一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置和方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电子电路技术领域，具体地说，设及一种绝缘栅双极型晶体管的在线 健康管理装置和方法。
【背景技术】
[0002] 随着科研技术的进步和制造工艺的提高，绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)作为电力电子领域理想的开关器件，已广泛应用于新能源 发电、机车牵引、高压输电等诸多关键领域中。随着功率半导体新结构和新工艺的应用， IGBT的电流密度和耐压等级在不断增大，同时随着IGBT的体积越来越小，而其所承受的电 学、力学和热学载荷越来越重。IGBT在大功率运行状态下会产生大量热量，从而导致溫升和 热应力形变。
[0003] 由于IGBT长久运行不断承受溫度变化和功率循环，从而加快了其疲劳失效的进 程。IGBT失效故障会导致整个设备运行中断，甚至会造成严重安全事故和重大经济损失。因 此，如何在IGBT工作过程中，对IGBT进行寿命检测，W 了解IGBT的状态、可靠性就变得越来 越重要。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置和方法，W 解决现有技术中无法在IGBT工作的过程中对IGBT的寿命进行检测的技术问题。
[0005] 本发明第一方面提供了一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置，该在线健 康管理装置包括：
[0006] 电热检测模块，用于根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝 缘栅双极性晶体管的结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结溫和溫升；
[0007] 退化检测模块，用于根据所述运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和 所述结溫和溫升，检测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度；
[000引寿命检测模块，用于根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的消 耗寿命。
[0009] 可选的，该在线健康管理装置还包括：
[0010] 采样模块，用于采集所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数；
[0011] 极值检测模块，用于检测所述运行工况参数是否位于各自对应的极值范围之内， 若是，将所述运行工况参数发送给所述电热检测模块。
[0012] 可选的，该在线健康管理装置还包括：
[0013] 预警模块，用于检测所述消耗寿命是否大于或等于预设寿命，若是，进行失效报 警。
[0014] 可选的，若所述极值检测模块检测到有运行工况参数位于其对应的极值范围之 夕h将检测结果通知所述预警模块;所述预警模块还用于根据所述极值检测模块的检测结 果，进行失效报警。
[0015] 可选的，所述运行工况参数至少包括电流、电压和工作溫度。
[0016] 可选的，所述退化检测模块用于根据各运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管 的结构和所述结溫和溫升对应的失效工作周期，结合各运行工况参数、所述绝缘栅双极性 晶体管的结构和所述结溫和溫升对应的融合算子，检测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退 化程度。
[0017] 本发明带来了 W下有益效果：本发明实施例提供了一种IGBT的在线健康管理装 置，该在线健康管理装置通过IGBT的运行工况参数、结合IGBT的结构，检测IGBT的寿命情 况，W及时将IGBT的寿命情况反馈给用户，让用户及时维护并更换IGBT，保证设置有IGBT的 设备能够正常工作。
[0018] 本发明第二方面提供了一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理方法，该在线健 康管理方法包括：
[0019] 根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝缘栅双极性晶体管的 结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结溫和溫升；
[0020] 根据所述运行工况参数、所述绝缘栅双极性晶体管的结构和所述结溫和溫升，检 测所述绝缘栅双极性晶体管的性能退化程度；
[0021] 根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的消耗寿命。
[0022] 可选的，该在线健康管理方法还包括：
[0023] 根据所述性能退化程度，检测所述绝缘栅双极型晶体管的运行状态。
[0024] 可选的，在根据所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数，结合所述绝缘栅双极 性晶体管的结构，检测所述绝缘栅双极性晶体管的结溫和溫升之前，该在线健康管理方法 还包括：
[0025] 采集所述绝缘栅双极型晶体管的运行工况参数；
[0026] 检测所述运行工况参数是否位于各自对应的极值范围之内，若是，将所述运行工 况参数发送给所述电热检测模块。
[0027] 可选的，若检测到有运行工况参数位于其对应的极值范围之外时，该在线健康管 理方法还包括：
[0028] 根据所述极值检测模块的检测结果，进行失效报警。
[0029] 本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变 得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利 要求书W及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
【附图说明】
[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的 附图做简单的介绍：
[0031] 图1是本发明实施例中的IGBT的在线健康管理装置的结构示意图；
[0032] 图2是本发明实施例中的IGBT的结构示意图；
[0033] 图3是本发明实施例中的IGBT的在线健康管理方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0034] W下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用 技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据W实施。需要说明 的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例W及各实施例中的各个特征可W相互结合， 所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
[0035] 本发明实施例提供了一种绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)的在线健康管理装置。具体的，如图1所示，该在线健康管理装置包 括采样模块、极值检测模块、电热检测模块、退化检测模块、寿命检测模块、预警模块等结 构。
[0036] 具体的，如图2所示，IGBT由下至上依次包括铜基板1、衬板2、娃忍片3等结构。其 中，铜基板1和衬板2之间、衬板2与娃忍片3之间，设置有用于将衬板2W及娃忍3固定在铜基 板1上的焊层4;娃忍片3是通过焊层4固定在衬板2上的其中一处覆铜层5上的，衬板2面对铜 基板1的一面也覆盖有覆铜层5。娃忍片3上还设置有侣键合线6,侣键合线6导通娃忍片3和 位于衬板2同一面的另一处覆铜层5。
[0037] 对应不同的器件结构及不同的物料配置，其失效机理也对应不同。因此，本发明实 施例提供的IGBT的检测装置需要全方位、多角度地对IGBT进行检测，W得到准确的检测结 果。
[0038] 本发明实施例中，采样模块包括检测并采集IGBT的运行工况参数的多种传感器， 至少包括分别用于检测IGBT的工作溫度、电压和电流的传感器。另外，为了得到更准确的检 测结果，采样模块还可包括分别检测IGBT的工作海拔、相对湿度、振动强度等参数的传感 器。
[0039] 若IGBT处于较为极端的运行工况参数下，则说明IGBT无法有效地工作，甚至即将 面临失效。本发明实施例中的检测装置还包括极值检测模块，该极值检测模块用于检测运 行工况参数是否位于各自对应的极值范围之内，即IGBT是否位于工作安全区内。工作安全 区主要有正向偏置安全、反向偏置安全区及短路安全工作区，要求器件运行区域均要满足 相应安全区的限制要求。具体的，对于作为普通功率器件的IGBT和作为牵引功率器件的 IGBT而言，具有如下表1所示的不同的极值范围：
[0040]
[0041] 表 1
[0042] 若极值检测模块检测到运行工况参数中的某一项，例如溫度超出极值范围，说明 当前IGBT内的焊层4面临烙化的危险，导致IGBT面临失效的危险。则预警模块将向用户弹出 对应的预警提示，此时IGBT暂时停止工作。
[0043] 反之，若极值检测模块检测到各运行工况参数均位于对应的极值范围之内，极值 检测模块将运行工况参数发送给电热检测模块，供电热检测模块根据IGBT的运行工况参 数，结合IGBT的结构，检测IGBT的结溫和溫升。电热检测模块包括功率损耗模型和热模型， 主要通过检测IGBT的功率损耗和热耗来检测IGBT的结溫和溫升。功率损耗模型表征的是 IGBT运行过程中损耗功率随电压电流及溫度变化的特性，即溫升;热模型表征IGBT功率损 耗W热量形式流动时所经路径的热传导特性，是进行功率器件结溫评估的关键模型。
[0044] 需要说明的是，电热检测模块所结合的IGBT的结构，为用户预先设置、存储在在线 健康管理装置的数据库中的，电热检测模块需要时可直接调用，并非实时检测到的具体结 构。
[0045] 具体的，功率损耗模型通过下式计算IGBT的功率损耗:PTr_tot = Pcond_Tr+Psw_Tr_on+ Psw_Tr_off，式中 Pcond_Tr 为 IGBT 通态损耗，Psw_Tr_on 为 IGBT 开通损耗，Psw_Tr_off 为 IGBT 关断损耗。 可通过下式计算二极管的功率损耗:PD_tot = Pcond_D+Psw_D_off，式中，口。。。<1_0为二极管通态损 耗，Psw_D_of f为二极管开关损耗。
[0046] IGBT在运行中产生的功率损耗W热量的形式在器件内部流动，而IGBT的散热路径 特性会直接影响IGBT的结溫及各层材料寿命。因为热量的传导过程中，材料的热膨胀系数 (Coefficient of thermal e邱ansion，简称CTE)的不一致将导致热应力，从而使材料性能 发生退化。借助热模型可描述器