[发明专利]一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法

说明书

本发明公开了一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法，包括：将磁纳米粒子布置在IGBT芯片外壳背部的中心区域，构建IGBT结、IGBT芯片外壳与工作环境的二阶传热模型；构建均匀的交流激励磁场，将带有磁纳米粒子的IGBT芯片放置于所述磁场后，提取磁纳米粒子响应信号的一次谐波幅值；根据一次谐波幅值，计算IGBT芯片外壳背部温度；根据IGBT芯片外壳背部温度、工作环境温度和二阶传热模型，计算IGBT结温。本发明使磁纳米粒子接近IGBT结处，提高IGBT结温测量的精度；利用磁纳米粒子磁化强度的温度敏感特性，测量磁纳米粒子交流磁化强度的一次谐波幅值，得到外壳背部温度，无需破坏IGBT芯片的现有封装，实现非侵入式温度测量；通过二阶热容热阻传热模型，实现IGBT结温的实时测量。

技术领域

本发明属于纳米测试技术领域，更具体地，涉及一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法。

背景技术

自上世纪80年代初研发成功后，IGBT的制造工艺一直在改进。IGBT器件集合了MOSFET与BJT的优点，并以高开关速度与低开关损耗被视为理想开关，广泛应用于逆变器等领域。然而IGBT在较为严苛的外部应力下容易失效，从而导致经济损失与社会影响。众多半导体厂家以及文献总结出了IGBT的寿命预测模型，主要表现为工作的寿命与芯片温升的关系曲线，体现出IGBT结温测量的重要性。

现有技术中，IGBT结温的测量方法大致分为：接触测量法、非接触测量法、温度敏感参数法以及热网络法。接触式测量方法包括热敏电阻等，但由于需要改变封装从而破坏温度场等原因，测量的结果会导致较大误差；非接触式测量法主要包括光纤温度计、红外摄像等，存在需要对封装进行破坏并且整套设备造价昂贵的缺点；温度敏感参数法利用的是IGBT元件的饱和压降等热敏参数，通过拟合热敏参数与温度的关系曲线，从而测量热敏参数值得到温度信息，但由于存在适用的局限性，并不适合实时的温度测量；热网络法通过提出IGBT的传热模型、结合模型参数与测量点的温度，计算得到待测点的温度信息，但由于IGBT应用电路除了IGBT芯片之外，还有其他大功率器件，并且多个器件存在热耦合，模型建立以及参数计算较为复杂，且会随着器件的老化使得温度测量产生较大误差。

磁纳米粒子是一种纳米尺度的四氧化三铁颗粒，具有良好的温度敏感特性，可以实现非侵入式温度测量。2009年，J.B.Weaver等人利用MNP(磁纳米粒子)磁化曲线的非线性特性，通过交流磁化强度的三次谐波和五次谐波幅值比值，实现了温度测量，其测量精度约为0.3K。2012年，J.Zhong等人基于郎之万顺磁定理，建立了直流激励下，磁化率与温度之间的数学模型，并在模型中引入布洛赫定律后，温度测量误差的标准差达到了0.017K。但由于直流激励下的温度测量存在测量速度慢的缺点，无法应用到实时性要求较高的场合，J.Zhong等人提出交直流激励下的磁化率数学模型，将温度测量的时间分辨率提高到1s，且温度测量精度为0.3K。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法，利用磁纳米粒子测量芯片外壳背部温度，结合二阶传热模型及模型参数，实现IGBT结温实时测量。

为实现上述目的，第一方面，本发明实施例提供了一种基于磁纳米粒子的IGBT结温测量方法，所述方法包括如下步骤：

S1.将磁纳米粒子布置在IGBT芯片外壳背部的中心区域，构建IGBT结、IGBT芯片外壳与工作环境的二阶传热模型；

S2.构建均匀的交流激励磁场，将带有磁纳米粒子的IGBT芯片放置于所述磁场后，提取磁纳米粒子响应信号的一次谐波幅值；

S3.根据提取到的一次谐波幅值，计算IGBT芯片外壳背部温度；

S4.根据计算得到的IGBT芯片外壳背部温度、工作环境温度和二阶传热模型，计算IGBT结温。

具体地，所述磁纳米粒子的粒径为5～30nm。