重庆大学科研团队发表IGBT主动热管理方法的研究综述

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IGBT作为功率变流器的核心器件，被广泛应用于电动汽车、轨道交通、航空航天和电力系统等领域，由于功率变流器的运行环境复杂多变，处理功率大幅波动，导致IGBT内部结温发生剧烈变化，器件在热应力持续作用下引起疲劳老化失效，进而影响系统运行可靠性的问题已受到业界的普遍关注和高度重视。近年来，国内外学者围绕如何通过内部热管理来平抑功率器件的结温波动、延长运行寿命展开了大量的研究工作，从不同的角度提出各种主动热管理方法，这对延缓功率器件疲劳老化速率、提升器件运行可靠性有着重要意义。

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员魏云海、陈民铀、赖伟、张金保、胡宇隆，在2022年第6期《电工技术学报》上撰文，分别从功率器件层面和变流器运行控制层面系统性地阐述和归纳现有IGBT主动热管理方法的原理和特点，并基于IGBT器件寿命评估模型对各类主动热管理方法的效果进行量化评估，从热应力缓解程度、实现难度、寿命延长倍数和适用范围等多角度进行综合对比分析，并对IGBT器件主动热管理方法的进一步研究提出建议，为IGBT器件健康管理和运行可靠性的提升提供参考意义。

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）作为能量转换和电能控制的核心功率器件，被广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源汽车、智能电网等领域，预计2022年全球IGBT模块的市场规模将高达47.75亿美元，其可靠性受到业界广泛关注。这与其所处的服役环境有着密切关系，例如，在电动汽车的应用中其引擎盖下的温度可能超过150℃；新能源发电系统中功率器件上的结温波动高达80℃。

有学者指出，电力电子器件的可靠性主要受最高温度和温度循环的影响，55%的电驱动故障由功率器件的热循环或温度升高导致。其根本原因是具有不同热膨胀系数的材料在温度梯度下产生热位移，在不同材料交界处形成热应力，从而引起功率模块材料界面老化导致接触变差，使得器件结温上升，最终导致焊料层和键合引线失效，这会给用户造成代价高昂的系统停运甚至灾难性的故障。因此，功率器件的热管理对提高系统可靠性有着重要意义，是目前研究的热点。

为了改善器件的可靠性，半导体器件厂商对部件连接技术和模块组装做了改进，但该方法受限于工艺技术。通常，功率器件制造厂商会在研发与量产阶段通过加速老化试验检测部分模块样品可靠性，根据数理统计的方法进行评估，从而获得某一产品系列的可靠性与寿命指标。但研发设计阶段的测试很难涵盖功率模块实际工作时所经历的电气、热载荷情况。实际工况下所出现的大多数故障仍然是热管理不足所造成的。

在具体的应用中，由于冷却系统和半导体器件基板之间的热容很大，只有缓慢变化的温度才能得到补偿，因此外部热管理适用于低频结温波动。而对快速的温度变化，则考虑调节系统中与温度相关的电参量来直接影响结温。D. A. Murdock等首次提出主动热管理概念，希望通过该技术控制功率模块的稳态和瞬态热应力。迄今为止，学者们已经探索出了包括调节开关频率、栅极电阻、占空比、循环无功功率和功率路由器等多种主动热管理策略，并从理论和实验上证明了其可行性。但这些方法尚未得到全面总结。

输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）的研究人员对这些方法进行了回顾，并将这些方法按器件级主动热管理和系统级主动热管理进行分类分析和对比，主动热管理方法如图1所示。

他们针对功率器件的主动热管理可分为降低器件平均结温和减小结温波动，按控制目标参量又可分为内部热管理和外部热管理，并重点讨论了如何通过内部热管理来减小器件结温波动。他们系统性地阐述了针对功率器件的主动热管理方法，包括开关频率法、驱动电压法、输出频率法和直流母线电压法等，并从实现难度、响应速度和对输出有无影响等多个角度对这些方法进行综合对比分析。

图1 主动热管理方法

研究人员指出，不同的热管理方法在其影响参量、应用场景和调节方式等诸多方面均存在差异，因此不能从单一角度对其进行评价。本课题将各方法按是否需要修改原拓扑、对输出有无影响、响应速度、实现难度、热应力缓解程度和适用场合等多方面进行综合对比，建立一个全面的评价体系，涵盖了开关频率、驱动电压、栅极电阻、调制方式、占空比、缓冲电路、输出频率、直流母线电压、无功调节、有功调节、功率动态分配和负载电流等主动控制方法。

主动热管理方法综合对比见表1。具体分析如下：

（1）修改电路：对于通过调节驱动电压和栅极电阻进而平滑结温这两类技术，均需要特制的栅极驱动器才能实现，而系统自带的驱动器通常不能满足。同样地，缓冲电路法也需要对原电路进行修改。其余方法则只需在现有的拓扑基础上对控制算法进行改进即可。其中，通过调整电路结构实现平滑结温的策略，需要引入辅助开关管，来实现相应的切换，增加的辅助电路势必会带来额外损耗。

（2）输出影响：驱动电压法、栅极电阻法和缓冲电路法均是基于调节IGBT开关瞬态的dIC/dt和dUCE/dt，从而改变器件的开关损耗；直流母线电压法则在电机处于低速时，利用母线电压的冗余调节器件开关损耗；无功调节法将用于平滑结温的无功功率限制在系统内部；功率动态分配法只是根据器件老化程度而重新分配每个子模块输出功率，因此以上热管理策略均认为对输出电能质量没有影响。

（3）响应速度：根据控制策略所作用的位置不同，响应速度也会不同，即越靠近功率器件，对结温的调控速度将越快。

表1 主动热管理方法综合对比

（4）实现难度：主动热管理的实现难度很大程度上取决于是否需要更改原电路结构，更改电路将会使得实现难度加大，同时还要考虑算法上的难度。

（5）结温波动减小百分比：对比分析了不同热管理方法降低结温的百分比，并结合公式计算出对应的IGBT器件寿命延长倍数。本课题所列举的主动热管理方法有着不同的适用场景，且同类热管理方法由于使用的差异也会造成效果的不同。因此该比值和IGBT寿命延长倍数仅代表此类热管理方法在其适用场合下的典型效果。

（6）适用场合：对比分析变流器拓扑及控制方法，得到了其典型适用场合，并通过理论与实验验证其实用性。

研究人员针对当前功率器件主动热管理方法的不足之处，建议从以下几方面展开进一步研究：

1）结温测量是功率器件主动热管理的基础，结温测量的精度、速度将影响主动热管理的效果，因此成本低、高速而准确地获得结温并配合相应的主动热管理策略，面临着挑战也是机遇。

2）主动热应力控制可以减少热循环的影响，但在许多系统中主要目标是使效率最大化，因此这类系统的热管理策略应尽量减小功率损耗引入。

3）延长功率器件寿命对电能质量的影响尚未在已有的文献中进行深入探讨，但许多应用对电能质量要求严苛，因此量化主动热管理与电能质量之间的关系将在器件寿命与系统性能之间取得一个良好的折中。

4）本课题所列举的主动热管理方法大都具有一定的兼容性，因此可根据需要在一个系统中使用多种热管理方法，通过融合多个策略以最大程度减小功率器件的热效应冲击。

5）通过对电力系统的热分析表明，同一个变流器中的各功率器件承受热应力存在差异，这种差异在系统发生故障时尤为明显。因此有必要对系统内各功率器件实现差异性的主动热管理。

本文编自2022年第6期《电工技术学报》，论文标题为“基于IGBT结温波动平滑控制的主动热管理方法综述”。第一作者为魏云海，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）硕士研究生，1996年生，研究方向为功率半导体器件可靠性。通讯作者为赖伟，输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室（重庆大学）副教授，博士生导师，1986年生，研究方向为电力电子器件可靠性寿命建模和状态监测等。本课题得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、山西省揭榜招标、中央高校基本科研业务费和国家自然科学基金-智能电网联合基金的资助。

下载论文PDF版，请点击左下角“阅读原文”，访问期刊网站。

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