- 頭條重慶大學科研團隊發表IGBT主動熱管理方法的研究綜述2022-09-06 作者：魏云海、陳民鈾 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語IGBT作為功率變流器的核心器件，被廣泛應用于電動汽車、軌道交通、航空航天和電力系統等領域，由于功率變流器的運行環境復雜多變，處理功率大幅波動，導致IGBT內部結溫發生劇烈變化，器件在熱應力持續作用下引起疲勞老化失效，進而影響系統運行可靠性的問題已受到業界的普遍關注和高度重視。近年來，國內外學者圍繞如何通過內部熱管理來平抑功率器件的結溫波動、延長運行壽命展開了大量的研究工作，從不同的角度提出各種主動熱管理方法，這對延緩功率器件疲勞老化速率、提升器件運行可靠性有著重要意義。 輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員魏云海、陳民鈾、賴偉、張金保、胡宇隆，在2022年第6期《電工技術學報》上撰文，分別從功率器件層面和變流器運行控制層面系統性地闡述和歸納現有IGBT主動熱管理方法的原理和特點，并基于IGBT器件壽命評估模型對各類主動熱管理方法的效果進行量化評估，從熱應力緩解程度、實現難度、壽命延長倍數和適用范圍等多角度進行綜合對比分析，并對IGBT器件主動熱管理方法的進一步研究提出建議，為IGBT器件健康管理和運行可靠性的提升提供參考意義。
絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作為能量轉換和電能控制的核心功率器件，被廣泛應用于航空航天、軌道交通、新能源汽車、智能電網等領域，預計2022年全球IGBT模塊的市場規模將高達47.75億美元，其可靠性受到業界廣泛關注。這與其所處的服役環境有著密切關系，例如，在電動汽車的應用中其引擎蓋下的溫度可能超過150℃；新能源發電系統中功率器件上的結溫波動高達80℃。
有學者指出，電力電子器件的可靠性主要受最高溫度和溫度循環的影響，55%的電驅動故障由功率器件的熱循環或溫度升高導致。其根本原因是具有不同熱膨脹系數的材料在溫度梯度下產生熱位移，在不同材料交界處形成熱應力，從而引起功率模塊材料界面老化導致接觸變差，使得器件結溫上升，最終導致焊料層和鍵合引線失效，這會給用戶造成代價高昂的系統停運甚至災難性的故障。因此，功率器件的熱管理對提高系統可靠性有著重要意義，是目前研究的熱點。
為了改善器件的可靠性，半導體器件廠商對部件連接技術和模塊組裝做了改進，但該方法受限于工藝技術。通常，功率器件制造廠商會在研發與量產階段通過加速老化試驗檢測部分模塊樣品可靠性，根據數理統計的方法進行評估，從而獲得某一產品系列的可靠性與壽命指標。但研發設計階段的測試很難涵蓋功率模塊實際工作時所經歷的電氣、熱載荷情況。實際工況下所出現的大多數故障仍然是熱管理不足所造成的。
在具體的應用中，由于冷卻系統和半導體器件基板之間的熱容很大，只有緩慢變化的溫度才能得到補償，因此外部熱管理適用于低頻結溫波動。而對快速的溫度變化，則考慮調節系統中與溫度相關的電參量來直接影響結溫。D. A. Murdock等首次提出主動熱管理概念，希望通過該技術控制功率模塊的穩態和瞬態熱應力。迄今為止，學者們已經探索出了包括調節開關頻率、柵極電阻、占空比、循環無功功率和功率路由器等多種主動熱管理策略，并從理論和實驗上證明了其可行性。但這些方法尚未得到全面總結。
輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）的研究人員對這些方法進行了回顧，并將這些方法按器件級主動熱管理和系統級主動熱管理進行分類分析和對比，主動熱管理方法如圖1所示。
他們針對功率器件的主動熱管理可分為降低器件平均結溫和減小結溫波動，按控制目標參量又可分為內部熱管理和外部熱管理，并重點討論了如何通過內部熱管理來減小器件結溫波動。他們系統性地闡述了針對功率器件的主動熱管理方法，包括開關頻率法、驅動電壓法、輸出頻率法和直流母線電壓法等，并從實現難度、響應速度和對輸出有無影響等多個角度對這些方法進行綜合對比分析。
圖1 主動熱管理方法
研究人員指出，不同的熱管理方法在其影響參量、應用場景和調節方式等諸多方面均存在差異，因此不能從單一角度對其進行評價。本課題將各方法按是否需要修改原拓撲、對輸出有無影響、響應速度、實現難度、熱應力緩解程度和適用場合等多方面進行綜合對比，建立一個全面的評價體系，涵蓋了開關頻率、驅動電壓、柵極電阻、調制方式、占空比、緩沖電路、輸出頻率、直流母線電壓、無功調節、有功調節、功率動態分配和負載電流等主動控制方法。
主動熱管理方法綜合對比見表1。具體分析如下：
（1）修改電路：對于通過調節驅動電壓和柵極電阻進而平滑結溫這兩類技術，均需要特制的柵極驅動器才能實現，而系統自帶的驅動器通常不能滿足。同樣地，緩沖電路法也需要對原電路進行修改。其余方法則只需在現有的拓撲基礎上對控制算法進行改進即可。其中，通過調整電路結構實現平滑結溫的策略，需要引入輔助開關管，來實現相應的切換，增加的輔助電路勢必會帶來額外損耗。
（2）輸出影響：驅動電壓法、柵極電阻法和緩沖電路法均是基于調節IGBT開關瞬態的dIC/dt和dUCE/dt，從而改變器件的開關損耗；直流母線電壓法則在電機處于低速時，利用母線電壓的冗余調節器件開關損耗；無功調節法將用于平滑結溫的無功功率限制在系統內部；功率動態分配法只是根據器件老化程度而重新分配每個子模塊輸出功率，因此以上熱管理策略均認為對輸出電能質量沒有影響。
（3）響應速度：根據控制策略所作用的位置不同，響應速度也會不同，即越靠近功率器件，對結溫的調控速度將越快。
表1 主動熱管理方法綜合對比
（4）實現難度：主動熱管理的實現難度很大程度上取決于是否需要更改原電路結構，更改電路將會使得實現難度加大，同時還要考慮算法上的難度。
（5）結溫波動減小百分比：對比分析了不同熱管理方法降低結溫的百分比，并結合公式計算出對應的IGBT器件壽命延長倍數。本課題所列舉的主動熱管理方法有著不同的適用場景，且同類熱管理方法由于使用的差異也會造成效果的不同。因此該比值和IGBT壽命延長倍數僅代表此類熱管理方法在其適用場合下的典型效果。
（6）適用場合：對比分析變流器拓撲及控制方法，得到了其典型適用場合，并通過理論與實驗驗證其實用性。
研究人員針對當前功率器件主動熱管理方法的不足之處，建議從以下幾方面展開進一步研究：
1）結溫測量是功率器件主動熱管理的基礎，結溫測量的精度、速度將影響主動熱管理的效果，因此成本低、高速而準確地獲得結溫并配合相應的主動熱管理策略，面臨著挑戰也是機遇。
2）主動熱應力控制可以減少熱循環的影響，但在許多系統中主要目標是使效率最大化，因此這類系統的熱管理策略應盡量減小功率損耗引入。
3）延長功率器件壽命對電能質量的影響尚未在已有的文獻中進行深入探討，但許多應用對電能質量要求嚴苛，因此量化主動熱管理與電能質量之間的關系將在器件壽命與系統性能之間取得一個良好的折中。
4）本課題所列舉的主動熱管理方法大都具有一定的兼容性，因此可根據需要在一個系統中使用多種熱管理方法，通過融合多個策略以最大程度減小功率器件的熱效應沖擊。
5）通過對電力系統的熱分析表明，同一個變流器中的各功率器件承受的熱應力存在差異，這種差異在系統發生故障時尤為明顯。因此有必要對系統內各功率器件實現差異性的主動熱管理。
本文編自2022年第6期《電工技術學報》，論文標題為“基于IGBT結溫波動平滑控制的主動熱管理方法綜述”，作者為魏云海、陳民鈾 等。本文第一作者為魏云海，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）碩士研究生，1996年生，研究方向為功率半導體器件可靠性。通訊作者為賴偉，輸配電裝備及系統安全與新技術國家重點實驗室（重慶大學）副教授，博士生導師，1986年生，研究方向為電力電子器件可靠性壽命建模和狀態監測等。本課題得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、山西省揭榜招標、中央高?；究蒲袠I務費和國家自然科學基金-智能電網聯合基金的資助。
