基于IGBT結溫波動平滑控制的主動熱管理方法綜述

魏云海 陳民鈾 賴 偉 張金保 胡宇隆

基于IGBT結溫波動平滑控制的主動熱管理方法綜述

魏云海 陳民鈾 賴 偉 張金保 胡宇隆

（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） 重慶 400044）

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。該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。

主動熱管理 結溫平滑 損耗控制 可靠性

0 引言

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[1-2]。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℃。文獻[3-4]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[5]。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[6-7]，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[8]，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[9-10]，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[11]，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，本文旨在對這些方法進行回顧，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。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[12]，按控制目標參量又可分為內部熱管理和外部熱管理，本文將重點討論通過內部熱管理來減小器件結溫波動。

圖1 主動熱管理方法

1 功率器件層主動熱管理

1.1 開關頻率

式中，sw為開關頻率；on為開通損耗；off為關斷損耗。由于功耗和結溫成正比，可通過控制開關頻率來降低或者增大結溫，實現結溫波動平滑。圖2為某1 200V/50A的IGBT模塊在不同開關頻率下集電極電流C和結溫波動Dj的對應關系[13]。從圖可知，在負載波動即集電極電流變化的情況下，調節開關頻率能夠控制結溫波動。

通過梳理現有的文獻發現，對開關頻率的控制可分為提高頻率和降低頻率兩大類。文獻[14]提出對IGBT結溫波動采取開關頻率滯環控制，開關頻率滯環控制如圖3所示。該方法用于當電機運行在低轉速、大轉矩時，逆變器中功率器件結溫會產生較大波動，系統以采樣周期為的時間間隔檢測IGBT結溫波動幅度，當超過滯環設定上限時降低開關頻率；當結溫波動幅度降低至滯環設定下限時，開關頻率恢復到最初設定值。該策略在電機起動時將最高結溫降低約30℃。

圖2 不同頻率下輸出電流和結溫波動關系

圖3 開關頻率滯環控制

另一種方法是提高開關頻率補償結溫，使結溫波動減小[15]。文獻[16]所提控制策略在結溫循環的降溫期間，選擇更高的開關頻率以加熱功率器件以及平滑變流器在輸出功率降低時的結溫波動。當結溫波動幅度符合要求后重置開關頻率為最小值。為避免控制器在兩個開關頻率之間快速切換，應設置合適的滯環環寬。圖4展示了開關頻率控制結溫波動[16]。

開關頻率的降低會導致電壓諧波畸變率的增加，且在開關頻率本來就很低的場合，如柔性直流輸電系統中的模塊化多電平變流器（Modular Multi- level Converter, MMC）采用最近電平調制（Nearest Level Modulation, NLM）方法時，開關頻率只有20～30Hz，不適宜通過降低開關頻率來控制結溫。開關頻率的升高則是通過增加損耗來換取結溫的平滑，但對于功率器件壽命的延長和系統可靠性的提高是有益的。另外考慮到后續濾波和性能穩定，開關頻率通常被設計為一個定值，因此使用該方法調節能力有限。

圖4 開關頻率控制結溫波動

1.2 驅動電壓

P. Hofer等提出了有源柵極控制來調節功率器件的損耗而又不影響器件的功能[17-18]，為控制許多應用背景下控制損耗提供了巨大潛力。文獻[19-20]研究了IGBT的輸出特性，如圖5所示。從圖5可知，在輸出電流不變的情況下增加驅動電壓，器件導通壓降將減小，從而降低了導通損耗。因此可以在系統運行中，動態調節IGBT驅動電壓來影響其導通壓降，進而抑制器件結溫波動。

圖5 IGBT輸出特性

進一步研究表明，調節驅動電壓不僅可以影響導通損耗，而且可改變器件開關過程的開通損耗。文獻[21]指出器件的開通損耗與驅動電壓成反比，而關斷損耗受影響不大，并通過實驗得到了Infineon FF50R12RT4模塊在不同柵極開通電壓下IGBT的開關損耗，其參數見表1，提出在IGBT結溫上升時增大驅動電壓以降低開通損耗；在IGBT結溫下降時減小驅動電壓以增大開通損耗，從而平滑結溫波動。

表1 不同驅動開通電壓下的開關動態參數

Tab.1 Switching parameters of different gate drive voltages

文獻[22]指出在功率器件導通時，導通電壓下降斜率受米勒平臺電荷數量影響，電荷數量越多則電壓下降速率越慢。米勒平臺在驅動電壓介于器件開啟電壓和平臺電壓時開始充電。因此該文設計了一個兩步式柵極驅動器，其輸出驅動電壓波形如圖6所示。該驅動器首先輸出器件的米勒平臺電壓on（3V），然后輸出器件的典型驅動電壓g.nom（6V），通過調整米勒平臺電壓持續時間來改變功率器件導通電壓下降速率，以此改變功率器件開通損耗，從而達到控制結溫的目的。

圖6 兩步式柵極驅動波形

1.3 柵極電阻

調節柵極電阻同樣能改變IGBT開關過程的電流變化斜率dC/d和電壓變化斜率dCE/d[23]。文獻[24]測試了不同電流等級下柵極電阻與IGBT損耗之間的關系，如圖7所示。

圖7中，功率損耗曲線的斜率隨著電流等級的上升而增加，且在大電流等級下柵極電阻對器件損耗的影響顯著增加，因此該方法在高壓大功率場合效果明顯。在某時刻負載變化時，圖7中器件電流從400A降至200A時，若柵極電阻保持不變，則器件損耗功率將從A點降至B點，但增加柵極電阻可使器件的損耗功率移至C點，與之前相當，從而平滑結溫波動。

圖7 不同器件電流下柵極電阻與損耗關系

文獻[25]提出了一種三段式柵極驅動電路，其柵極電阻取值會在導通和關斷期間分為三個階段進行變化，旨在減少開關損耗、縮短開關延遲時間。文獻[26]在此基礎上提出并實現了由現場可編程邏輯門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）控制的多級柵極驅動器拓撲，多級驅動器如圖8 所示。

圖8 多級驅動器

文獻[26]將IGBT開關瞬變過程細分為多個階段，通過FPGA快速控制橋臂的金屬-氧化物半導體場效應晶體管（Metal-Oxide-Semiconductor Field- Effect Transistor, MOSFET）開斷，使得每個階段具有不同的驅動電阻阻值，以優化IGBT開通和關斷軌跡，使開關損耗降低。文中對比了普通驅動器與多級驅動器關斷IGBT的損耗差異，在dc=200V，C=300A，j=35℃條件下，使用多級驅動器將使IGBT關斷損耗下降26%，該方法為IGBT結溫控制提供了新的可能。

文獻[27]創新性地提出具有柵極電阻網絡的改進驅動器如圖9所示，只需在傳統的電壓源型驅動器上加裝可調電阻網絡即可實現主動熱管理控制。其主要思想是將輸出交流電流按幅度劃分為多個區域，在電流幅度較大，即結溫更高時，將開關S1～S4全閉合，以減小柵極電阻，平滑結溫波動；而當電流幅度較小時，則適當增大柵極電阻，且該方案無需知道原驅動器的控制策略和結溫信息即可調控結溫波動。

圖9 具有柵極電阻網絡的改進驅動器

運用柵極電阻法控制結溫，應注意電阻值的選取要綜合考慮器件損耗、電壓和電流過沖等。過小的柵極電阻會導致器件關斷時產生電壓過沖和開通時產生過大的反向恢復電流。過大的柵極電阻會減緩柵極充放電過程，使IGBT開關速度變慢。以英飛凌HybridPACK2功率模塊為例，其柵極電阻典型值為1.5～6W，文獻[27]將其擴大至1.8～18W時，系統同樣能正常運行。

1.4 調制方式

傳統的空間矢量脈寬調制（Space Vector Pulse Width Modulation, SVPWM）以其優異的性能被廣泛應用于逆變、整流控制領域。以兩電平三相電壓源型逆變器為例，如圖10所示，該拓撲有三個橋臂，每個橋臂可以有兩種狀態（不能同時導通或關斷），故可以提供23=8種電壓矢量，對于同一個目標電壓矢量可有多種合成方案，因此衍生出了用于減小開關損耗[28]等可改善結溫的調制方法。

圖10 兩電平三相電壓源型逆變器

文獻[29]結合連續調制和不連續調制的優點，提出了一種混合調制。具體為在變流器工作期間，當風速低于設定值時，將采用常規的SVPWM方式，以確保輸出電能質量；當風速高于設定值時，將采用不連續脈沖寬度調制（Discontinuous PWM, DPWM）方法，DPWM使得功率器件在一個周期內動作次數減少，能夠明顯降低器件開關損耗，且DPWM在較高的調制指數下同樣能輸出良好的波形。文獻[29]還指出，采用優化后的調制方法能夠使其內部的IGBT壽命消耗減少50%左右，因此該方案能有效延長IGBT的使用壽命。

電機運行在低速、大轉矩時，逆變器需要提供低頻大電流，功率模塊的溫度會急劇增加，嚴重影響系統可靠性。在功率模塊中，IGBT的熱容高于二極管，因此二極管升溫更快，更易遭受熱失效。文獻[30]指出，零矢量在低調制指數下駐留時間長，且零矢量對電流產生沒有貢獻，因此可以利用這段時間重新分配器件損耗。該文通過比較IGBT和二極管的溫度決定零矢量0和7的使用時長，以均衡橋臂中IGBT和二極管的溫度，從而延長器件熱失效時刻。圖11為在沒有改進措施的情況，0.32s二極管到達熱極限。圖12為加入主動熱管理控制后，IGBT和二極管的結溫均衡上升，系統在0.96s才達到熱極限。

圖11 改進前溫度變化

圖12 改進后溫度變化

近年來，現代控制理論中的有限控制集模型預測控制得到了廣泛的研究與應用，被認為是主動熱管理中最具潛力的方法，因為它允許對每個開關事件進行最優控制，并將與壽命相關的模型納入控制方法中[31]。文獻[32-33]提出多參數優化，采用有限集模型預測控制，充分利用三相兩電平電壓源型逆變器只有八種開關狀態的特點，通過窮舉的方式即可確定成本函數的最優解，達到減小IGBT結溫波動、穩定負載電流、提升總體效率等目標。

1.5 占空比

對于大功率DC-DC變流器，如雙有源橋DC-DC變流器，由于工作在軟開關模式，其固有的開關損耗很低，且變流器與變壓器相連，開關頻率降低會增加變壓器內部磁通，易引起磁飽和；而頻率的增高則會引起變壓器鐵損上升，降低傳輸功率。因此通過調節開關損耗來平滑結溫的方法不適用于此類變流器。

為了解決這類應用的IGBT結溫波動，文獻[34]提出通過控制DC-DC變流器開關占空比而無需事先知道變流器負載曲線，即可影響開關熱應力。在負載功率降低時減小占空比，這會產生更大的電流去傳輸相同的功率，由此加熱功率器件。文獻[35]則將該方法成功應用于交錯并聯變流器，當任一橋臂的占空比減小時，對應橋臂的電流也會減小，而其他橋臂的電流則會升高，系統中功率器件的熱應力得到重新分配。

1.6 緩沖電路

緩沖電路如圖13所示。圖13a為傳統RCD緩沖電路（由電阻、電容和二極管VD構成），是功率器件的一種重要保護電路，其中，電容能夠限制器件關斷時IGBT集-射極電壓上升斜率。若能對緩沖電路加以控制，則可以動態地改變器件的開關軌跡，影響開關損耗，用于主動熱管理控制。文獻[36]提出在傳統的RCD緩沖電路中增加一個輔助開關，如圖13b所示。當輔助開關閉合時，電容儲存的能量將直接通過IGBT放電，可快速加熱功率器件。當輔助開關斷開時，RCD緩沖電路可以減小器件的關斷損耗，因此該方法可以平滑器件結溫波動。文獻[37]則重點關注電容，認為動態調整電容的大小同樣能夠改變IGBT關斷軌跡，進而可以平滑結溫波動，其拓撲如圖13c所示。該拓撲中容值的改變通過開關管切入切出電容并聯數量實現。文獻[38]進一步提出功能更完善的改進緩沖電路3，如圖13d所示。

圖13 緩沖電路

緩沖電路的關斷軌跡如圖14所示。圖14將改進緩沖電路3與傳統RC緩沖電路（由電阻和電容構成）和傳統RCD緩沖電路的關斷軌跡進行了對比。

圖14 緩沖電路的關斷軌跡

從圖14可知，由于傳統的緩沖電路不可調節，其關斷軌跡是固定不變的。而改進緩沖電路3是在IGBT關斷過程中，調節輔助開關S使緩沖電路在RC型和RCD型切換，通過改變開關S閉合的時延，產生不同的關斷軌跡，如圖14所示。該拓撲的輔助開關S在發生短路故障時，此電路衍變為RCD緩沖電路；當開關發生斷路故障時，此電路衍變為RC緩沖電路。以上情況均能正常工作，極大地提高了系統的可靠性。

2 系統運行層主動熱管理

2.1 輸出頻率

IGBT的損耗主要由導通損耗和開關損耗組成[39]。文獻[20]認為由開關過程導致的結溫波動很小，足以被器件的熱容所濾除；而負載電流的變化才是引起IGBT結溫波動的主要原因。圖15展示了分別由輸出電流引起的結溫波動Djfo和由開關動作引起的結溫波動Djfsw。盡管變流器中存在與開關頻率相關的高頻結溫波動，但由于其幅值很小，功率循環所引起的熱應力主要歸因于基頻輸出。圖16驗證了不同輸出電流頻率對結溫波動幅度的影響。

圖15 典型結溫波動

圖16 不同輸出電流頻率下的結溫波動

從圖16可知，隨著輸出頻率的升高，結溫波動幅度將減小。但許多應用對變流器的輸出頻率有嚴格的限制，輸出頻率的改變將直接影響負載的性能，因此該方法適用于對輸出頻率留有一定裕度的場合，如具有中間交流環節的兩級DC-DC變流器和雙有源橋AC-AC變流器等。

2.2 直流母線電壓

文獻[40]指出，電機在低速時所需的直流母線電壓遠低于額定速度時所需的值。IGBT的開關損耗和續流二極管的反向恢復損耗[8]分別為

文獻[42]認為，若使二極管和IGBT總損耗最低，并不一定使得IGBT溫度最低，因為最小的直流母線電壓會要求更大的調制指數去滿足定子側所需電壓，這會引起更大的IGBT導通損耗。因此本文以最低IGBT結溫為目的選擇合適的直流母線電壓。

動態調節直流母線電壓這種方法提供了一定的自由度去管理功率器件損耗[43]，但要求系統中有直流變換環節，這會增加系統的復雜度和成本，且此策略不適合用于如風力發電等這類需要維持恒定電壓以接入電網的應用。

2.3 無功調節

圖17為并網逆變器無功調節。圖中，c為逆變器輸出電壓矢量，g為電網電壓矢量，U為輸出濾波電感壓降矢量，g為輸出電流矢量，P為有功電流矢量，Q為無功電流矢量，為功率因數角，為相位。從圖可知，無功電流的引入可以改變功率變流器的電壓、電流大小和相位，從而改變功率器件損耗的大小和分布。

圖17 并網逆變器無功調節

文獻[44]提出在并聯的并網逆變器中控制循環的無功功率來穩定陣風時功率器件的熱波動，而不會對電網注入過多的無功功率，并聯變流器中循環無功功率如圖18所示[44]。該策略只在風速較低時實施，并且無功電流大小會隨風速變化，當風速高于設定值時，無功電流保持為0A，以避免設備過熱。

圖18 并聯變流器中循環無功功率

但是，循環無功功率法只適用于并聯變流器場合，因為在單個變流器場合中，調節無功功率會直接影響輸出電能質量，使得允許的無功調節范圍受限，對功率器件結溫控制效果不明顯。

2.4 有功調節

調研發現，通過有功功率實現主動熱管理可分為兩類：一類是通過循環有功電流減小結溫波動；另一類是減小有功功率輸出，限制結溫上升。

MMC于2003年首次由R. Marquardt等提出[45]，已經成為高壓直流輸電系統中常用的解決方案。由于MMC數量眾多的子模塊和嚴苛的工作條件，其可靠性問題亟待解決。文獻[46]提出通過控制MMC所特有的橋臂循環電流來加熱功率器件，以減小結溫波動，其中循環電流的控制方法已在文獻[47]詳述，不過該方法應充分考慮循環電流幅值的邊界，包括變流器的調制指數限制和器件的額定電流限制。

對于光伏發電，常見的控制策略是最大功率點跟蹤（Maximum Power Point Tracking, MPPT）控制，然而單純的追求最大功率會給功率器件造成極大的熱應力，增加逆變器的壽命消耗。文獻[48]提出將絕對有功功率控制（Absolute Active Power Control, AAPC）和MPPT結合，即當可用的光伏輸出功率小于參考值時，系統進入MPPT模式，實現能量收集的最大化；當可用光伏輸出超過參考值時，系統進入AAPC模式，使系統恒定輸出參考功率，從而限制IGBT結溫進一步升高。

2.5 功率動態分配

為適應高壓大功率場合，由多個子模塊單元串并聯組合而成的功率變流器成為一種可行的解決方案，如圖19為帶直流變流器的單相級聯H橋。通常為均衡器件熱應力，這些子模塊承擔相同的功率。然而由于制造工藝不完善或運行中局部部件受損導致系統內的功率器件壽命并不相同，更合理的控制方案是根據各單元器件老化程度來分配功率，使老化程度低的單元處理更多的功率。這類通過改變功率路徑的方法稱為功率動態分配法。事實上，這類變流器由于特殊的連接方式，使系統內相應的存在電壓、電流等可自由調節的參量，為功率動態分配創造了條件，利于提高系統可靠性[49-50]。

圖19 帶DC-DC變流器的單相級聯H橋

文獻[51]指出在級聯H橋變流器中僅通過改變電壓來不均衡分配功率的方法存在不足。原因在于系統在設計之初考慮到工作效率，直流母線電壓通常裕度較小，且在正弦脈寬調制（Sinusoidal Pulse Width Modulation, SPWM）模式下直流電壓利用率只有86.6%。因此該文提出，對需要承擔更多功率的子模塊，在其調制波中注入3次諧波，可將調制比擴大至1.155，使直流母線電壓利用率提高15%，同時在其他子模塊的調制波中注入極性相反的諧波，該方法既擴展了系統熱平衡能力，又保證輸出電能質量。

文獻[52]中，功率動態分配法被用于延長永磁同步電機模塊化驅動器的壽命。三重模塊化永磁同步電機驅動系統如圖20所示，該驅動器是由三個相同逆變器并聯而成，具有相同的輸入電壓，因此每個逆變器的輸入電流成為被控量。其基本思想是將三個逆變器的溫度與參考溫度對比，從而計算出每個逆變器應分配到的功率，以延長老化程度高的器件的壽命。

圖20 三重模塊化永磁同步電機驅動系統

2.6 負載電流

IGBT開關損耗sw和導通損耗cond對某些電參數具有一定的依賴性，即

式中，為集電極電流；為直流母線電壓；為開關周期；為占空比。若減小負載電流，將同時減小功率器件的導通損耗和開關損耗，那么功率器件上的熱應力將得到大幅度緩解。負載電流直接影響負載運行情況，即使保守的電流限制用于減輕功率器件熱應力，通常也不必要地降低了系統性能，因此負載電流法通常在系統接近熱極限時使用。文獻[11]建議對IGBT進行分區域模糊控制，基于區域的主動熱管理如圖21所示，使器件能在熱極限工況下運行。

圖21 基于區域的主動熱管理

在正常工作區域，將電流極限設置為標稱電流的兩倍，開關頻率設為15kHz；在過熱區域首先降低開關頻率，若熱應力緩解程度不足則再降低輸出電流；當開關頻率和輸出電流已經調至允許最低值后，而結溫尚未得到有效控制，則執行關機操作。

文獻[53]提出了一種用于永磁同步電機驅動器的主動熱管理策略，綜合考慮了IGBT結溫、二極管結溫和轉子繞組溫度。在系統運行狀態接近最大溫度時，首先降低開關頻率；當系統組件到達預定義的熱極限時立即限制輸出電流，防止繼續溫升。

3 主動熱管理對IGBT器件壽命影響及綜合對比

3.1 IGBT的壽命評估

IGBT的壽命預估有賴于IGBT的壽命模型，在實際應用中，由于材料參數、物理化學特性等難以獲取，因此壽命模型一般是通過加速老化實驗獲得的故障數據擬合而成。以下出現的f為功率循環次數，表示器件達到失效時所需的循環次數（次），工程中以此代表器件的預估壽命。Coffin-Manson- Arrhenius模型[54]在壽命模型中綜合考慮了平均結溫和結溫波動對失效周期的影響，即

式中，DTj為結溫波動幅度（℃）；Tjm為平均結溫（℃）；k1、k2、k3為從實驗中提取的擬合參數；kB為玻耳茲曼常數。盡管還有考慮更多參數影響的壽命模型，如Bayerer模型[55]等，本文僅就目前應用廣泛的Coffin-Manson-Arrhenius壽命模型展開討論。將Coffin-Manson-Arrhenius模型的典型參數代入式（6），在某電驅動應用[27]下，IGBT的最高結溫為101℃，最低結溫為80℃，則平均結溫Tjm=90.5℃，結溫波動DTj=21℃，此時Nf=2.5×107。若采用柵極電阻法主動熱管理策略后，最高結溫為99℃，最低結溫為81℃，則平均結溫Tjm=90℃，結溫波動DTj= 18℃，此時Nf=5.6×107，IGBT模塊的壽命為原來的2.2倍。圖22通過實驗進一步展示了DTj和Tjm對IGBT壽命的影響。

由圖22可知，平均結溫和結溫波動幅度的降低均對功率器件壽命提高有益，但結溫波動幅度對壽命影響更大。圖中，虛線代表特定應用中通過主動熱管理控制，IGBT模塊的工作點從A點轉移到了B點，即使平均結溫上升了20℃，B點的預期功率循環次數也遠高于A點。因此許多控制策略都通過增加輕載條件下的功率損耗來加熱功率器件以延長其運行壽命。

不過在實際情況中，功率變流器的任務曲線是難以確定的，且熱循環以不同的幅度和不同的平均結溫分布，這意味著功率曲線不可直接應用。為解決這個問題，需要一種循環計數法來分解功率循環曲線。文獻[56]已經提出多種方法用于統計熱循環，其中雨流計數法是應用最為廣泛的[57]。雨流計數法可根據溫度時間曲線得出器件的熱循環次數，由Palmgren-Miner法則[58]表示為

式中，為累積損傷；n為器件在應力范圍中的功率循環次數；N為器件在應力范圍中功率循環至失效的次數。隨著熱循環的增加，功率器件的累積損壞將增加，當=1時設備將發生故障[12]。

3.2 主動熱管理方法綜合對比

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。本文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[11, 13-16, 59-65]、驅動電壓[17-22, 66-67]、柵極電阻[23-24, 26-27]、調制方式[28-31, 68-77, 81]、占空比[34-35, 53, 78-79]、緩沖電路[36-38]、輸出頻率[80]、直流母線電壓[40-42, 82]、無功調節[44, 83]、有功調節[46, 48]、功率動態分配[50-52, 84-85]和負載電流[86-89]等主動控制方法。

主動熱管理方法綜合對比見表2。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dC/d和dCE/d，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：由文獻[90]可知，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2 主動熱管理方法綜合對比

Tab.2 Comprehensive comparison of active thermal management methods

（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，并結合式（6）計算出對應的IGBT器件壽命延長倍數。本文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。

4 結論

本文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。同時也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）本文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。

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Review on Active Thermal Control Methods Based on Junction Temperature Swing Smooth Control of IGBTs

（State Key Laboratory of Power Transmission Equipment & System Security and New Technology Chongqing University Chongqing 400044 China）

Served as core devices in power converters, IGBT devices are used in electric vehicles, rail transit, aerospace, and power systems. However, the junction temperature of IGBT devices swings dramatically due to the harsh operating environment. Hence, under the continuous impact of thermal stress, IGBT devices suffer degradations, which affects the reliability of system operation. At present, domestic and foreign scholars have carried out a lot of research work regarding internal thermal management to extend the operating lifetime. Simultaneously, various active thermal management methods have also been proposed, which are of great significance to delay the aging rate of power devices and improve the reliability of systems. Firstly, this paper clarifies and summarizes the principles and characteristics of the existing methods of active thermal control for IGBTs from the perspective of device level and the system level respectively. Secondly, the effects of the active thermal control methods based on the lifetime evaluation model of IGBTs are evaluated quantitatively. Finally, these methods are comprehensively compared and analyzed from the mitigated degree of the thermal stress, the difficulty of realization, the degree of the lifetime extension and the scope of the application. And the exploration direction of the active thermal control for IGBT devices is prospected, which provides a meaningful reference for the health management of IGBT devices.

Active thermal control, junction temperature smoothing, loss control, reliability

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210144

TM46

魏云海 男，1996年生，碩士研究生，研究方向為功率半導體器件可靠性。E-mail: wyh55043@163.com

賴 偉 男，1986年生，副教授，博士生導師，研究方向為電力電子器件可靠性壽命建模和狀態監測等。E-mail: laiweicqu@126.com（通信作者）

2021-01-27

2021-05-17

國家重點研發計劃（2018YFB0905800）、國家自然科學基金（51707024）、山西省揭榜招標（20201101017）、中央高?；究蒲袠I務費（2020CDJQY-A026）和國家自然科學基金-智能電網聯合基金重點（U1966213）資助項目。

（編輯 陳 誠）