一種絕緣柵雙極型晶體管的在線健康管理裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及電子電路技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，設(shè)及一種絕緣柵雙極型晶體管的在線 健康管理裝置和方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科研技術(shù)的進(jìn)步和制造工藝的提高，絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor,簡(jiǎn)稱IGBT)作為電力電子領(lǐng)域理想的開關(guān)器件，已廣泛應(yīng)用于新能源 發(fā)電、機(jī)車牽引、高壓輸電等諸多關(guān)鍵領(lǐng)域中。隨著功率半導(dǎo)體新結(jié)構(gòu)和新工藝的應(yīng)用， IGBT的電流密度和耐壓等級(jí)在不斷增大，同時(shí)隨著IGBT的體積越來(lái)越小，而其所承受的電 學(xué)、力學(xué)和熱學(xué)載荷越來(lái)越重。IGBT在大功率運(yùn)行狀態(tài)下會(huì)產(chǎn)生大量熱量，從而導(dǎo)致溫升和 熱應(yīng)力形變。
[0003] 由于IGBT長(zhǎng)久運(yùn)行不斷承受溫度變化和功率循環(huán)，從而加快了其疲勞失效的進(jìn) 程。IGBT失效故障會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備運(yùn)行中斷，甚至?xí)斐蓢?yán)重安全事故和重大經(jīng)濟(jì)損失。因 此，如何在IGBT工作過(guò)程中，對(duì)IGBT進(jìn)行壽命檢測(cè)，W 了解IGBT的狀態(tài)、可靠性就變得越來(lái) 越重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種絕緣柵雙極型晶體管的在線健康管理裝置和方法，W 解決現(xiàn)有技術(shù)中無(wú)法在IGBT工作的過(guò)程中對(duì)IGBT的壽命進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)問(wèn)題。
[0005] 本發(fā)明第一方面提供了一種絕緣柵雙極型晶體管的在線健康管理裝置，該在線健 康管理裝置包括：
[0006] 電熱檢測(cè)模塊，用于根據(jù)所述絕緣柵雙極型晶體管的運(yùn)行工況參數(shù)，結(jié)合所述絕 緣柵雙極性晶體管的結(jié)構(gòu)，檢測(cè)所述絕緣柵雙極性晶體管的結(jié)溫和溫升；
[0007] 退化檢測(cè)模塊，用于根據(jù)所述運(yùn)行工況參數(shù)、所述絕緣柵雙極性晶體管的結(jié)構(gòu)和 所述結(jié)溫和溫升，檢測(cè)所述絕緣柵雙極性晶體管的性能退化程度；
[000引壽命檢測(cè)模塊，用于根據(jù)所述性能退化程度，檢測(cè)所述絕緣柵雙極型晶體管的消 耗壽命。
[0009] 可選的，該在線健康管理裝置還包括：
[0010] 采樣模塊，用于采集所述絕緣柵雙極型晶體管的運(yùn)行工況參數(shù)；
[0011] 極值檢測(cè)模塊，用于檢測(cè)所述運(yùn)行工況參數(shù)是否位于各自對(duì)應(yīng)的極值范圍之內(nèi)， 若是，將所述運(yùn)行工況參數(shù)發(fā)送給所述電熱檢測(cè)模塊。
[0012] 可選的，該在線健康管理裝置還包括：
[0013] 預(yù)警模塊，用于檢測(cè)所述消耗壽命是否大于或等于預(yù)設(shè)壽命，若是，進(jìn)行失效報(bào) 警。
[0014] 可選的，若所述極值檢測(cè)模塊檢測(cè)到有運(yùn)行工況參數(shù)位于其對(duì)應(yīng)的極值范圍之 夕h將檢測(cè)結(jié)果通知所述預(yù)警模塊;所述預(yù)警模塊還用于根據(jù)所述極值檢測(cè)模塊的檢測(cè)結(jié) 果，進(jìn)行失效報(bào)警。
[0015] 可選的，所述運(yùn)行工況參數(shù)至少包括電流、電壓和工作溫度。
[0016] 可選的，所述退化檢測(cè)模塊用于根據(jù)各運(yùn)行工況參數(shù)、所述絕緣柵雙極性晶體管 的結(jié)構(gòu)和所述結(jié)溫和溫升對(duì)應(yīng)的失效工作周期，結(jié)合各運(yùn)行工況參數(shù)、所述絕緣柵雙極性 晶體管的結(jié)構(gòu)和所述結(jié)溫和溫升對(duì)應(yīng)的融合算子，檢測(cè)所述絕緣柵雙極性晶體管的性能退 化程度。
[0017] 本發(fā)明帶來(lái)了 W下有益效果：本發(fā)明實(shí)施例提供了一種IGBT的在線健康管理裝 置，該在線健康管理裝置通過(guò)IGBT的運(yùn)行工況參數(shù)、結(jié)合IGBT的結(jié)構(gòu)，檢測(cè)IGBT的壽命情 況，W及時(shí)將IGBT的壽命情況反饋給用戶，讓用戶及時(shí)維護(hù)并更換IGBT，保證設(shè)置有IGBT的 設(shè)備能夠正常工作。
[0018] 本發(fā)明第二方面提供了一種絕緣柵雙極型晶體管的在線健康管理方法，該在線健 康管理方法包括：
[0019] 根據(jù)所述絕緣柵雙極型晶體管的運(yùn)行工況參數(shù)，結(jié)合所述絕緣柵雙極性晶體管的 結(jié)構(gòu)，檢測(cè)所述絕緣柵雙極性晶體管的結(jié)溫和溫升；
[0020] 根據(jù)所述運(yùn)行工況參數(shù)、所述絕緣柵雙極性晶體管的結(jié)構(gòu)和所述結(jié)溫和溫升，檢 測(cè)所述絕緣柵雙極性晶體管的性能退化程度；
[0021] 根據(jù)所述性能退化程度，檢測(cè)所述絕緣柵雙極型晶體管的消耗壽命。
[0022] 可選的，該在線健康管理方法還包括：
[0023] 根據(jù)所述性能退化程度，檢測(cè)所述絕緣柵雙極型晶體管的運(yùn)行狀態(tài)。
[0024] 可選的，在根據(jù)所述絕緣柵雙極型晶體管的運(yùn)行工況參數(shù)，結(jié)合所述絕緣柵雙極 性晶體管的結(jié)構(gòu)，檢測(cè)所述絕緣柵雙極性晶體管的結(jié)溫和溫升之前，該在線健康管理方法 還包括：
[0025] 采集所述絕緣柵雙極型晶體管的運(yùn)行工況參數(shù)；
[0026] 檢測(cè)所述運(yùn)行工況參數(shù)是否位于各自對(duì)應(yīng)的極值范圍之內(nèi)，若是，將所述運(yùn)行工 況參數(shù)發(fā)送給所述電熱檢測(cè)模塊。
[0027] 可選的，若檢測(cè)到有運(yùn)行工況參數(shù)位于其對(duì)應(yīng)的極值范圍之外時(shí)，該在線健康管 理方法還包括：
[0028] 根據(jù)所述極值檢測(cè)模塊的檢測(cè)結(jié)果，進(jìn)行失效報(bào)警。
[0029] 本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點(diǎn)將在隨后的說(shuō)明書中闡述，并且，部分地從說(shuō)明書中變 得顯而易見，或者通過(guò)實(shí)施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點(diǎn)可通過(guò)在說(shuō)明書、權(quán)利 要求書W及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)和獲得。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要的 附圖做簡(jiǎn)單的介紹：
[0031] 圖1是本發(fā)明實(shí)施例中的IGBT的在線健康管理裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0032] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例中的IGBT的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例中的IGBT的在線健康管理方法的流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034] W下將結(jié)合附圖及實(shí)施例來(lái)詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，借此對(duì)本發(fā)明如何應(yīng)用 技術(shù)手段來(lái)解決技術(shù)問(wèn)題，并達(dá)成技術(shù)效果的實(shí)現(xiàn)過(guò)程能充分理解并據(jù)W實(shí)施。需要說(shuō)明 的是，只要不構(gòu)成沖突，本發(fā)明中的各個(gè)實(shí)施例W及各實(shí)施例中的各個(gè)特征可W相互結(jié)合， 所形成的技術(shù)方案均在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
[0035] 本發(fā)明實(shí)施例提供了一種絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，簡(jiǎn)稱IGBT)的在線健康管理裝置。具體的，如圖1所示，該在線健康管理裝置包 括采樣模塊、極值檢測(cè)模塊、電熱檢測(cè)模塊、退化檢測(cè)模塊、壽命檢測(cè)模塊、預(yù)警模塊等結(jié) 構(gòu)。
[0036] 具體的，如圖2所示，IGBT由下至上依次包括銅基板1、襯板2、娃忍片3等結(jié)構(gòu)。其 中，銅基板1和襯板2之間、襯板2與娃忍片3之間，設(shè)置有用于將襯板2W及娃忍3固定在銅基 板1上的焊層4;娃忍片3是通過(guò)焊層4固定在襯板2上的其中一處覆銅層5上的，襯板2面對(duì)銅 基板1的一面也覆蓋有覆銅層5。娃忍片3上還設(shè)置有侶鍵合線6,侶鍵合線6導(dǎo)通娃忍片3和 位于襯板2同一面的另一處覆銅層5。
[0037] 對(duì)應(yīng)不同的器件結(jié)構(gòu)及不同的物料配置，其失效機(jī)理也對(duì)應(yīng)不同。因此，本發(fā)明實(shí) 施例提供的IGBT的檢測(cè)裝置需要全方位、多角度地對(duì)IGBT進(jìn)行檢測(cè)，W得到準(zhǔn)確的檢測(cè)結(jié) 果。
[0038] 本發(fā)明實(shí)施例中，采樣模塊包括檢測(cè)并采集IGBT的運(yùn)行工況參數(shù)的多種傳感器， 至少包括分別用于檢測(cè)IGBT的工作溫度、電壓和電流的傳感器。另外，為了得到更準(zhǔn)確的檢 測(cè)結(jié)果，采樣模塊還可包括分別檢測(cè)IGBT的工作海拔、相對(duì)濕度、振動(dòng)強(qiáng)度等參數(shù)的傳感 器。
[0039] 若IGBT處于較為極端的運(yùn)行工況參數(shù)下，則說(shuō)明IGBT無(wú)法有效地工作，甚至即將 面臨失效。本發(fā)明實(shí)施例中的檢測(cè)裝置還包括極值檢測(cè)模塊，該極值檢測(cè)模塊用于檢測(cè)運(yùn) 行工況參數(shù)是否位于各自對(duì)應(yīng)的極值范圍之內(nèi)，即IGBT是否位于工作安全區(qū)內(nèi)。工作安全 區(qū)主要有正向偏置安全、反向偏置安全區(qū)及短路安全工作區(qū)，要求器件運(yùn)行區(qū)域均要滿足 相應(yīng)安全區(qū)的限制要求。具體的，對(duì)于作為普通功率器件的IGBT和作為牽引功率器件的 IGBT而言，具有如下表1所示的不同的極值范圍：
[0040]
[0041] 表 1
[0042] 若極值檢測(cè)模塊檢測(cè)到運(yùn)行工況參數(shù)中的某一項(xiàng)，例如溫度超出極值范圍，說(shuō)明 當(dāng)前IGBT內(nèi)的焊層4面臨烙化的危險(xiǎn)，導(dǎo)致IGBT面臨失效的危險(xiǎn)。則預(yù)警模塊將向用戶彈出 對(duì)應(yīng)的預(yù)警提示，此時(shí)IGBT暫時(shí)停止工作。
[0043] 反之，若極值檢測(cè)模塊檢測(cè)到各運(yùn)行工況參數(shù)均位于對(duì)應(yīng)的極值范圍之內(nèi)，極值 檢測(cè)模塊將運(yùn)行工況參數(shù)發(fā)送給電熱檢測(cè)模塊，供電熱檢測(cè)模塊根據(jù)IGBT的運(yùn)行工況參 數(shù)，結(jié)合IGBT的結(jié)構(gòu)，檢測(cè)IGBT的結(jié)溫和溫升。電熱檢測(cè)模塊包括功率損耗模型和熱模型， 主要通過(guò)檢測(cè)IGBT的功率損耗和熱耗來(lái)檢測(cè)IGBT的結(jié)溫和溫升。功率損耗模型表征的是 IGBT運(yùn)行過(guò)程中損耗功率隨電壓電流及溫度變化的特性，即溫升;熱模型表征IGBT功率損 耗W熱量形式流動(dòng)時(shí)所經(jīng)路徑的熱傳導(dǎo)特性，是進(jìn)行功率器件結(jié)溫評(píng)估的關(guān)鍵模型。
[0044] 需要說(shuō)明的是，電熱檢測(cè)模塊所結(jié)合的IGBT的結(jié)構(gòu)，為用戶預(yù)先設(shè)置、存儲(chǔ)在在線 健康管理裝置的數(shù)據(jù)庫(kù)中的，電熱檢測(cè)模塊需要時(shí)可直接調(diào)用，并非實(shí)時(shí)檢測(cè)到的具體結(jié) 構(gòu)。
[0045] 具體的，功率損耗模型通過(guò)下式計(jì)算IGBT的功率損耗:PTr_tot = Pcond_Tr+Psw_Tr_on+ Psw_Tr_off，式中 Pcond_Tr 為 IGBT 通態(tài)損耗，Psw_Tr_on 為 IGBT 開通損耗，Psw_Tr_off 為 IGBT 關(guān)斷損耗。 可通過(guò)下式計(jì)算二極管的功率損耗:PD_tot = Pcond_D+Psw_D_off，式中，口。。。<1_0為二極管通態(tài)損 耗，Psw_D_of f為二極管開關(guān)損耗。
[0046] IGBT在運(yùn)行中產(chǎn)生的功率損耗W熱量的形式在器件內(nèi)部流動(dòng)，而IGBT的散熱路徑 特性會(huì)直接影響IGBT的結(jié)溫及各層材料壽命。因?yàn)闊崃康膫鲗?dǎo)過(guò)程中，材料的熱膨脹系數(shù) (Coefficient of thermal e邱ansion，簡(jiǎn)稱CTE)的不一致將導(dǎo)致熱應(yīng)力，從而使材料性能 發(fā)生退化。借助熱模型可描述器