專利名稱：一種igbt失效預(yù)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(yù)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(yù)警方法，主要用于IGBT器件的失效預(yù)警和故障檢測(cè)，屬于半導(dǎo)體器件檢測(cè)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(diǎn)，因此，自1986年IGBT開始投入市場，就迅速擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域，成為中小功率電力電子設(shè)備的主導(dǎo)器件。近幾年，由于半導(dǎo)體技術(shù)和制作工藝的發(fā)展，IGBT的性能更是得到進(jìn)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(yīng)用。隨著IGBT的應(yīng)用越來越廣泛，人們對(duì)IGBT的工作要求也原來越高，其維護(hù)、失效預(yù)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(bào)提醒設(shè)計(jì)者及使用者進(jìn)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(gè)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(dǎo)熱層(DCB)，基板等。由于各層之間的材料不同，其相應(yīng)的熱膨脹系數(shù)不同，而IGBT工作時(shí)，存在功率循環(huán)和熱循環(huán)，致使各層不停的承受著熱應(yīng)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(yàn)，發(fā)現(xiàn)同樣條件下，當(dāng)器件熱阻增大25%或是芯片壓降增大5%時(shí)，器件將會(huì)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(shí)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(gè)體差異，難于精確檢測(cè)，因此，通過器件壓降的增加來對(duì)器件失效進(jìn)行預(yù)警，難度及成本都較大。而器件的熱阻，個(gè)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(cè)的變化，可以作為器件疲勞失效的一種預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)警依據(jù)的預(yù)警方法，在IGBT真正失效之前發(fā)出預(yù)警信息， 為設(shè)計(jì)者及用戶提供一段時(shí)間，使設(shè)計(jì)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(yù)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(yù)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(cè)得的溫度Tntc 進(jìn)行比較求得溫差ΔΤ;
第三步，將第二步求得的溫差ΔΤ與預(yù)警溫差閥值A(chǔ)Tj進(jìn)行比較判斷，當(dāng)ΔΤ彡ATj
3時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)，否則不發(fā)出預(yù)警信號(hào)。所述第三步中的預(yù)警溫差閥值Δ Tj可以是通過試驗(yàn)得到的準(zhǔn)確值，也可以是通過理論計(jì)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(cè)量得到，其中不同冷卻介質(zhì)溫度的測(cè)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(cè)量難度高的電壓參數(shù)的測(cè)量轉(zhuǎn)換為裕量大、穩(wěn)定性好、易測(cè)量的溫度參數(shù)進(jìn)行測(cè)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(yù)警方法，有效預(yù)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(cè)量方便； 3、本發(fā)明實(shí)施難度小，很多功能依靠原有硬件系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)，實(shí)施成本低。


圖1本發(fā)明IGBT失效預(yù)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(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明一種IGBT失效預(yù)警方法進(jìn)行進(jìn)一步闡述。一種IGBT失效預(yù)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(yù)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(cè)得的溫度Tntc 進(jìn)行比較求得溫差ΔΤ;
第三步，將第二步求得的溫差ΔΤ與預(yù)警溫差閥值A(chǔ)Tj進(jìn)行比較判斷，當(dāng)ΔΤ彡ATj 時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)，否則不發(fā)出預(yù)警信號(hào)。所述第三步中的預(yù)警溫差閥值Δ Tj可以是通過試驗(yàn)得到的準(zhǔn)確值，也可以是通過理論計(jì)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(cè)量得到，其中不同冷卻介質(zhì)溫度的測(cè)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(huì)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(gè)DCB層，而且位置非常近， 達(dá)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(xué)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(huì)導(dǎo)致IGBT器件內(nèi)部和外部的溫差Δ T變大，當(dāng)熱阻Rth(j。)增大到一定程度時(shí)，IGBT器件即面臨失效，因此，可以根據(jù)需要設(shè)定IGBT 失效預(yù)警溫差閥值ΔΤ」(ATjW大小可以通過試驗(yàn)方法確定，也可以通過理論估算而來)， 將測(cè)量得到的溫差ΔΤ與預(yù)警溫差閥值A(chǔ)Tj進(jìn)行比較，即可判斷IGBT是否即將失效，起到預(yù)警作用。實(shí)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(yù)警的硬件基礎(chǔ)。冷卻液溫度傳感器測(cè)得器件外部溫度T1, IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測(cè)得器件內(nèi)部溫度Tntc，兩個(gè)溫度信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計(jì)算，得到相應(yīng)的溫度差ΔΤ，此時(shí)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(yù)警溫差閥值Δ Tj進(jìn)行比較，如果前者大于或等于后者，則啟動(dòng)疲勞老化失效預(yù)警。實(shí)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(yù)警的硬件基礎(chǔ)。冷卻氣體溫度傳感器測(cè)得器件外部溫度T11, IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測(cè)得器件內(nèi)部溫度Tntc，兩個(gè)溫度信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計(jì)算，得到相應(yīng)的溫度差ΔΤ，此時(shí)的溫差A(yù)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(yù)警溫差閥值八1)進(jìn)行比較，如果前者大于或等于后者，則啟動(dòng)疲勞老化失效預(yù)警。實(shí)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(yù)警的硬件基礎(chǔ)。器件冷卻表面溫度傳感器測(cè)得器件外部溫度T2，IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測(cè)得器件內(nèi)部溫度Tntc，兩個(gè)溫度信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計(jì)算，得到相應(yīng)的溫度差ΔΤ，此時(shí)的溫差A(yù)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(yù)警溫差閥值A(chǔ)Tj進(jìn)行比較，如果前者大于或等于后者，則啟動(dòng)疲勞老化失效預(yù)警。
權(quán)利要求
1.一種IGBT失效預(yù)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(yù)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(cè)得的溫度Tntc 進(jìn)行比較求得溫差ΔΤ;第三步，將第二步求得的溫差ΔΤ與預(yù)警溫差閥值A(chǔ)Tj進(jìn)行比較判斷，當(dāng)ΔΤ彡ATj 時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)，否則不發(fā)出預(yù)警信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種IGBT失效預(yù)警方法，其特征在于所述第三步中的預(yù)警溫差閥值Δ Tj可以是通過試驗(yàn)得到的準(zhǔn)確值，也可以是通過理論計(jì)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(yù)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(yù)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(cè)量得到，其中不同冷卻介質(zhì)溫度的測(cè)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(yù)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(yù)警的硬件基礎(chǔ)；冷卻液溫度傳感器測(cè)得器件外部溫度T1, IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測(cè)得器件內(nèi)部溫度Tntc，兩個(gè)溫度信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計(jì)算，得到相應(yīng)的溫度差ΔΤ，此時(shí)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(yù)警溫差閥值Δ Tj進(jìn)行比較，如果前者大于或等于后者，則啟動(dòng)疲勞老化失效預(yù)警。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種IGBT失效預(yù)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(yù)警的硬件基礎(chǔ)；冷卻氣體溫度傳感器測(cè)得器件外部溫度Tn，IGBT自身集成的 NTC溫度傳感器測(cè)得器件內(nèi)部溫度Tntc，兩個(gè)溫度信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計(jì)算， 得到相應(yīng)的溫度差ΔΤ，此時(shí)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(yù)警溫差閥值Δ ^.進(jìn)行比較，如果前者大于或等于后者，則啟動(dòng)疲勞老化失效預(yù)警。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述一種IGBT失效預(yù)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(yù)警的硬件基礎(chǔ)；器件冷卻表面溫度傳感器測(cè)得器件外部溫度T2，IGBT自身集成的NTC溫度傳感器測(cè)得器件內(nèi)部溫度Tntc，兩個(gè)溫度信號(hào)傳遞到控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過計(jì)算，得到相應(yīng)的溫度差ΔΤ，此時(shí)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(yù)警溫差閥值Δ Tj進(jìn)行比較，如果前者大于或等于后者，則啟動(dòng)疲勞老化失效預(yù)警。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種IGBT失效預(yù)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(cè)量器件溫度參數(shù)，對(duì)器件的熱阻進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過與設(shè)定的預(yù)警溫差閥值進(jìn)行比較判斷，在IGBT疲勞老化失效前做出預(yù)警，提醒設(shè)計(jì)者或者用戶，并預(yù)留一段時(shí)間供設(shè)計(jì)者或用戶進(jìn)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(shí)，用戶和設(shè)計(jì)者可以更清晰的了解到器件失效的真實(shí)原因，進(jìn)而改進(jìn)設(shè)計(jì)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(hào)G01R31/26GK102253320SQ20111009726
公開日2011年11月23日 申請(qǐng)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(yuǎn)瓊, 蔣耀生, 趙燕峰 申請(qǐng)人:南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司