專利名稱:一種igbt失效預警方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及一種IGBT器件疲勞失效的預警方法,具體涉及一種以IGBT的溫度參數(shù)作為IGBT失效判斷依據(jù)的預警方法,主要用于IGBT器件的失效預警和故障檢測,屬于半導體器件檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù):
絕緣柵雙極晶體管IGBT具有開關(guān)速度高,開關(guān)損耗小,高耐壓通流,高開關(guān)頻率等特點,因此,自1986年IGBT開始投入市場,就迅速擴展了其應用領(lǐng)域,成為中小功率電力電子設(shè)備的主導器件。近幾年,由于半導體技術(shù)和制作工藝的發(fā)展,IGBT的性能更是得到進一步提升,使其在大功率、超大功率設(shè)備中也得到了廣泛地應用。隨著IGBT的應用越來越廣泛,人們對IGBT的工作要求也原來越高,其維護、失效預警等問題也越來越引起人們的關(guān)注,怎樣在IGBT失效之前提前發(fā)出警報提醒設(shè)計者及使用者進行更換,將由于IGBT突然失效而引起的設(shè)備故障損失降到最低,成為一個迫在眉睫的問題。IGBT的結(jié)構(gòu)不同于普通平板壓裝的功率器件,其典型結(jié)構(gòu)從上至下可以分為綁定線,芯片,焊層,絕緣導熱層(DCB),基板等。由于各層之間的材料不同,其相應的熱膨脹系數(shù)不同,而IGBT工作時,存在功率循環(huán)和熱循環(huán),致使各層不停的承受著熱應力,日積月累,造成層與層之間的接觸出現(xiàn)損壞,從而影響器件的熱阻及芯片的壓降。器件廠商通過長期試驗,發(fā)現(xiàn)同樣條件下,當器件熱阻增大25%或是芯片壓降增大5%時,器件將會面臨失效。由于器件的壓降通常只有約2V,而其5%約為IOOmV ;加上實際使用中,器件壓降受多種因素影響,而壓降還存在較大的個體差異,難于精確檢測,因此,通過器件壓降的增加來對器件失效進行預警,難度及成本都較大。而器件的熱阻,個體差異很小,加上其具有25% 的變化量,體現(xiàn)在溫度上,形成了較易被檢測的變化,可以作為器件疲勞失效的一種預警依據(jù)。經(jīng)初步檢索,目前還未發(fā)現(xiàn)以溫度參數(shù)作為IGBT失效預警依據(jù)的技術(shù)方案。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的首要目的是為了預防因IGBT突然的失效引起的設(shè)備故障,將此類故障的損失降到最低,本發(fā)明利用器件的熱阻變化可以可以體現(xiàn)在溫度差上的原理,提供一種以的溫度參數(shù)作為IGBT失效預警依據(jù)的預警方法,在IGBT真正失效之前發(fā)出預警信息, 為設(shè)計者及用戶提供一段時間,使設(shè)計者或用戶可以選擇最合適的處理方案。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種IGBT失效預警方法,其特征在于,本發(fā)明所述 IGBT,是特指集成有NTC溫度傳感器的IGBT,所述預警方法包括以下步驟
第一步,獲取冷卻介質(zhì)溫度或者器件冷卻表面溫度T ;
第二步,將第一步獲取的溫度T與集成在IGBT內(nèi)部的溫度傳感器NTC測得的溫度Tntc 進行比較求得溫差ΔΤ;
第三步,將第二步求得的溫差ΔΤ與預警溫差閥值A(chǔ)Tj進行比較判斷,當ΔΤ彡ATj
3時,發(fā)出預警信號,否則不發(fā)出預警信號。所述第三步中的預警溫差閥值Δ Tj可以是通過試驗得到的準確值,也可以是通過理論計算得到的合理近似值。所述第二步中的溫差ΔΤ是由電力電子裝置自身的控制系統(tǒng)得到。所述第一步中的溫度T可以是冷卻介質(zhì)的溫度,也可以是器件冷卻表面的溫度, 由溫度傳感器測量得到,其中不同冷卻介質(zhì)溫度的測量由適用于該冷卻介質(zhì)的溫度傳感器完成。器件的熱阻變化可以體現(xiàn)在溫度差上,本發(fā)明利用此原理,將裕量小、穩(wěn)定性差、 測量難度高的電壓參數(shù)的測量轉(zhuǎn)換為裕量大、穩(wěn)定性好、易測量的溫度參數(shù)進行測量,作為判斷IGBT失效與否的依據(jù),其積極效果在于1、提供一種IGBT失效預警方法,有效預防因 IGBT失效引起的故障,降低損失;2、以溫度參數(shù)作為判斷IGBT失效與否的依據(jù),測量方便; 3、本發(fā)明實施難度小,很多功能依靠原有硬件系統(tǒng)即可實現(xiàn),實施成本低。
圖1本發(fā)明IGBT失效預警方法的流程圖2、圖3是本發(fā)明所述IGBT采用不同冷卻介質(zhì)的原理框圖; 圖4是本發(fā)明從IGBT散熱器表面獲取溫度參數(shù)的原理框圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例,對本發(fā)明一種IGBT失效預警方法進行進一步闡述。一種IGBT失效預警方法,其特征在于,本發(fā)明所述IGBT,是特指集成有NTC溫度傳感器的IGBT,所述預警方法包括以下步驟
第一步,獲取冷卻介質(zhì)溫度或者器件冷卻表面溫度T ;
第二步,將第一步獲取的溫度T與集成在IGBT內(nèi)部的溫度傳感器NTC測得的溫度Tntc 進行比較求得溫差ΔΤ;
第三步,將第二步求得的溫差ΔΤ與預警溫差閥值A(chǔ)Tj進行比較判斷,當ΔΤ彡ATj 時,發(fā)出預警信號,否則不發(fā)出預警信號。所述第三步中的預警溫差閥值Δ Tj可以是通過試驗得到的準確值,也可以是通過理論計算得到的合理近似值。所述第二步中的溫差ΔΤ是由電力電子裝置自身的控制系統(tǒng)得到。所述第一步中的溫度T可以是冷卻介質(zhì)的溫度,也可以是器件冷卻表面的溫度, 由溫度傳感器測量得到,其中不同冷卻介質(zhì)溫度的測量由適用于該冷卻介質(zhì)的溫度傳感器完成。IGBT器件的疲勞老化會使其內(nèi)部熱阻增加,熱阻變化表現(xiàn)在IGBT器件內(nèi)部和外部的溫差Δ T上;由于NTC和IGBT內(nèi)部芯片(發(fā)熱源)同屬一個DCB層,而且位置非常近, 達到了較好的熱藕合,因此IGBT內(nèi)部芯片的溫度可以由NTC的溫度較好地間接反映,IGBT 外部的溫度可以由IGBT器件冷卻表面的溫度反映,也可以由冷卻介質(zhì)的溫度反映。熱阻和溫度之間的數(shù)學關(guān)系式為
Tj = Tc + Rth(Jc) XPigbt⑴Tj 一 Tntc + Rth(j-NTC)父 PlGBT(2)
式中,Tj為結(jié)溫(IGBT內(nèi)部芯片溫度),Tntc為NTC溫度,T。為器件殼溫(器件外部溫度), Pigbt為一定工況下的器件功率,Rth(J-Nic)為芯片和NTC之間的熱阻,Rth(Jc)為結(jié)殼熱阻;由于芯片和NTC之間由兩層焊料層隔離,疲勞損傷引起熱阻Rth(j_NTC)的變化,相比結(jié)殼熱阻Rth(j。) 的變化,可以忽略,由式(2)知,
Tj ^ Tntc(3)
故可以由NTC的溫度Tntc來近似代替結(jié)溫Tj,再由式(3)和式(1)可得 Tntc — Tc ^ Rth(Jc) XPigbt(4)
式(4)的左邊即為IGBT內(nèi)部和外部的溫度差ΔΤ。由式(4)知,一定工況條件下,熱阻增加會導致IGBT器件內(nèi)部和外部的溫差Δ T變大,當熱阻Rth(j。)增大到一定程度時,IGBT器件即面臨失效,因此,可以根據(jù)需要設(shè)定IGBT 失效預警溫差閥值ΔΤ」(ATjW大小可以通過試驗方法確定,也可以通過理論估算而來), 將測量得到的溫差ΔΤ與預警溫差閥值A(chǔ)Tj進行比較,即可判斷IGBT是否即將失效,起到預警作用。實施例一
如圖2所示,所述溫度傳感器為冷卻液溫度傳感器,IGBT自身集成的NTC溫度傳感器, 以及電力電子裝置自身的控制系統(tǒng),構(gòu)成了失效預警的硬件基礎(chǔ)。冷卻液溫度傳感器測得器件外部溫度T1, IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測得器件內(nèi)部溫度Tntc,兩個溫度信號傳遞到控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過計算,得到相應的溫度差ΔΤ,此時的溫差ΔΤ與系統(tǒng)原先設(shè)定的該工況下基于該溫度傳感器及該冷卻系統(tǒng)而得到的預警溫差閥值Δ Tj進行比較,如果前者大于或等于后者,則啟動疲勞老化失效預警。實施例二
如圖3所示,所述溫度傳感器為冷卻氣體溫度傳感器,IGBT自身集成的NTC溫度傳感器,以及電力電子裝置自身的控制系統(tǒng),構(gòu)成了失效預警的硬件基礎(chǔ)。冷卻氣體溫度傳感器測得器件外部溫度T11, IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測得器件內(nèi)部溫度Tntc,兩個溫度信號傳遞到控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過計算,得到相應的溫度差ΔΤ,此時的溫差AT與系統(tǒng)原先設(shè)定的該工況下基于該溫度傳感器及該冷卻系統(tǒng)而得到的預警溫差閥值八1)進行比較,如果前者大于或等于后者,則啟動疲勞老化失效預警。實施例三
如圖4所示,所述溫度傳感器為器件冷卻表面溫度傳感器,IGBT自身集成的NTC溫度傳感器,以及電力電子裝置自身的控制系統(tǒng),構(gòu)成了失效預警的硬件基礎(chǔ)。器件冷卻表面溫度傳感器測得器件外部溫度T2,IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測得器件內(nèi)部溫度Tntc,兩個溫度信號傳遞到控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過計算,得到相應的溫度差ΔΤ,此時的溫差AT與系統(tǒng)原先設(shè)定的該工況下基于該溫度傳感器及該冷卻系統(tǒng)而得到的預警溫差閥值A(chǔ)Tj進行比較,如果前者大于或等于后者,則啟動疲勞老化失效預警。
權(quán)利要求
1.一種IGBT失效預警方法,其特征在于,本發(fā)明所述IGBT,是特指集成有NTC溫度傳感器的IGBT,所述預警方法包括以下步驟第一步,獲取冷卻介質(zhì)溫度或者器件冷卻表面溫度T ;第二步,將第一步獲取的溫度T與集成在IGBT內(nèi)部的溫度傳感器NTC測得的溫度Tntc 進行比較求得溫差ΔΤ;第三步,將第二步求得的溫差ΔΤ與預警溫差閥值A(chǔ)Tj進行比較判斷,當ΔΤ彡ATj 時,發(fā)出預警信號,否則不發(fā)出預警信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種IGBT失效預警方法,其特征在于所述第三步中的預警溫差閥值Δ Tj可以是通過試驗得到的準確值,也可以是通過理論計算得到的合理近似值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述一種IGBT失效預警方法,其特征在于所述第二步中的溫差ΔT是由電力電子裝置自身的控制系統(tǒng)得到。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述一種IGBT失效預警方法,其特征在于所述第一步中的溫度T 可以是冷卻介質(zhì)的溫度,也可以是器件冷卻表面的溫度,由溫度傳感器測量得到,其中不同冷卻介質(zhì)溫度的測量由適用于該冷卻介質(zhì)的溫度傳感器完成。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種IGBT失效預警方法,其特征在于所述溫度傳感器為冷卻液溫度傳感器,IGBT自身集成的NTC溫度傳感器,以及電力電子裝置自身的控制系統(tǒng),構(gòu)成了失效預警的硬件基礎(chǔ);冷卻液溫度傳感器測得器件外部溫度T1, IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測得器件內(nèi)部溫度Tntc,兩個溫度信號傳遞到控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過計算,得到相應的溫度差ΔΤ,此時的溫差Δ T與系統(tǒng)原先設(shè)定的該工況下基于該溫度傳感器及該冷卻系統(tǒng)而得到的預警溫差閥值Δ Tj進行比較,如果前者大于或等于后者,則啟動疲勞老化失效預警。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種IGBT失效預警方法,其特征在于所述溫度傳感器為冷卻氣體溫度傳感器,IGBT自身集成的NTC溫度傳感器,以及電力電子裝置自身的控制系統(tǒng),構(gòu)成了失效預警的硬件基礎(chǔ);冷卻氣體溫度傳感器測得器件外部溫度Tn,IGBT自身集成的 NTC溫度傳感器測得器件內(nèi)部溫度Tntc,兩個溫度信號傳遞到控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過計算, 得到相應的溫度差ΔΤ,此時的溫差Δ T與系統(tǒng)原先設(shè)定的該工況下基于該溫度傳感器及該冷卻系統(tǒng)而得到的預警溫差閥值Δ ^.進行比較,如果前者大于或等于后者,則啟動疲勞老化失效預警。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種IGBT失效預警方法,其特征在于所述溫度傳感器為器件冷卻表面溫度傳感器,IGBT自身集成的NTC溫度傳感器,以及電力電子裝置自身的控制系統(tǒng),構(gòu)成了失效預警的硬件基礎(chǔ);器件冷卻表面溫度傳感器測得器件外部溫度T2,IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測得器件內(nèi)部溫度Tntc,兩個溫度信號傳遞到控制系統(tǒng),控制系統(tǒng)通過計算,得到相應的溫度差ΔΤ,此時的溫差Δ T與系統(tǒng)原先設(shè)定的該工況下基于該溫度傳感器及該冷卻系統(tǒng)而得到的預警溫差閥值Δ Tj進行比較,如果前者大于或等于后者,則啟動疲勞老化失效預警。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種IGBT失效預警方法,利用器件的熱阻變化可以體現(xiàn)在溫度差上的原理,通過測量器件溫度參數(shù),對器件的熱阻進行監(jiān)測,通過與設(shè)定的預警溫差閥值進行比較判斷,在IGBT疲勞老化失效前做出預警,提醒設(shè)計者或者用戶,并預留一段時間供設(shè)計者或用戶進行器件更換或設(shè)備檢修,降低因IGBT突然失效帶來的故障損失;同時,用戶和設(shè)計者可以更清晰的了解到器件失效的真實原因,進而改進設(shè)計及使用方法,使產(chǎn)品更趨完美;此外,由于相關(guān)溫度傳感器在很多系統(tǒng)中本來就存在,因此,本發(fā)明并不額外增加硬件成本。
文檔編號G01R31/26GK102253320SQ20111009726
公開日2011年11月23日 申請日期2011年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月19日
發(fā)明者曹國榮, 李遠瓊, 蔣耀生, 趙燕峰 申請人:南車株洲電力機車研究所有限公司