基于热平衡的安全工作区域评估方法及其对IGBT功率模块性能的影响

《IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics》：Thermal Balance-Based Evaluation Method for Safe Operating Areas and Its Degradation of IGBT Power Module

本文针对IGBT功率模块短时过载条件下的非线性电热特性，提出基于热平衡原理的三维安全工作区（SOA）评估方法，结合电压、电流和结温实现热失效预防，并考虑长期退化影响，实验与仿真验证其有效性。

　　

摘要：

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块在短时间内过载条件下会承受显著的热应力，其电热特性表现出强烈的非线性。因此，数据手册中提供的二维安全工作区（SOA）无法满足设备可靠性评估的需求。在本文中，我们提出了一种基于热平衡原理的定量评估方法，用于定义IGBT的SOA并评估其退化情况。我们建立了一个包含电压、电流和结温的三维SOA，以防止IGBT发生热故障。所提出的SOA表明，IGBT可以在超过额定电流两倍的情况下安全运行，且结温可以超过448.15 K（）而不会发生热故障。这项工作为IGBT的应用设计和可靠性评估提供了理论支持。根据与IGBT功率模块热故障相关的物理机制，我们建立了一个表征设备热不稳定性的标准。此外，我们建立了一个将半导体物理与热传导理论相结合的净热流分析模型，从而能够制定IGBT的三维SOA。同时，我们还考虑了电热特性退化对设备长期运行过程中SOA的影响。另外，我们还建立了一个模拟设备电热特性的电热耦合模型。仿真和实验的结果表明，所建立的SOA及其退化情况能够有效预测IGBT在短时间内过载条件下的可靠性。

引言

工业应用中，如电动汽车和船舶的启动与加速[1]、[2]、电网逆变器故障、可再生能源发电的集成[3]以及功率模块等，经常遇到短时间内过载的情况。在这些设备中，绝缘栅双极型晶体管（IGBT）常用于逆变器中，并在短时间内过载时受到过电流应力，导致功率损耗迅速增加。产生的热量难以通过设备封装有效散发，从而导致结温迅速上升。同时，由于过载条件持续时间较短，结温在开始下降之前并未达到稳态波动。这使得结温有可能超过设备数据手册中规定的最大工作温度[4]、[5]。图1展示了功率模块在过电流应力下的结温行为。IGBT设备的动态热行为受主电路、控制电路、冷却系统等因素的影响，这使得确定设备的温度极限边界变得复杂。因此，为了确保IGBT设备的安全运行，研究极端条件下的安全工作区（SOA）至关重要。这项工作对于优化设备使用、提高功率密度以及提升整个系统的可靠性具有重要意义[6]、[7]。图1.

过电流应力下功率模块的结温行为。