[发明专利]一种功率半导体器件在线结温预估系统及方法

说明书

本发明公开了一种功率半导体器件在线结温预估系统及方法，该系统包括：器件电压‑电流检测单元、器件关断损耗计算单元、集电极电流‑关断损耗‑结温三维数据特征库单元、器件结温预估单元，器件结温输出显示单元。本发明采用器件单个关断过程中的能量损耗作为结温预测的特征参数，通过对关断损耗的提取，可准确地实现结温在线预测，为器件的可靠性分析提供支持和保障。本发明具有实施简易、侵入性低、准确度高等优点。

技术领域

本发明属于一种预估系统及方法领域，特别是涉及一种功率半导体器件的在线结温状态预估系统及方法。

背景技术

随着世界各国经济的不断发展，基于电力电子技术的能量变换装置与系统在全世界的各行各业都有了广泛的应用。例如，航空航天动力系统、变压变频调速系统、电能质量控制装置、智能轨道交通、新能源发电的并网发电系统、分布式独立电力系统、新能源电动汽车、大型钢铁冶炼控制系统、家用电器等领域。功率半导体器件在不同类型的系统中都是起到电能变换的作用，是所有电能变换装置的核心器件。

功率半导体器件IGBT具有开关速度高、开关损耗小、输入阻抗高、通态压降低等优点，在实际的电力电子装置和系统中得到了广泛的应用。温度对于IGBT失效有着重要的意义，温度每上升10℃，IGBT的失效概率上升约一倍。由此可知研究功率半导体器件的结温对于提高功率半导体器件的寿命和保证电力电子装置和系统的安全性和可靠性具有重要的现实意义和价值。

目前的研究成果而言，功率半导体器件的结温提取可分为四个方向：直接提取法、光学非接触式提取法、电热模型预测法与热敏电参数法。直接提取法响应时间太长，不利于结温的实时性检测。光学非接触式提取法，无法真实检测出结温。电热模型法仅能预测某一特定模型下的结温变化，预测精度与计算时间的矛盾难以平衡。热敏电参数法指利用半导体物理器件自身与温度有对应关系的物理参数来间接获取结温。热敏电参数法包含静态热敏电参数法和动态热敏电参数。其中动态热敏电参数法近年引起了许多学者的研究，但是都没有找到易于提取热敏电参数的方法。如何实现基于关断过程中的功率损耗的功率半导体器件的结温在线预估系统及方法，这成为亟待解决的技术问题。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种功率半导体器件在线结温预估系统及方法，该系统利用关断损耗作为器件结温预估的热敏电参数，实现对器件的结温预估，系统实施简易，准确性高。

关断损耗计算时间：为了便于后续关断损耗的计算，典型的做法，在一个关断过程中，取集电极电压上升至母线电压的10％的时刻作为关断起始时刻t₁，取集电极电流下降至稳态电流的10％的时刻作为关断结束时刻t₂，两者之间的时刻差值为关断损耗计算时间。

关断损耗E_off：指功率半导体器件在一个关断的过程中所消耗的能量，是集射极电压和集电极电流的乘积在器件关断过程内的积分，即如下Ⅰ式：

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种功率半导体器件在线结温预估系统，系统包括器件电压-电流检测单元、器件关断损耗计算单元、集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元、器件结温预估单元和器件结温输出显示单元；

所述器件电压-电流检测单元，用于检测待测功率半导体器件的集射极电压、集电极电流信号；

所述器件关断损耗计算单元，用于计算功率半导体器件的关断损耗；

所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元，用于存储事先标定的功率半导体器件的集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库，同时将三维数据特征库输出到所述器件结温预测单元；