在线测量IGBT结温方法研究

在线测量IGBT结温方法研究

唐江波

（广州工商学院电子系广州510850）

摘要：IGBT结温与其失效率有着密切的关系，对变频器的可靠性尤其重要。针对IGBT结温难以在线测量的问题，本文阐述了利用变频器的IGBT在小电流下的通态压降测量其结温的原理，研究并验证了利用变频器驱动电源提供测量电流的可行性，提出了基于小电流下的IGBT通态压降的在线测量结温的方法。试验结果表明，该方法具有很高的应用价值。

关键词：变频器；IGBT；结温；在线测量

引言

自20世纪80年代绝缘栅双极型晶体管IGBT产品化以来，一直推动着变频器朝着高效化与小型化的方向发展。IGBT的运行温度与其稳定性密切相关，直接影响着变频器的可靠性，因此IGBT的热控制是变频器设计的核心环节。为了便于应用安装，IGBT通常封装在一个单面散热的密闭结构空间内，因此一般情况下是难以测得模块内部的IGBT结温。由图1可见，IGBT产生的热量经过IGBT模块内的多层结构传递到底部的铜基板，因此通常的方法是通过安装在IGBT正下方的热电偶测得模块的外壳温度，进而根据IGBT的热功率以及IGBT模块厂家提供的瞬态热阻推算IGBT的当前结温。为了能够实际测量变频器的IGBT结温，还可以利用红外热像仪直接测量黑胶IGBT模块。但是这种模块是定制品，且测量的时候需要打开外壳，因此不适合变频器产品的在线检测。

近年来，国内外的学者利用电敏参数法测量IGBT的结温方面做了一些研究工作[1~3]，但是仅限于实验环境，并不适合变频器的IGBT在线结温检测。本文阐述了利用IGBT在小电流下的通态压降测量其结温的原理，并且研究了利用变频器的IGBT驱动电源提供检测IGBT结温的微电流的可行性，提出了一种在线测量IGBT结温的方法。

1利用变频器的驱动电源提供测量电流

IGBT与二极管类似，在恒定电流的情况下，导通压降与结温成线性关系。因此可以通过测量固定电流下的IGBT导通压降得到其结温。对于变频器而言，测量电流可以通过IGBT的驱动电源提供。图1所示为正负电源供电的IGBT驱动回路。正电源、限流电阻R、二极管D以及U相上桥臂的IGBT组成检测回路。当U相上桥臂IGBT导通，其余5个IGBT关断时，测量电流便流过U相上桥臂IGBT。

2测量电流的选取

测量电流必须足够大。但也不能太大，以免引起显著的自热现象。应根据IGBT芯片的大小而定，通常为1mA到30mA之间。本文分别选取了1mA、10mA、20mA和30mA的测量电流进行试验。试验的IGBT型号是2MBI200U4B。首先将IGBT模块置于温箱中，利用DC15V的电源驱动IGBT，同时该电源也作为恒压源提供测试IGBT导通压降的测量电流。试验中，设置温箱的温度上限是125℃，下限是-25℃，步长是25℃。每次改变温箱温度设定后，待温箱温度以及示波器读数稳定后获取电压。

试验中，，，，。由于是恒压源供电，因此测量电流会随着IGBT温度的变化而变化。不过在-25℃至125℃的范围内，电流的偏差最大只有1.32%（）。从图2可以看出，在不同的限流电阻下，IGBT的结温与其导通压降都具有很好的线性度，而且电流越小，变化曲线的斜率越大，因此实际中的测量电流可以选择较小的数值。图3示出了不同批次相同型号IGBT在限流电阻下的变化曲线。图中的3条曲线几乎重合，可见使用该方法检测IGBT的结温具有很好的一致性。

3在线测量变频器IGBT结温的方法

为了在线测量工作中的变频器的IGBT结温，需要切断变频器的输出，并且接入测量电流。直接闭合任意一个IGBT，都会在主机反电势的作用下产生感应电流从而导致错误的测量结果。为了克服该问题，本文首先利用连接在变频器与主机之间的接触器切断变频器的输出回路。为了减少接触器的动作延时造成的测误差，此时应保持变频器的IGBT正常动作。在变频器检测到接触器的反馈信号后再关断所有的IGBT。电机是感性负载，电流有一个快速归零的过程，通常需要1~2ms，如图4。不过这个过程中，电流并不流经IGBT，而是由并接在IGBT的反向二极管续流。最后，在确保接触器断开后闭合被测IGBT，利用驱动电源提供测量电流。

在测量的初始阶段，IGBT的电压变化是一个从几百伏的母线电压降到几百毫伏的测量电流下导通压降的过程，不可避免的还会存在电压的振荡干扰，因此需要去掉一定时间内的信号点。定义从变频器封锁IGBT到闭合被测IGBT的时间为。那么从IGBT没有电流流过到第一个测量点的时间为。这段时间内的IGBT结温可通过其降温曲线，利用最小二乘法推算。

4结语

在线测量变频器的IGBT结温对变频器的热控制有着重要的意义。本文利用IGBT在微电流下的通态压降与其结温存在线性关系的原理，研究了通过IGBT驱动电源提供测量电流的可行性，提出了一种在线测量变频器的IGBT的方法，具有很高的实际应用价值。

参考文献：

[1]姚芳，王少杰，陈盛华，等.IGBT功率模块瞬态热阻抗测量方法研究[J].电力电子技术，2016，50（9）：103-105.

[2]黄月强，吕长志，谢雪松，等.一种IGBT热阻的测量方法[J].电力电子技术，2010，44（9）：104-105.

[3]汪波，胡安，唐勇.基于电热模型的IGBT结温预测与失效分析[J].电机与控制学报，2012，16（8）：87-93.