热敏感电参数提取法具有响应快、精度较高、有望在线测量等优点,具有相当的学术研究与工业应用价值,得到了国内外学者广泛而深入的关注,并取得了较多的研究成果。然而,已发现的热敏感电参数种类较多,配套的校正程序和在线测量方法不尽相同。根据热敏感电参数的时基特性,提出了将其分为静态热敏感电参数和动态热敏感电参数的分类方法。所谓静态热敏感电参数是指待测器件/模块处于完全导通或完全关断状态下与结温相关的电气参数,例如器件处于稳定短路导通阶段内的短路电流等。所谓动态热敏感电参数是指待测器件/模块在开通或关断的瞬态切换过程中与结温相关的电气参数,例如开通延迟时间、关断电压变化率等。
代表性静态热敏感电参数结温提取法包括小电流饱和压降法、大电流注入法、驱动电压降差比法、集电极开启电压法和短路电流法等 。
小电流饱和压降法是经典的芯片结温预测方法。鉴于其优越的线性度,该方法不仅用于芯片的结温检测,还被广泛用于功率模块的热阻抗网络提取。
在小电流注入饱和压降法中,需要特定的小电流辅助电路提供恒定的测量激励源。该辅助电路不仅提高了测量成本,还增加了测量复杂度。由于负载电流所引起的电压降本身就受到芯片结温的影响。有文献提出了大电流注入法,该方法利用导通负载电流时器件本身的通态压降作为热敏感电参数,从而省去小电流注入这一测量必需条件。过校正程序之后,在实际应用工况中,利用集电极电流本身作为致热源,在待测器件导通时刻测量集电极电流及集电极电压降,即可利用离线数据库计算出瞬时结温。大电流饱和压降法的灵敏度由器件特性决定,不同电压和电流等级的器件的大电流饱和压降特有差异 。
然而广为应用的大容量IGBT器件为双极型器件,其在某一特定的负载电流点处,集电极电流与电压降会呈现出正温度系数与负温度系数的分界点,即当集电极电流小于分界电流时,IGBT芯片结温与导通压降呈现出负温度系数关系;而集电极电流在高于分界电流时,IGBT芯片结温与导通呈现出正温度系数关系。因此,当集电极电流在分界电流点附近会出现检测盲区,导致结温测量失效。由于正负温度系数的交界区域通常处于额定运行电流范围之内,采用大电流注入法进行结温提取必须对检测盲区进行事先判定并建立相应规避策略。
基于负载电流测试的热敏感电参数都存在不同程度的自热现象。大电流注入法、驱动电压降差比法和集电极开启电压法都需要在待测器件导通集电极电流非常大的时刻进行采样程序。采样时基与采样转换时间均会影响自热效应的程度。因此,若能提出与集电极电流无关的热敏感电参数,则可从根本上消除自热效应引发的误差。
代表性动态热敏感电参数结温提取法包括阈值电压法、内置驱动温敏电阻法等 。
阈值电压不涉及电流源注入因素,从测量方法上避免了待测器件的自热效应。由于阂值电压仅与门极氧化层的厚度与掺杂浓度有关,而与集电极电流和母线电压大小无关,已成功用于MOSFET与IGBT等功率器件的结温提取。
内置驱动温敏电阻法,利用受结温影响的门极驱动回路信息来提取功率器件结温。
门极信号的变化反映了不同结温情况下驱动电路对IGBT栅极电容充电过程的时间常数的变化。内置驱动温敏电阻法无需有源或无源辅助电路,结温提取相关参数较少,热敏感电参数的提取时基方便。内置驱动温敏电阻法通常在IGBT器件开通瞬态时提取门极有效信息。对在线运行的变流器而言,不需要中断变流器正常运行即可完成结温提取工作。然而,门极信号容易受到周围电磁环境的干扰,从而影响测量精度,甚至导致测量失效。
现有的热敏感电参数法中,其校正程序与测量方法各异,如何系统评价特定热敏感电参数的应用潜力,学术界和工业界尚未建立统一标准。在实际运行工况中,待测大容量电力电子器件一直处于高频开关切换中,处于高频通断状态的待测器件经受着高电压和大电流的双重冲击,功率器件的结温度变化是复杂工况下的综合作用结果。因此,对热敏感电参数的评价指标须与实际工况相结合。其校正程序与测量方法也需在实施难度、应用成本和测量效果上做折衷考虑。本节仅从线性度、灵敏度、泛化度、精准度、非侵入性与集成性等指标,利用雷达图将上述代表性6种热敏感电参数法进行系统比较。
其中线性度代表了热敏感电参数与结温之间的线性关系程度,线性度越好,利用热敏感电参数对结温进行预测的函数关系越简单,也更易于校正程序。灵敏度指标则反映了每一度结温变化所对应的热敏感电参数的变化量。在相同精度的采样电路中,灵敏度越高的热敏感电参数可以获得更高的结温预测精度。泛化度用于评价候选热敏感电参数法的适用范围和适用的器件领域。某些热敏感电参数法可能仅适用于IGBT器件,而有些热敏感电参数法能适用于IGBT, MOSFET和GTR等有源开关器件。热敏感电气参数法的泛化度则决定了该方法的适用范围。精准度考虑的是热敏感电参数法在校正环节中,是否容易引入干扰因素,从而降低了在结温预测过程中的精确性。例如在大电流注入法中,负载电流作为致热电流本身会引起结温的自热效应,将无法避免地带来测量误差。非侵入性特征强调的是在采取较小的中断需求,甚至是不中断和不改变变流器运行策略的条件下对器件结温进行提取。集成性则考虑的是能否简单可靠的把校正电路与采样电路集成进驱动电路并适用于不同封装类型的功率器件模块。
纵观基于热敏感电参数法的大容量电力电子器件结温提取的最新发展,相关研究尚处于起步阶段,主要集中在静态热敏感电参数的研究,较少涉及动态热敏感电参数的探索。大容量电力电子器件的开关时间通常在百纳秒至微秒级,在极短的开关时间内对动态热敏感电参数进行低成本精准测量,需要开创新思路。此外,大多数研究关注IGBT, MOSFET等有源功率器件的结温检测 ,极少涉及无源二极管的结温提取。然而,在柔性直流输电系统的直流侧短路故障时,二极管是更为脆弱的功率器件;在双馈型风电系统中,机侧变流器的反并二极管在超同步模式下的结温高于IGBT开关管,因此,大容量二极管的结温检测也相当必要。而且,研究还主要聚焦在器件结温的离线校正分析,极少涉及结温提取功能的在线集成研究。复杂工况下的大容量电力电子器件对热敏感电参数的选取具有很大约束,不中断或不侵入变流器的正常运行,进行器件结温的实时在线提取,需要开辟新途径 。