匀会导致互连层压降变化，使得传统方法的结温估算误差可达10-15℃。这种误差在阳光电源的1500V高压系统和大功率储能PCS中尤为显著，可能导致过度保守的降额设计或潜在的可靠性风险。新方法通过调节开关频率重现实际工作温度分布，实现了非侵入式的温度补偿，显著提升了估算精度。
技术应用价值体现在多个层面：首先，精准的结温监测可优化热设计裕量，在保证可靠性前提下提升功率密度5-8%，这对阳光电源追求高功率密度的户外逆变器和集装箱储能系统意义重大；其次，可实现基于实际热应力的预测性维护，降低电站运维成本；第三，为SiC器件的应用提供更精确的热管理方案，加速下一代高效产品开发。
技术挑战主要在于工程化实施的复杂度，需要在现有控制平台上集成额外的标定流程和实时补偿算法，对DSP计算资源和软件架构提出更高要求。建议阳光电源在新一代平台型产品中优先验证该技术，结合自主开发的功率模块封装技术，形成差异化的热管理竞争优势，特别是在极端气候地区的大型地面电站和工商业储能市场建立技术壁垒。