一种绝缘栅双极型晶体管退化的在线监测方法与流程

本发明属于可靠性工程技术领域，涉及一种绝缘栅双极型晶体管退化的在线监测方法。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT)，是由金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，简称MOSFET)和双极结型晶体管(Bipolar Junction Transistor，简称BJT)复合而成的全控型压控的功率开关器件，兼有电压控制、输入阻抗高、开关速度快、导通电阻小、电流容量大的优点，因此广泛应用于变频器等功率变流器中，是实现功率变换的主体。

IGBT在实际应用中，处于反复的导通关断状态，从而IGBT结温也反复交替地升高降低，该运行过程称为IGBT的功率循环过程。由于组成IGBT封装结构的各组成材料的热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion，简称CTE)的不同，导致在功率循环过程中IGBT各组成材料之间的接触面因温度的反复变化而承受着重复的机械应力，从而不断退化，导致发生铝金属层重构和键合线断裂失效。

目前，现有的对IGBT退化监测的方法中，其退化指标有着或不能在线测得，或受负载电流变化影响，或受结温变化影响等诸多的限制。本在线监测方法中的退化指标可以根据在线监测到的电气量，通过一定的计算方法获得，而且不受集电极电流变化的影响；在经过去结温的优化后，也不受结温变化的影响。本在线监测方法可表征IGBT内部的退化程度而不受其他因素的影响，可在IGBT失效前进行预警，防止因IGBT的突然失效而带来的安全问题和经济损失。

技术实现要素：

基于上述问题，本发明的目的在于提供一种绝缘栅双极型晶体管退化的在线监测方法，用于准确地在线监测IGBT内部的退化程度，且不受集电极电流和结温变化的影响。该在线监测方法包括：IGBT不退化情况下，对待测IGBT进行温度实验，测得待测IGBT不同结温下表征IGBT结温水平的结温指标——不变压降和表征IGBT退化程度的退化指标——导通电阻，计算相同结温变化下退化指标变化量与结温指标变化量的比例系数；IGBT退化情况下，在线测得结温指标和退化指标，结合正常情况下由温度实验得出的比例系数，对退化指标进行去结温影响的优化，根据优化后的退化指标来监测待测IGBT的退化程度。

本发明所采用的具体技术方案如下：

绝缘栅双极型晶体管退化的在线监测方法，包括以下步骤：

1)控制实验条件使待测IGBT承受不会引起明显退化的重复的电流冲击，且结温可近似与壳温相等，进行温度实验，以获得相同的结温变化下，退化指标变化量与结温指标变化量的比例系数。该步骤具体包括以下子步骤：

1.1)通过恒温装置使待测IGBT的壳温恒定于目标温度。初始的目标温度可根据实际实验的需要进行确定。

1.2)采集待测IGBT的集电极-发射极电压和集电极电流波形。本发明中集电极-发射极电压指集电极与发射极之间的电压。

1.3)提取IGBT导通时的集电极-发射极电压和集电极电流，并计算出该结温下的待测IGBT未退化时的结温指标和退化指标。

1.4)改变壳温，通过恒温装置使IGBT壳温恒定在改变后的壳温值，重复1.2)～1.3)，得到当前结温下的待测IGBT未退化时的结温指标和退化指标。

1.5)重复1.4)足够多次，得到足够多组不同结温下的结温指标和退化指标。

1.6)根据多组不同结温下的待测结温指标和退化指标，计算出相同的结温变化下，退化指标变化量与结温指标变化量的比例系数。

2)待测IGBT用于实际工作过程中，会承受重复的较大的电流冲击而处在功率循环的退化过程中，对此过程进行在线监测，以获得目标时刻IGBT的退化程度。该步骤具体包括以下子步骤：

2.1)采集若干组在线监测开始后且IGBT没有发生明显退化时的待测IGBT的集电极-发射极电压和集电极电流波形。此处，冲击应尽量小，使IGBT基本保持未退化的正常状态，采集过程需在开始监测后尽快进行，以最大程度减小退化可能性。选择集电极-发射极电压和集电极电流值均正常(即未明显退化)的时刻的结温作为标准结温，并从标准结温所处的该组数据中提取导通时的集电极-发射极电压和集电极电流来计算出结温指标和退化指标，作为标准结温指标和标准退化指标。

2.2)当需要监测待测IGBT的目标时刻的退化程度时，采集目标时刻的待测IGBT的集电极-发射极电压和集电极电流，提取出导通部分，计算目标时刻的待测IGBT的结温指标和退化指标；

2.3)根据步骤1.6)中得到的比例系数、目标时刻的结温指标、目标时刻的退化指标、标准结温指标，对目标时刻的退化指标进行去结温影响的优化；以优化后的退化指标表征目标时刻IGBT的退化程度。

另外，可以将当前时刻的优化后的退化指标与标准退化指标进行对比，确定本发明的方法可在不受结温变化的影响下，准确表征目标时刻IGBT的退化程度。

在上述方案基础上，可采用如下优选方式：

根据IGBT导通时的集电极-发射极电压和集电极电流计算出结温指标和退化指标过程中，均采用以下方法：

101)将IGBT导通时的机理模型中集电极电流和结温两个参数进行解耦变换，在实际监测允许的误差范围内，可近似为下列表达式：

V_ce,sat≈(k_Ia·T_j+b_Ia+R_contact)·I_c+(k_Ib+k_VT)·T_j+(b_Ib+b_VT)

其中，V_ce,sat为IGBT导通时的集电极-发射极电压，I_c为IGBT导通时的集电极电流，T_j为IGBT导通时的内部的温度即结温；R_contact为IGBT内部铝金属层和键合线处的电阻，其值会随IGBT退化程度的加深而变大；k_Ia、b_Ia、k_Ib、k_VT、b_Ib、b_VT均为只与该IGBT的固有参数有关，而与集电极电流和结温无关的系数。

102)从101)中所述的表达式机理模型中提取结温指标V_n表达如下：

V_n＝(k_Ib+k_VT)·T_j+(b_Ib+b_VT)

其中V_n为结温指标，称不变压降，是关于结温T_j的线性函数。结温指标可表征结温的大小。

103)从101)中所述的表达式机理模型中提取退化指标R_on表达如下：

R_on＝k_Ia·T_j+b_Ia+R_contact

其中R_on为退化指标，称导通电阻，是关于结温T_j和接触电阻R_contact的线性函数。退化指标可表征接触电阻R_contact的大小，进而可表征IGBT退化的程度，其中受到结温变化的影响通过优化方法来去除。

根据IGBT集电极-发射极电压和集电极电流计算出结温指标和退化指标的方法如下：

采集足够多个不同工作点下IGBT导通时集电极-发射极电压和集电极电流，进行线性拟合得到拟合公式，拟合公式中的斜率为退化指标，截距为结温指标。工作点数量应满足线性拟合的要求，一般至少5个点。

进一步的，上述的多个不同工作点中，相邻的工作点之间电源电压值的差须在实际电源电压值的正常波动范围内。

步骤1.6)根据多组不同结温下的待测结温指标和退化指标，计算出相同的结温变化下，退化指标的变化与结温指标的变化的比例系数的具体步骤如下：

1601)对于任意两组不同结温下，退化指标变化量与结温指标变化量的比例系数表达如下：

$k_{RV}=(R_{{\mathrm{onT}}_{ci}}-R_{{\mathrm{onT}}_{cj}})/(V_{{\mathrm{nT}}_{ci}}-V_{{\mathrm{nT}}_{cj}})$

其中，k_RV为比例系数，为壳温为T_ci下的退化指标和结温指标，为壳温为T_cj下的退化指标和结温指标；

1602)基于足够多组的上述公式计算得到两两组之间的比例系数，采用合适的统计方法得出这些比例系数的统计值，作为温度实验中多组数据下得到的最终比例系数值，参与后续的优化计算。此处统计方法可根据实际情况进行选择，统计值可以采用中值、均值等进行表征，部分误差较大的数据需先进行预筛选。

步骤2.3)中所述去结温影响的优化方法如下：

根据温度实验中得到的最终比例系数值、目标时刻的结温指标、目标时刻的退化指标、标准结温指标，使目标时刻的退化指标减去因相对标准结温的变化量而引起的相对标准退化指标的变化量，优化成去结温影响的退化指标，优化方法的表达如下：

R_{on_delT}＝R_{on_cur}-(V_{n_cur}-V_{n_std})·k_RVm

其中，R_{on_delT}为优化后的退化指标，R_{on_cur}为目标时刻的退化指标，V_{n_cur}为目标时刻的结温指标，k_RVm为前述统计得到的比例系数的统计值；V_{n_std}为整个退化监测中结温指标的标准值，由步骤2.1)中获得。

当需要不断在线监测IGBT退化程度时，可以等距设置多个目标值，不断从重复上述过程进行监测，以实时反映IGBT退化情况。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1)本在线监测方法可用于实际工作过程中IGBT退化程度的实时在线监测，同时不受IGBT工况变化的影响，即集电极电流变化和结温变化的影响。根据监测出的IGBT退化程度，进行预警，防止IGBT的突然失效带来的可靠性问题。

2)本监测方法中操作简单，数据处理方法简易，可以满足实时在线监测的要求。

3)本监测方法中采集的数据均为IGBT外部易测的电气量，可以依靠系统中预置的传感器获得，不需要额外增加其它的传感器。

4)本监测方法中对数据的采样频率要求不高，采样易于实现。

附图说明

图1为本发明采用的IGBT实验装置示意图；

图2为本发明IKP01N120H2在温度实验中多组比例系数散点图；

图3为本发明IKP01N120H2在退化监测中原退化指标和优化后的退化指标随退化程度加深的曲线对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述。

以型号为IKP01N120H2的绝缘栅双极型晶体管作为待测IGBT，采用图1所示的装置进行实验。实施在线监测方法的过程如下：

(一)设置附图1中的主电源和数字信号处理器的参数，使重复冲击待测IGBT的电流为3A，且每1s的周期内使IGBT只导通10ms，如此不会引起内部明显退化的重复的电流冲击，且结温可近似与壳温相等，开始温度实验：

(1.1)通过恒温装置使IGBT的壳温恒定在39℃；

(1.2)调节主电源的电压值变化±0.05V和±0.10V和原值处，各采集一组待测IGBT的集电极-发射极电压，集电极电流波形；

(1.3)提取上述五组数据中集电极-发射极电压和集电极电流中IGBT导通的部分，进行线性拟合，得到的斜率为该结温下未退化的待测IGBT的退化指标值，截距为结温指标值；

(1.4)改变壳温至50℃，通过恒温装置使IGBT壳温恒定在改变后的壳温值，重复(1.2)～(1.3)，得到当前结温下的待测IGBT未退化时的结温指标值和退化指标值；

(1.5)重复(1.4)，但使壳温依次改变为58℃、74℃、83℃、90℃、109℃，得到一共7组不同结温下待测IGBT未退化时的结温指标值和退化指标值；

(1.6)根据7组不同结温下的结温指标和退化指标，计算任意两组不同结温下，退化指标变化量与结温指标变化量的比例系数，计算公式表达如下：

$k_{RV}=(R_{{\mathrm{onT}}_{ci}}-R_{{\mathrm{onT}}_{cj}})/(V_{{\mathrm{nT}}_{ci}}-V_{{\mathrm{nT}}_{cj}})$

其中，k_RV为比例系数，为壳温为T_ci下的退化指标和结温指标，为壳温为T_cj下的退化指标和结温指标。

实验过程中为得到多组的比例系数，每组壳温下数据重复采三次，因此得到54组比例系数值，得到的散点图如附图2所示。54组比例系数中大部分位于[-10,0]区间内。经过对比研究，本发明中统计值最终选择为中位值。取54组比例系数的中位值为-0.23Ω/V，作为温度实验中多组数据下得到的比例系数值。

(二)设置附图1中的主电源和数字信号处理器的参数，使重复冲击待测IGBT的电流为7A，且每5s的周期内使IGBT导通10ms，模拟IGBT实际应用的功率循环退化过程：

(2.1)在线监测开始后、IGBT没有发生明显退化时，首次采集到的正常数据时的结温为标准结温。调节直流电源的电压值变化±0.05V和±0.10V和原值处，采集待测IGBT的集电极-发射极电压，集电极电流波形。提取上述五组数据中集电极-发射极电压和集电极电流中IGBT导通的部分，进行线性拟合，得到的斜率为标准结温下待测IGBT的标准退化指标值，截距为标准结温指标值；

(2.2)经过一万次的电流冲击后，调节直流电源的电压值变化±0.05V和±0.10V和原值处，各采集一组当前时刻的待测IGBT的集电极-发射极电压，集电极电流波形。提取上述五组数据中集电极-发射极电压和集电极电流中IGBT导通的部分，进行线性拟合，得到的斜率为当前时刻下的待测IGBT的退化指标值，截距为结温指标值；

(2.3)根据温度实验中得到的比例系数、当前时刻的结温指标值、当前时刻的退化指标值、标准结温指标值，使当前时刻的退化指标值减去因相对标准结温的变化量而引起的相对标准退化指标的变化量，优化成去结温影响的退化指标值，优化方法的表达如下：

R_{on_delT}＝R_{on_cur}-(V_{n_cur}-V_{n_std})·k_RVm

其中，R_{on_delT}为优化后的退化指标，R_{on_cur}为当前时刻的退化指标，V_{n_cur}为当前时刻的结温指标，k_RVm为比例系数的统计值，为-0.23Ω/V；V_{n_std}为整个退化监测中结温指标的标准值；(2.4)将当前时刻的优化后的退化指标与标准退化指标进行对比，可在不受结温变化的影响下，准确表征当前时刻IGBT的退化程度。

该实验中共经过约为18万次的冲击，平均每一万次采集3组实验数据，得到共54组数据。经过数据处理过程后，得到原退化指标和优化后的退化指标随退化程度加深的曲线图如附图3。

附图3中虚线是原退化指标随退化程度加深的变化曲线，实线是优化后的退化指标随退化程度加深的变化曲线，通过两者曲线的对比，说明了优化方法的有效性，可以使退化指标的波动性明显减小，且提高了退化指标的准确性。

同时，附图3中前42组数据中退化指标没有明显的改变，说明该重复过流冲击过程中，IGBT没有发生较明显的退化；而42组之后的数据有明显增大的趋势。结果表明，该在线监测方法可有效监测到IGBT的退化程度，且不受集电极电流和结温变化的影响。