[科普中國(guó)]-大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理

背景

大容量電力電子裝備是電氣節(jié)能、新能源發(fā)電、高速機(jī)車(chē)牽引、智能電網(wǎng)和國(guó)防軍事中的核心部件之一，其功率等級(jí)一般在百kW級(jí)乃至數(shù)十GW及以上，電壓等級(jí)一般在kV級(jí)乃至數(shù)MV及以上，電流等級(jí)一般在數(shù)百安培級(jí)乃至數(shù)萬(wàn)安培及以上。

具有高電壓阻斷能力、低導(dǎo)通壓降和大電流密度等靜態(tài)特性以及短開(kāi)關(guān)時(shí)間、小開(kāi)關(guān)損耗、高di/dt與dv/dt耐受力等動(dòng)態(tài)特性的電力電子器件是大容量電力子裝備的理想選擇。然而，電力電子器件和應(yīng)用系統(tǒng)之間的功率容量與電壓等級(jí)差距巨大?，F(xiàn)有的器件容量水平遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的大容量電力變換需求，且這一差距還有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)，因而，需發(fā)掘現(xiàn)有大容量電力電子器件的應(yīng)用潛能，提高其功率處理能力。另外，為了保證大容量電力變換裝備的可靠運(yùn)行，現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方法大多采用粗放式、大裕量、多重冗余的經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，不可避免地存在“大馬拉小車(chē)”現(xiàn)象。這種經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)方法不僅大大浪費(fèi)了現(xiàn)有功率器件的視在容量，提高了裝備成本；而且也無(wú)法從根本上確保電力變流系統(tǒng)在復(fù)雜運(yùn)行工況下的安全可靠運(yùn)行。

由電力電子系統(tǒng)可靠性調(diào)研報(bào)告可知，功率器件是變流系統(tǒng)中失效率最高的部件，約占34%。在各類(lèi)失效因素中，約55%的電力電子系統(tǒng)失效主要由溫度因素誘發(fā)。大容量電力電子器件受溫度影響的主要指標(biāo)包括平均結(jié)溫、最高結(jié)溫、結(jié)溫?cái)[幅和基板溫度等。根據(jù)大量試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)與失效機(jī)理分析可知，功率器件在失效前所經(jīng)歷的溫度循環(huán)周期數(shù)主要由結(jié)溫?cái)[幅、最高結(jié)溫、平均結(jié)溫、最低外殼溫度及模塊周期導(dǎo)通時(shí)間等因素共同決定。因此，大容量電力電子器件結(jié)溫（含功率開(kāi)關(guān)管和二極管的芯片溫度）的精準(zhǔn)提取與檢測(cè)是其損耗計(jì)算、壽命預(yù)測(cè)、健康管理與可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在大容量功率器件的結(jié)溫檢測(cè)方面做了大量的研究工作，提出了多種方法，并開(kāi)展了實(shí)證分析。各結(jié)溫測(cè)量方法的提取原理、測(cè)量靈敏性、抗干擾能力、對(duì)器件類(lèi)型的適用性、對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)的侵入程度和在線集成能力等特征大不相同1。

大容量功率器件結(jié)溫提取的研究現(xiàn)狀由于大容量電力電子器件的芯片封裝在模塊內(nèi)部，不易直接接觸、難以直接觀測(cè)，對(duì)其進(jìn)行芯片溫度測(cè)量頗具挑戰(zhàn)，成為近年來(lái)電力電子學(xué)科的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)課題。現(xiàn)有的器件結(jié)溫檢測(cè)方法主要可歸納為物理接觸式測(cè)量法、光學(xué)非接觸測(cè)量法、熱阻抗模型預(yù)測(cè)法與熱敏感電參數(shù)提取法等4種技術(shù)手段。

物理接觸式測(cè)量法物理接觸式測(cè)量法把熱敏電阻或熱電偶等測(cè)溫元件置于待測(cè)器件內(nèi)部，從而獲取其內(nèi)部溫度信息。熱敏電阻法需要外部電源激勵(lì)，且瞬態(tài)響應(yīng)慢。利用熱敏電阻對(duì)電力電子器件進(jìn)行芯片溫度檢測(cè)需要對(duì)待測(cè)器件的封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造。目前風(fēng)電變流器的1700V電壓等級(jí)的IGBT模塊采用了內(nèi)置熱敏電阻。該方法測(cè)量得到的溫度信息是IGBT模塊內(nèi)部基板的平均溫度，并非IGBT芯片的結(jié)溫，測(cè)量溫度與真實(shí)結(jié)溫之間誤差較大。

熱電偶的測(cè)溫原理是基于熱電效應(yīng)，將兩種不同的導(dǎo)體或半導(dǎo)體通過(guò)導(dǎo)線連接成閉合回路，當(dāng)兩者的接觸點(diǎn)存在溫度差時(shí)，整個(gè)回路將產(chǎn)生熱電勢(shì)，即熱電效應(yīng)或塞貝克效應(yīng)2。

光學(xué)非接觸測(cè)量法光學(xué)非接觸測(cè)量法主要基于冷光、拉曼效應(yīng)、折射指數(shù)、反射比、激光偏轉(zhuǎn)等光溫藕合效應(yīng)的表征參數(shù)，通常借助待測(cè)器件溫度與紅外輻射之間的關(guān)系，包括紅外熱成像儀、光纖紅外顯微鏡、輻射線測(cè)定儀等。紅外熱成像儀已被用于大容量電力電子器件的結(jié)溫觀測(cè)。在測(cè)量前需要把待測(cè)器件的封裝打開(kāi)，除去芯片表面的透明硅脂;然后將待測(cè)器件的芯片表面涂黑，以增加被測(cè)芯片的輻射系數(shù)，從而提高溫度測(cè)量準(zhǔn)確度，但破壞了模塊封裝的完整性。通過(guò)非接觸式感應(yīng)加熱等方式對(duì)待測(cè)器件進(jìn)行溫度控制，模擬待測(cè)器件結(jié)溫在實(shí)際運(yùn)行工況中的波動(dòng)特征。通過(guò)紅外熱成像儀對(duì)芯片表面溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控來(lái)獲取待測(cè)器件的各點(diǎn)溫度圖譜和溫度梯度。然而現(xiàn)有商用紅外熱成像儀的最高采樣率僅為2000幀。遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)結(jié)溫的實(shí)時(shí)檢測(cè)要求。且光學(xué)非接觸測(cè)量法屬于破壞性測(cè)量方法，無(wú)法用于器件結(jié)溫的在線檢測(cè)3。

熱阻抗模型預(yù)測(cè)法熱阻抗模型預(yù)測(cè)法則結(jié)合了待測(cè)器件、電路拓?fù)浜蜕嵯到y(tǒng)等綜合因素，基于待測(cè)器件的實(shí)時(shí)損耗及瞬態(tài)熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型，通過(guò)仿真計(jì)算或離線查表等方式反推芯片結(jié)溫及其變化趨勢(shì)。該方法被廣泛應(yīng)用于大容量變換裝備設(shè)計(jì)之初的散熱系統(tǒng)評(píng)估。在用于結(jié)溫實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)時(shí)，需要輔助計(jì)算機(jī)工具，一般只能模擬器件正常運(yùn)行時(shí)的結(jié)溫變化，在意外故障發(fā)生時(shí)(如運(yùn)行工況異常導(dǎo)致?lián)p耗突變或散熱環(huán)節(jié)異常導(dǎo)致熱阻抗網(wǎng)絡(luò)突變)無(wú)法對(duì)待測(cè)功率器件的芯片結(jié)溫進(jìn)行提取。圖為含散熱條件的功率變流器熱阻網(wǎng)絡(luò)典型模型4。

大容量功率模塊本身由硅基等芯片、DBC(Direct Copper Bonding)襯底和銅基板等多種材料多層次組成的電力電子器件。通過(guò)對(duì)材料的幾何形狀與熱特性分析，即可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量或數(shù)學(xué)建模等方式把含有散熱系統(tǒng)的變流器熱阻網(wǎng)絡(luò)模型提取出來(lái)。然后根據(jù)變流器的運(yùn)行工況進(jìn)行分析，計(jì)算待測(cè)器件在該運(yùn)行工況下的功耗。最后即可根據(jù)外部基板溫度，結(jié)合熱阻網(wǎng)絡(luò)模型反推出待測(cè)器件的芯片結(jié)溫5。

熱阻抗模型預(yù)測(cè)法需要同時(shí)獲取待測(cè)功率器件的實(shí)時(shí)損耗以及熱阻抗網(wǎng)絡(luò)才可實(shí)現(xiàn)結(jié)溫的精確預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)損耗模型和熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的精確建模相當(dāng)困難。且在大容量電力電子系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中，襯底板下的焊料層與導(dǎo)熱硅脂均會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化。事先測(cè)定的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型會(huì)由于老化原因發(fā)生較大偏移，從而帶來(lái)結(jié)溫預(yù)測(cè)的誤差。

熱敏感電參數(shù)提取法由于半導(dǎo)體物理器件的內(nèi)部微觀物理參數(shù)與器件溫度具有一一對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系。如載流子的壽命隨著結(jié)溫的升高而升高，而載流子的遷移率隨著溫度的升高而降低。因此這種半導(dǎo)體材料受溫度影響的特性將會(huì)使得待測(cè)功率器件的外部宏觀電氣特性呈現(xiàn)出溫度相關(guān)的變化趨勢(shì)。這種受器件內(nèi)部結(jié)溫影響的外部電氣特征參數(shù)稱(chēng)之為熱敏感電參數(shù)(temperature sensitive electrical parameter TSEP)。當(dāng)芯片溫度隨著運(yùn)行工況變化時(shí)，待測(cè)器件相應(yīng)的外部電氣參數(shù)也會(huì)隨之變化。通過(guò)對(duì)熱敏感電參數(shù)的測(cè)量，即可對(duì)芯片結(jié)溫進(jìn)行逆向預(yù)估。

熱敏感電參數(shù)提取法的核心思想是把待測(cè)器件自身作為溫度傳感部件，將其芯片溫度信息映射在外部的電氣變量上。利用熱敏感電參數(shù)提取法進(jìn)行結(jié)溫測(cè)量的步驟如下:首先進(jìn)行離線的校準(zhǔn)程序，通過(guò)離線方式獲得候選熱敏感電參數(shù)與已知結(jié)溫的映射規(guī)律，將該測(cè)定的結(jié)溫與電氣參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系作為后續(xù)結(jié)溫測(cè)量程序的參考；其次是開(kāi)展參數(shù)提取程序，在待測(cè)器件正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)對(duì)熱敏感電參數(shù)進(jìn)行測(cè)量，利用事先校正程序中獲得的映射關(guān)系反推芯片溫度，該過(guò)程可通過(guò)曲線擬合后的查表法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法等方式確定6。

以熱敏電阻為代表的物理接觸式測(cè)量法雖然成本低廉，且通過(guò)預(yù)埋手段可在不破壞封裝的前提下實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片附近的溫度進(jìn)行測(cè)量，然而該方法難以獲取芯片的真實(shí)結(jié)溫，測(cè)量誤差較大。光學(xué)非接觸測(cè)量法的成本非常高且需要打開(kāi)待測(cè)器件的封裝結(jié)構(gòu)，屬于破壞性測(cè)量方法，不適用于環(huán)境復(fù)雜的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用。熱阻抗模型預(yù)測(cè)法所面臨的難點(diǎn)在于老化因素會(huì)影響熱阻網(wǎng)絡(luò)模型及待測(cè)器件的損耗模型難以精確實(shí)時(shí)計(jì)算，算法復(fù)雜且在線結(jié)溫預(yù)測(cè)能力較弱。熱敏感電參數(shù)提取法不僅能獲取待測(cè)器件內(nèi)部芯片的平均結(jié)溫，且其成本低、響應(yīng)快、易于在線檢測(cè)，成為最具應(yīng)用潛力的結(jié)溫在線提取與一體化集成的新技術(shù)。

熱敏感電參數(shù)提取法的最新發(fā)展熱敏感電參數(shù)提取法具有響應(yīng)快、精度較高、有望在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，具有相當(dāng)?shù)膶W(xué)術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛而深入的關(guān)注，并取得了較多的研究成果。然而，已發(fā)現(xiàn)的熱敏感電參數(shù)種類(lèi)較多，配套的校正程序和在線測(cè)量方法不盡相同。根據(jù)熱敏感電參數(shù)的時(shí)基特性，提出了將其分為靜態(tài)熱敏感電參數(shù)和動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的分類(lèi)方法。所謂靜態(tài)熱敏感電參數(shù)是指待測(cè)器件/模塊處于完全導(dǎo)通或完全關(guān)斷狀態(tài)下與結(jié)溫相關(guān)的電氣參數(shù)，例如器件處于穩(wěn)定短路導(dǎo)通階段內(nèi)的短路電流等。所謂動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)是指待測(cè)器件/模塊在開(kāi)通或關(guān)斷的瞬態(tài)切換過(guò)程中與結(jié)溫相關(guān)的電氣參數(shù)，例如開(kāi)通延遲時(shí)間、關(guān)斷電壓變化率等。

典型靜態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫提取法代表性靜態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫提取法包括小電流飽和壓降法、大電流注入法、驅(qū)動(dòng)電壓降差比法、集電極開(kāi)啟電壓法和短路電流法等7。

小電流飽和壓降法是經(jīng)典的芯片結(jié)溫預(yù)測(cè)方法。鑒于其優(yōu)越的線性度，該方法不僅用于芯片的結(jié)溫檢測(cè)，還被廣泛用于功率模塊的熱阻抗網(wǎng)絡(luò)提取。

在小電流注入飽和壓降法中，需要特定的小電流輔助電路提供恒定的測(cè)量激勵(lì)源。該輔助電路不僅提高了測(cè)量成本，還增加了測(cè)量復(fù)雜度。由于負(fù)載電流所引起的電壓降本身就受到芯片結(jié)溫的影響。有文獻(xiàn)提出了大電流注入法，該方法利用導(dǎo)通負(fù)載電流時(shí)器件本身的通態(tài)壓降作為熱敏感電參數(shù)，從而省去小電流注入這一測(cè)量必需條件。過(guò)校正程序之后，在實(shí)際應(yīng)用工況中，利用集電極電流本身作為致熱源，在待測(cè)器件導(dǎo)通時(shí)刻測(cè)量集電極電流及集電極電壓降，即可利用離線數(shù)據(jù)庫(kù)計(jì)算出瞬時(shí)結(jié)溫。大電流飽和壓降法的靈敏度由器件特性決定，不同電壓和電流等級(jí)的器件的大電流飽和壓降特有差異8。

然而廣為應(yīng)用的大容量IGBT器件為雙極型器件，其在某一特定的負(fù)載電流點(diǎn)處，集電極電流與電壓降會(huì)呈現(xiàn)出正溫度系數(shù)與負(fù)溫度系數(shù)的分界點(diǎn)，即當(dāng)集電極電流小于分界電流時(shí)，IGBT芯片結(jié)溫與導(dǎo)通壓降呈現(xiàn)出負(fù)溫度系數(shù)關(guān)系;而集電極電流在高于分界電流時(shí)，IGBT芯片結(jié)溫與導(dǎo)通呈現(xiàn)出正溫度系數(shù)關(guān)系。因此，當(dāng)集電極電流在分界電流點(diǎn)附近會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)，導(dǎo)致結(jié)溫測(cè)量失效。由于正負(fù)溫度系數(shù)的交界區(qū)域通常處于額定運(yùn)行電流范圍之內(nèi)，采用大電流注入法進(jìn)行結(jié)溫提取必須對(duì)檢測(cè)盲區(qū)進(jìn)行事先判定并建立相應(yīng)規(guī)避策略。

基于負(fù)載電流測(cè)試的熱敏感電參數(shù)都存在不同程度的自熱現(xiàn)象。大電流注入法、驅(qū)動(dòng)電壓降差比法和集電極開(kāi)啟電壓法都需要在待測(cè)器件導(dǎo)通集電極電流非常大的時(shí)刻進(jìn)行采樣程序。采樣時(shí)基與采樣轉(zhuǎn)換時(shí)間均會(huì)影響自熱效應(yīng)的程度。因此，若能提出與集電極電流無(wú)關(guān)的熱敏感電參數(shù)，則可從根本上消除自熱效應(yīng)引發(fā)的誤差。

典型動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫提取法代表性動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)結(jié)溫提取法包括閾值電壓法、內(nèi)置驅(qū)動(dòng)溫敏電阻法等9。

閾值電壓不涉及電流源注入因素，從測(cè)量方法上避免了待測(cè)器件的自熱效應(yīng)。由于閡值電壓僅與門(mén)極氧化層的厚度與摻雜濃度有關(guān)，而與集電極電流和母線電壓大小無(wú)關(guān)，已成功用于MOSFET與IGBT等功率器件的結(jié)溫提取。

內(nèi)置驅(qū)動(dòng)溫敏電阻法，利用受結(jié)溫影響的門(mén)極驅(qū)動(dòng)回路信息來(lái)提取功率器件結(jié)溫。

門(mén)極信號(hào)的變化反映了不同結(jié)溫情況下驅(qū)動(dòng)電路對(duì)IGBT柵極電容充電過(guò)程的時(shí)間常數(shù)的變化。內(nèi)置驅(qū)動(dòng)溫敏電阻法無(wú)需有源或無(wú)源輔助電路，結(jié)溫提取相關(guān)參數(shù)較少，熱敏感電參數(shù)的提取時(shí)基方便。內(nèi)置驅(qū)動(dòng)溫敏電阻法通常在IGBT器件開(kāi)通瞬態(tài)時(shí)提取門(mén)極有效信息。對(duì)在線運(yùn)行的變流器而言，不需要中斷變流器正常運(yùn)行即可完成結(jié)溫提取工作。然而，門(mén)極信號(hào)容易受到周?chē)姶怒h(huán)境的干擾，從而影響測(cè)量精度，甚至導(dǎo)致測(cè)量失效。

典型熱敏感電參數(shù)的性能比較現(xiàn)有的熱敏感電參數(shù)法中，其校正程序與測(cè)量方法各異，如何系統(tǒng)評(píng)價(jià)特定熱敏感電參數(shù)的應(yīng)用潛力，學(xué)術(shù)界和工業(yè)界尚未建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際運(yùn)行工況中，待測(cè)大容量電力電子器件一直處于高頻開(kāi)關(guān)切換中，處于高頻通斷狀態(tài)的待測(cè)器件經(jīng)受著高電壓和大電流的雙重沖擊，功率器件的結(jié)溫度變化是復(fù)雜工況下的綜合作用結(jié)果。因此，對(duì)熱敏感電參數(shù)的評(píng)價(jià)指標(biāo)須與實(shí)際工況相結(jié)合。其校正程序與測(cè)量方法也需在實(shí)施難度、應(yīng)用成本和測(cè)量效果上做折衷考慮。本節(jié)僅從線性度、靈敏度、泛化度、精準(zhǔn)度、非侵入性與集成性等指標(biāo)，利用雷達(dá)圖將上述代表性6種熱敏感電參數(shù)法進(jìn)行系統(tǒng)比較。

其中線性度代表了熱敏感電參數(shù)與結(jié)溫之間的線性關(guān)系程度，線性度越好，利用熱敏感電參數(shù)對(duì)結(jié)溫進(jìn)行預(yù)測(cè)的函數(shù)關(guān)系越簡(jiǎn)單，也更易于校正程序。靈敏度指標(biāo)則反映了每一度結(jié)溫變化所對(duì)應(yīng)的熱敏感電參數(shù)的變化量。在相同精度的采樣電路中，靈敏度越高的熱敏感電參數(shù)可以獲得更高的結(jié)溫預(yù)測(cè)精度。泛化度用于評(píng)價(jià)候選熱敏感電參數(shù)法的適用范圍和適用的器件領(lǐng)域。某些熱敏感電參數(shù)法可能僅適用于IGBT器件，而有些熱敏感電參數(shù)法能適用于IGBT, MOSFET和GTR等有源開(kāi)關(guān)器件。熱敏感電氣參數(shù)法的泛化度則決定了該方法的適用范圍。精準(zhǔn)度考慮的是熱敏感電參數(shù)法在校正環(huán)節(jié)中，是否容易引入干擾因素，從而降低了在結(jié)溫預(yù)測(cè)過(guò)程中的精確性。例如在大電流注入法中，負(fù)載電流作為致熱電流本身會(huì)引起結(jié)溫的自熱效應(yīng)，將無(wú)法避免地帶來(lái)測(cè)量誤差。非侵入性特征強(qiáng)調(diào)的是在采取較小的中斷需求，甚至是不中斷和不改變變流器運(yùn)行策略的條件下對(duì)器件結(jié)溫進(jìn)行提取。集成性則考慮的是能否簡(jiǎn)單可靠的把校正電路與采樣電路集成進(jìn)驅(qū)動(dòng)電路并適用于不同封裝類(lèi)型的功率器件模塊。

縱觀基于熱敏感電參數(shù)法的大容量電力電子器件結(jié)溫提取的最新發(fā)展，相關(guān)研究尚處于起步階段，目前主要集中在靜態(tài)熱敏感電參數(shù)的研究，較少涉及動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的探索。大容量電力電子器件的開(kāi)關(guān)時(shí)間通常在百納秒至微秒級(jí)，在極短的開(kāi)關(guān)時(shí)間內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)進(jìn)行低成本精準(zhǔn)測(cè)量，需要開(kāi)創(chuàng)新思路。此外，目前大多數(shù)研究關(guān)注IGBT, MOSFET等有源功率器件的結(jié)溫檢測(cè)10，極少涉及無(wú)源二極管的結(jié)溫提取。然而，在柔性直流輸電系統(tǒng)的直流側(cè)短路故障時(shí)，二極管是更為脆弱的功率器件；在雙饋型風(fēng)電系統(tǒng)中，機(jī)側(cè)變流器的反并二極管在超同步模式下的結(jié)溫高于IGBT開(kāi)關(guān)管，因此，大容量二極管的結(jié)溫檢測(cè)也相當(dāng)必要。而且，目前的研究還主要聚焦在器件結(jié)溫的離線校正分析，極少涉及結(jié)溫提取功能的在線集成研究。復(fù)雜工況下的大容量電力電子器件對(duì)熱敏感電參數(shù)的選取具有很大約束，不中斷或不侵入變流器的正常運(yùn)行，進(jìn)行器件結(jié)溫的實(shí)時(shí)在線提取，需要開(kāi)辟新途徑1。

動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)法的挑戰(zhàn)及研究展望動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的結(jié)溫提取對(duì)硬件條件和運(yùn)行環(huán)境的依賴(lài)性低于靜態(tài)熱敏感電參數(shù)。因此，動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)提取法有望成為大容量功率器件結(jié)溫檢測(cè)技術(shù)的新方向。此外，鑒于器件結(jié)溫的波動(dòng)受運(yùn)行工況的影響大，開(kāi)展器件結(jié)溫的實(shí)時(shí)在線提取對(duì)提高大功率變流系統(tǒng)的可靠性相當(dāng)重要。然而，作為電力電子學(xué)科的一個(gè)新興研究熱點(diǎn)，基于動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的大容量電力電子器件結(jié)溫在線提取的研究面臨的挑戰(zhàn)歸納如下：

1)如何系統(tǒng)揭示器件結(jié)溫與動(dòng)態(tài)熱敏電參數(shù)的相關(guān)性:動(dòng)態(tài)熱敏電參數(shù)與器件結(jié)溫的相互作用關(guān)系不僅受到內(nèi)部半導(dǎo)體物理參數(shù)(如禁帶寬度、電子/空穴遷移率、擴(kuò)散系數(shù)、本征載流子壽命等)的影響，而且受到外部運(yùn)行環(huán)境(如母線電壓、負(fù)載電流、寄生電感/電容、驅(qū)動(dòng)電壓/電阻等)的制約。需從芯片一模塊一裝置的系統(tǒng)觀出發(fā)，揭示大容量器件結(jié)溫與動(dòng)態(tài)熱敏電參數(shù)及運(yùn)行工況之間的相關(guān)性。

2)如何構(gòu)建動(dòng)態(tài)熱敏電參數(shù)的性能統(tǒng)一評(píng)價(jià)準(zhǔn)則:不同屬性的動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)，其檢測(cè)方法及溫度相關(guān)因素差異較大。即使是同一動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)在不同應(yīng)用工況下所表現(xiàn)出的性能指標(biāo)也相差甚遠(yuǎn)。需從硬件需求、控制需求和工況需求的多視角出發(fā)，構(gòu)建能系統(tǒng)反映動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)性能的綜合評(píng)價(jià)方法。

3)如何實(shí)現(xiàn)器件結(jié)溫的非侵入性在線提取與集成:在大容量電力變換裝備的實(shí)際工況中，功率器件運(yùn)行于高電壓和大電流的高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在此期間，諸如過(guò)流/短路/過(guò)壓等保護(hù)機(jī)制一直處于工作模式。需研究在不改變控制策略、不中斷或不侵入變流系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，植入和集成芯片溫度的檢測(cè)功能，實(shí)現(xiàn)器件結(jié)溫的實(shí)時(shí)、在線提取11。

以大容量IGBT模塊為例，由于硅基材料、制造工藝和封裝散熱等限制，大容量IGBT模塊需采用多芯片并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)容。為提高功率器件在高頻切換運(yùn)行下的抗干擾能力，多芯片的大容量IGBT模塊（電壓等級(jí)>1700V；電流等級(jí)>800A）在封裝結(jié)構(gòu)上大多設(shè)置了開(kāi)爾文發(fā)射極端子。模塊內(nèi)的鋁鍵合線及匯流銅層等在功率回路及驅(qū)動(dòng)回路中產(chǎn)生寄生電感。

結(jié)語(yǔ)電能生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)方式的變革極大推進(jìn)了大功率電力變換裝備的發(fā)展。大容量電力電子器件雖在功率和電壓等級(jí)指標(biāo)上取得了長(zhǎng)足進(jìn)步，但仍遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足日益增長(zhǎng)的電力變換需求。當(dāng)前普遍采用的粗放式、大裕量、多重冗余的經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則難以有效解決電力電子器件和裝備在復(fù)雜運(yùn)行工況下的可靠性難題。溫度誘發(fā)的器件失效是影響電力電子裝備可靠性的重要因素，因此，大容量功率器件結(jié)溫（含功率開(kāi)關(guān)管和二極管的芯片溫度）的精確提取和檢測(cè)是電力電子系統(tǒng)損耗計(jì)算、壽命預(yù)測(cè)、健康管理和可靠性評(píng)估的基礎(chǔ)。綜述和詳細(xì)比較了器件結(jié)溫提取的代表性方法，包括物理接觸式測(cè)量法、光學(xué)非接觸測(cè)量法、熱阻抗模型預(yù)測(cè)法與熱敏感電參數(shù)提取法等，重點(diǎn)介紹了靜態(tài)和動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)的提取原理、典型特征和性能綜合比較等。最后展望了基于動(dòng)態(tài)熱敏感電參數(shù)法的器件結(jié)溫提取技術(shù)有待進(jìn)一步研究的內(nèi)容。