大容量电力电子器件结温提取原理综述及展望

胡圣烽

摘 要：在电力生产的持续变革下，大容量电力电子器件如何有效保障自身的安全可靠性也成为人们比较关注的问题之一。本文通过选择以大容量电力电子器件作为主要研究对象，在结合相关文献分别从静态提取和动态提取两个角度出发，归纳说明大容量电力电子器件热敏电参数结温提取原理的基础之上，指出未来大容量电力电子器件结温提取还将朝着集成化的方向发展。关于大容量电力电子器件结温研究的系统性、统一性以及相关性也将得到进一步提高。

关键词：大容量电力电子器件；结温提取；原理

引言：当前在提取大容量电力电子器件结温参数方面，所使用的提取法众多，其中尤以热敏感电参数提取法应用最为广泛。这主要是由于该中提取方法具有高精度、响应快等众多优势特性。因此本文将通过对其提取原理进行相应说明，在帮助人们正确理解和认识热敏感电参數提取法下，尝试对该积温提取法未来的发展趋势进行探究，进而为推动大容量电力电子器件结温研究提供必要参考帮助。

一、提取大容量电力电子器件热敏感电参数结温的原理分析

（一）提取静态热敏感电参数结温

目前在提取静态热敏感电参数结温方面拥有各种不同的提取方法，包括短路电流法以及大电流注入法等等。本文将以大电流注入法为例，该方法通过运用负载电流在导通状态下，器件将会出现通态压降，在直接将其作为热敏感电参数下进行相应提取即可。在使用大电流注入法下，当完成校正程序后，此时致热源为集电极电流，通过导通需要测量的大容量电力电子器件后对集电极电流与电压降进行精准测量，而后运用专业的离线数据库便可以对瞬时结温进行精准计算。但值得注意的是，大容量电力电子器件自身之间的差异性会使得各电压与电流等级下的器件，在大电流饱和压降方面不尽相同，进而直接影响该提取法的精准性与灵敏度。因此需要及时精准提取出无关集电极电流的热敏感电参数，以此有效达到控制误差的效果。

（二）提取动态热敏感电参数结温

以内置驱动温敏电阻法为代表的动态热敏感电参数结温提取法，目前也是在大容量电力电子器件结温提取当中应用比较广泛的一种提取法。其主要是通过利用在结温影响下的门极驱动回路信息完成对大容量电力电气功率器件的结温提取。

在上图所示的门极驱动回路当中，Ig和Cge分别代表着门极电流与门极电阻，，Lp与Rg则分别代表着驱动回路中等效杂散电感和外部门极电阻。Rgi代表着内置驱动电阻。在该门极驱动回路当中，模块结温一旦发生变化，门极电容以及模块内置驱动电阻也将随之出现相应的变化。也就是说在驱动电压固定不变的情况下，各结温均有驱动回路阻抗与之相对应，进而使得Vg即外部驱动测量信号发生改变。通过利用这一方法提取大容量电力电子器件热敏感电参数，可以彻底以往结温提取对于有源或是无源辅助电路高度依赖的情况，从而大大减少相关结温提取参数，以此有效方便顺利完成热敏感电参数提取工作。通常情况下，在IGBT器件开通瞬态时，通过利用内置驱动温敏电阻法便可以高效完成门极有效信息的提取工作，进而避免出现结温提取影响中断变流器正常运行的情况[1]。

二、大容量电力电子器件结温提取的研究展望

（一）结温提取更加集成化

相比于静态热敏感电参数提取，动态热敏感电参数结温提取具有更高的适应性，因此我们有理由相信未来大容量电力电子器件结温提取研究重点还将放置在动态热敏感电参数结温提取上。由于当前大容量电力电子器件经常面临在高电压、大电流高频开关状态下运行，因此包括过流以及短路等在内的保护机制长时间处于工作状态。为此，本文认为，未来在研究大容量电力电子器件结温提取的过程中，研究人员还将在不影响变流系统正常运行的基础上，高度集成芯片温度检测功能，从而可以更加高效地再现完成器件结温提取工作。如在IGBT模块当中，将开尔文发射极端子同发射极功率端子间的寄生电感和作为等效寄生电感，当该大容量模块处于动态开关切换状态下，各电磁信息在芯片温度的影响下将会在寄生电感上感应出各种动态热敏感电参数。

（二）评价方法准则统一化

考虑到属性各异的动态热敏感电参数在结温提取方法的选用以及影响温度因素方面存在着巨大差异，即便是在动态热敏感电参数相同的情况下，应用工况之间的差异性也会导致最终表现出的性能指标千差万别。因此本文认为，未来大容量电力电子器件结温提取研究还将会把研究目光放置在构建统一的评价动态热敏感电参数方法及规则上，立足具体的硬件以及控制需求，在与实际器件工况进行充分结合下，研究出一种可以对动态热敏感电参数性能进行综合反映和全面评价的方法准则。

（三）器件结温与工况相关

有研究人员指出，除了包括扩散系数以及禁带宽度等在呢你的内部半导体物理参数会直接影响着大容量电力电子器件结温与动态热敏电参数之间的具体作用，同时负载电流以及母线电压等外部运行环境也会对其产生相应的制约影响[2]。因此日后在对大容量电力电子器件结温提取进行研究的过程中，还需要通过站在芯片-模块-装置的高度上，主动联系动态热敏电参数和大容量电力电子器件运行工况之间的内在关联性，从而探究出大容量电力电子器件结温和动态热敏电参数之间的具体关系。

结束语：本文在对大容量电力电子器件结温提取进行分析研究的过程中，分别以大电流注入法和内置驱动温敏电阻法为例，对提取静态与动态大容量电力电子器件热敏电参数结温的基本原理进行了相应说明。鉴于动态热敏电参数结温提取自身具有强大的应用效用，因此未来大容量电力电子器件结温提取中，该提取方法还将得到进一步广泛使用，并且越来越集成化、系统化，能够准确说明器件结温同动态热敏电参数的相关性。

参考文献

[1]李辉，刘盛权，李洋，等.考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型[J].电力自动化设备，2016，36（2）：51-56.

[2]赵争鸣，袁立强，鲁挺，等.我国大容量电力电子技术与应用发展综述[J].电气工程学报，2015，10（4）：26-34.

（作者单位：空军预警学院）