[发明专利]一种基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置

说明书

本发明公开了一种基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置，导热铜基板的两端分别开设有第一凹槽及第二凹槽，其中，第一凹槽内设置有第一废热回收装置，第二凹槽内设置有第二废热回收装置，第一废热回收装置包括自上到下依次分布的第一热面陶瓷基板、第一环氧树脂封装的温差发电半导体及第一冷面陶瓷基板；第二废热回收装置包括自上到下依次分布的第二热面陶瓷基板、第二环氧树脂封装的温差发电半导体及第二冷面陶瓷基板组成；第一环氧树脂封装的温差发电半导体及第二环氧树脂封装的温差发电半导体通过导线与PCB板中的调理电路相连接，该装置具有成本低且断电时能够记录瞬间信息的特点。

技术领域

本发明属于功率半导体模块状态在线监测领域，涉及一种基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置。

背景技术

IGBT功率半导体模块是将一系列绝缘栅双极型晶体管(IGBT)芯片，以及半导体二极管芯片按照一定的功能进行封装集成形成的一种模块。和由分立的IGBT芯片组成的电力电子变换器相比，IGBT功率模块具有可靠性高，功率密度大，集成度高的特点，在电学性能、热性能、安全防护、成本等方面有很高的优越性。在各种IGBT功率模块中，IGBT半桥功率模块应用灵活，可以构建成MMC，三相逆变器等多种拓扑，应用最为广泛。

由于在实际工况中IGBT模块会受到热，电，热应力等多物理场耦合作用，会使模块产生失效，对电力电子变换器的可靠性造成显著影响。根据模块内部失效发生时间尺度的不同，可将失效分为突发性失效与老化失效两种。突发性失效是指由外部施加给器件的电压，电流，温度等条件超过其自身忍受限度而引起的瞬间、不可逆且永久性的失效，比如模块承受的电压与电流超过了额定值导致被击穿，承受过大的电流导致结温超过允许的范围从而过热损坏等。突发性失效一般发生在芯片上，具体的失效模式有闩锁效应、栅极氧化层击穿、经时击穿等。老化失效指IGBT模块自身的材料受到外部的影响不断发生劣化，达到一定程度时IGBT模块就会以突发性失效的方式损坏。

在实际应用中，如果严格遵守器件手册规定的各项应力指标的额定值，可以有效避免突发失效的产生；但是模块长时间工作导致材料的劣化是不可避免地，因此老化失效才是影响IGBT模块健康状态的关键所在。为了在模块失效前做出预警行为，保障整个系统的安全运行，需要对IGBT模块的各个参数进行监测。目前对IGBT模块进行在线监测是一种主动、直观且简单的可靠性评估方法，也是IGBT模块可靠性研究的主流方向之一，基于失效机理和温度敏感特性分析，确定老化与温度的特征参量并提出相应的失效标准，在实际工况中对这些特征参量进行提取，就能获得目前模块的健康状态与结温，也能在预定失效标准达到时做出预警行为，及时更换器件以保障整个系统的安全运行。

模块的状态监测系统需要额外的供电系统来保障模块状态数据的采集，调制，监测等。目前主流的做法是通过一个辅助电源(APS)给驱动电路以及在线监测电路供电。辅助电源的设计主要有两种，一种是直接从母线电压上取电，另外一种是额外增加一条低压母线，专门为驱动以及保护电路供电，从该低压母线接入每个子模块的辅助电源中。第一种方法可扩展性强，但是由于直流母线上的电压一般较高，因此需要一个变比很大的变换器来实现供电。同时该方案绝缘设计难度较大，且由于模块内部半导体的开关动作会产生电磁干扰的问题；该传统方案最大的问题是，从直流母线上取电导致监测系统的供电没有独立性，在启动，母线掉电或者部分模块失效的状态下，监测电路也会立刻断电失效，无法记录存储模块失效瞬间的信息，对于后续找到故障模块以及识别故障类型带来了诸多不便。第二种方法需要额外布设低压直流母线，成本较高，若该低压母线一旦失效，所有子模块的驱动以及保护电路都会同时立刻失效。且若子模块之间是串联关系(如在模块化多电平变换器中)，APS需要隔离设计并保证高压绝缘。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于废热利用的功率半导体模块在线监测装置，该装置具有成本低且断电时能够记录瞬间信息的特点。