动态热敏感电参数的结温提取对硬件条件和运行环境的依赖性低于静态热敏感电参数。因此,动态热敏感电参数提取法有望成为大容量功率器件结温检测技术的新方向。此外,鉴于器件结温的波动受运行工况的影响大,开展器件结温的实时在线提取对提高大功率变流系统的可靠性相当重要。然而,作为电力电子学科的一个新兴研究热点,基于动态热敏感电参数的大容量电力电子器件结温在线提取的研究面临的挑战归纳如下:
1)如何系统揭示器件结温与动态热敏电参数的相关性:动态热敏电参数与器件结温的相互作用关系不仅受到内部半导体物理参数(如禁带宽度、电子/空穴迁移率、扩散系数、本征载流子寿命等)的影响,而且受到外部运行环境(如母线电压、负载电流、寄生电感/电容、驱动电压/电阻等)的制约。需从芯片一模块一装置的系统观出发,揭示大容量器件结温与动态热敏电参数及运行工况之间的相关性。
2)如何构建动态热敏电参数的性能统一评价准则:不同属性的动态热敏感电参数,其检测方法及温度相关因素差异较大。即使是同一动态热敏感电参数在不同应用工况下所表现出的性能指标也相差甚远。需从硬件需求、控制需求和工况需求的多视角出发,构建能系统反映动态热敏感电参数性能的综合评价方法。
3)如何实现器件结温的非侵入性在线提取与集成:在大容量电力变换装备的实际工况中,功率器件运行于高电压和大电流的高频开关状态。在此期间,诸如过流/短路/过压等保护机制一直处于工作模式。需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,植入和集成芯片温度的检测功能,实现器件结温的实时、在线提取 。
以大容量IGBT模块为例,由于硅基材料、制造工艺和封装散热等限制,大容量IGBT模块需采用多芯片并联来实现扩容。为提高功率器件在高频切换运行下的抗干扰能力,多芯片的大容量IGBT模块(电压等级>1700V;电流等级>800A)在封装结构上大多设置了开尔文发射极端子。模块内的铝键合线及汇流铜层等在功率回路及驱动回路中产生寄生电感。