寧圃奇，鄭 丹，康玉慧，柴曉光，曹 瀚，溫旭輝

（1.中國(guó)科學(xué)院電工研究所,北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049；3.電力電子與電氣驅(qū)動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國(guó)科學(xué)院電工研究所）,北京 100190；4.北京電動(dòng)車輛協(xié)同創(chuàng)新中心,北京 100081）

2019 年我國(guó)新能源車銷量為120.6 萬(wàn)輛，與2018 年比下降4%，2020 年情況略有好轉(zhuǎn)，主要原因之一是現(xiàn)有功率器件的容量水平和發(fā)展速度不能滿足日益增長(zhǎng)的車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)需求，在各地補(bǔ)貼進(jìn)一步降低的狀況下，這一差距還有繼續(xù)擴(kuò)大的趨勢(shì)，對(duì)中國(guó)制造2025 年產(chǎn)銷300 萬(wàn)輛目標(biāo)的實(shí)施帶來了壓力。因此亟需發(fā)掘現(xiàn)有車用功率器件的應(yīng)用潛能，進(jìn)一步提高其功率處理能力，促進(jìn)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。

現(xiàn)有電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)集成過壓、過流和過溫保護(hù)，但是目前功率模塊結(jié)溫監(jiān)測(cè)技術(shù)大多基于模塊內(nèi)基板某處集成的熱敏元件，監(jiān)測(cè)結(jié)果與芯片的實(shí)際工作結(jié)溫有較大差距。為了保證電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，大多采用增大裕量、多重冗余的經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，不可避免地存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象。如果能夠精準(zhǔn)提取功率芯片結(jié)溫，就能夠減小現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法浪費(fèi)的視在容量，從而降低成本，提高系統(tǒng)在復(fù)雜工況下的安全運(yùn)行能力。同時(shí)，功率芯片結(jié)溫的精準(zhǔn)提取是系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、故障診斷、故障預(yù)測(cè)與健康管理的基礎(chǔ)[1]。

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)開發(fā)階段，通過芯片結(jié)溫監(jiān)測(cè)給出電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器額定功率與可靠性量化指標(biāo)，可以為系統(tǒng)性能均衡設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)，在提高裝置功率密度的同時(shí)增加系統(tǒng)整體的安全裕量；在系統(tǒng)運(yùn)行使用階段，通過結(jié)溫實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)以及其變化趨勢(shì)可以判斷裝置整體健康狀況；在系統(tǒng)維修保養(yǎng)階段，基于相同工況下的芯片結(jié)溫記錄，可以減少裝備非計(jì)劃內(nèi)維修概率，對(duì)提高裝備保障能力具有重要意義。

結(jié)溫實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)對(duì)于第三代半導(dǎo)體的可靠應(yīng)用同樣具有重要意義。以碳化硅SiC（silicon carbide）為代表的的第三代半導(dǎo)體器件，具有導(dǎo)通電阻低、開關(guān)速度高、工作溫度高等優(yōu)點(diǎn)，特別適合需要高功率密度和高性能的車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，被預(yù)測(cè)為硅器件的取代者。但這種新型器件的基礎(chǔ)模型和實(shí)用技術(shù)尚不完備，需要借助結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)技術(shù)來充分發(fā)揮SiC 器件的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)超高功率密度。

由于功率芯片封裝在模塊內(nèi)部，不易直接接觸，難以直接觀測(cè)，芯片結(jié)溫測(cè)量頗具挑戰(zhàn)，成為近年來電力電子學(xué)科的研究熱點(diǎn)與難點(diǎn)課題。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工業(yè)界在車用功率器件的結(jié)溫監(jiān)測(cè)方面做了大量的研究工作[2]，提出了多種方法并開展了驗(yàn)證分析。結(jié)溫監(jiān)測(cè)方法主要可歸納為4 種技術(shù)手段：物理接觸法、光學(xué)非接觸法、熱阻抗模型預(yù)測(cè)法與熱敏感電參數(shù)提取法。

物理接觸法主要在功率模塊內(nèi)集成熱敏電阻或熱電偶等測(cè)溫元件，得到的信息是模塊內(nèi)部基板某處的局部溫度，遠(yuǎn)非功率芯片結(jié)溫，其誤差較大（可達(dá)73%）[3]，且響應(yīng)速度一般在秒級(jí)，無法實(shí)時(shí)反映待測(cè)器件結(jié)溫的動(dòng)態(tài)變化。光學(xué)非接觸法主要包括紅外熱成像儀、光纖、紅外顯微鏡、輻射線測(cè)定儀等。在測(cè)量前需要破壞模塊封裝，除去灌封膠并涂黑芯片表面以增加輻射系數(shù)，提高準(zhǔn)確度[4]。另外，現(xiàn)有商用紅外熱成像儀的最高采樣率僅為2 000 幀/s，遠(yuǎn)不能滿足實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)要求。SiC 器件在運(yùn)行時(shí)會(huì)發(fā)出可見光，Li 等提出采用光敏探頭來監(jiān)測(cè)結(jié)溫[5]。然而電機(jī)驅(qū)動(dòng)用SiC 模塊內(nèi)部并聯(lián)芯片較多，封裝內(nèi)部隔光板的設(shè)計(jì)、多路光敏探頭的排布與外連、平面型模塊的狹小空間等都限制了其應(yīng)用。熱阻抗模型預(yù)測(cè)法考慮了待測(cè)器件、電路拓?fù)浜蜕嵯到y(tǒng)等綜合因素，通過估算損耗推導(dǎo)芯片結(jié)溫及其變化趨勢(shì)[6-7]，廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程中散熱系統(tǒng)的評(píng)估。然而，實(shí)時(shí)損耗模型和熱阻抗網(wǎng)絡(luò)模型的精確建模相當(dāng)困難，預(yù)設(shè)的熱阻網(wǎng)絡(luò)模型會(huì)由于老化原因發(fā)生較大偏移，限制了其結(jié)溫監(jiān)測(cè)能力[2]。

功率器件的一些物理參數(shù)與結(jié)溫具有對(duì)應(yīng)的映射關(guān)系，如載流子壽命、遷移率等，使得宏觀電氣特性呈現(xiàn)出與溫度相關(guān)的變化趨勢(shì)，也稱為熱敏感電參數(shù)TSEP（temperature sensitive electrical parameter）[8]。通過對(duì)熱敏感電參數(shù)的測(cè)量，可以對(duì)芯片結(jié)溫進(jìn)行估計(jì)。其核心思想是把待測(cè)器件自身作為溫度傳感部件，建立溫度與外部電氣變量的映射模型。這種方法響應(yīng)快、成本低，是最具應(yīng)用潛力的結(jié)溫實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)技術(shù)。

熱敏感電參數(shù)法基本可分為兩類：靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法。靜態(tài)熱敏感電參數(shù)法是指器件處于完全導(dǎo)通或關(guān)斷狀態(tài)下的參數(shù)，例如小電流導(dǎo)通壓降法[9]、大電流導(dǎo)通壓降法[10]、驅(qū)動(dòng)電壓降差比法[11]、集電極起始電壓法[11]和短路電流法[12]等。與之相對(duì)的是動(dòng)態(tài)參數(shù)法，如集電極信號(hào)/功率端子差值法[13]，閾值電壓法[14-15]、內(nèi)置驅(qū)動(dòng)溫敏電阻法[16]等。

大電流導(dǎo)通壓降法是結(jié)溫實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)最具可行性的方法，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，取得了一定的研究成果，但尚未進(jìn)入實(shí)用階段。本文對(duì)大電流導(dǎo)通壓降法的特點(diǎn)進(jìn)行分析，針對(duì)離線標(biāo)定繁瑣、采樣精度低、驗(yàn)證困難等問題，介紹了現(xiàn)有的解決方案和未來研究方向。

1 大電流導(dǎo)通壓降法的特點(diǎn)和應(yīng)用重點(diǎn)

各類熱敏感電參數(shù)法都有各自的優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，可以從泛化度、精準(zhǔn)度、對(duì)控制策略的影響、硬件侵入性等角度進(jìn)行評(píng)估[17]。相對(duì)于其他TSEP 方法，大電流導(dǎo)通壓降法主要有如下4 個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

（1）泛化度較好，適于SiC 器件[18]?，F(xiàn)階段SiC器件加工工藝尚未成熟，SiC MOSFET 柵極氧化層存在缺陷，各類電氣參數(shù)均會(huì)在運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)隨機(jī)變化的情況。相對(duì)于其他熱敏感電參數(shù)，大電流導(dǎo)通壓降相對(duì)穩(wěn)定，隨機(jī)變化量很小[19]，是用于結(jié)溫監(jiān)測(cè)的良好參數(shù)。對(duì)于SiC 二極管，其他測(cè)量方法也出現(xiàn)了實(shí)時(shí)隨機(jī)變化的問題，只有導(dǎo)通壓降可以作為熱敏感電參數(shù)變量。

（2）精準(zhǔn)度較高。在采樣電路中，測(cè)量參數(shù)變化率大且測(cè)量分辨率大的方法可以獲得更高的靈敏度和監(jiān)測(cè)精度。電極信號(hào)/功率端子差值法等需要通過時(shí)間估結(jié)溫，對(duì)于快速開關(guān)的工況，靈敏度很低（<1 ns/℃）[20]。小電流導(dǎo)通壓降、門極閾值電壓等方法的測(cè)量參數(shù)變化律在2 mV/℃左右，而大電流壓降可以達(dá)到10 mV/℃[21]。

（3）對(duì)控制策略影響小。短路電流法需要設(shè)計(jì)額外的短路測(cè)試環(huán)節(jié)，閾值電壓法需要在開關(guān)瞬間添加額外的測(cè)量脈沖，小電流導(dǎo)通壓降法需要暫時(shí)關(guān)斷工作電流，這些測(cè)試需求會(huì)影響驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)正常的控制策略，帶來穩(wěn)定性問題。大電流導(dǎo)通壓降法不需要改變已有的控制策略，也不需要增加額外的脈沖，對(duì)系統(tǒng)安全的潛在威脅較小。

（4）硬件侵入性較低。驅(qū)動(dòng)電壓降差比法需要在正?？刂浦飧淖凃?qū)動(dòng)電壓，內(nèi)置驅(qū)動(dòng)溫敏電阻法需要在驅(qū)動(dòng)電路中增加高頻交流電源，這些附加電路會(huì)大大增加原有驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜度，帶來額外的可靠性問題。大電流導(dǎo)通壓降法可以復(fù)用驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)原有的電流采樣電路，只需增加相對(duì)簡(jiǎn)單的電壓采樣單元，并且不需要改變?cè)序?qū)動(dòng)電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，硬件侵入性較低。

在相關(guān)的應(yīng)用研究中，文獻(xiàn)[22]提出了大電流導(dǎo)通壓降法的具體實(shí)現(xiàn)方法，給出了測(cè)試電路原理圖和監(jiān)測(cè)流程。首先通過離線標(biāo)定建立電壓、電流、結(jié)溫的映射模型，在運(yùn)行過程中，監(jiān)測(cè)待測(cè)器件導(dǎo)通時(shí)段的壓降和電流，即可利用映射模型計(jì)算出瞬時(shí)結(jié)溫。此方法可以將逆變器的功率密度從11.16 kW/L提高到19.13 kW/L[23]。

大電流導(dǎo)通壓降法的應(yīng)用同樣存在一定的局限性。文獻(xiàn)[24-25]提出大電流導(dǎo)通壓降法存在盲區(qū)效應(yīng)，如Si IGBT 器件為雙極型器件，負(fù)載電流較小時(shí)，導(dǎo)通電壓降會(huì)呈現(xiàn)負(fù)溫度系數(shù)，而電流較大時(shí)為正溫度系數(shù)，具有拐點(diǎn)。當(dāng)采用大電流導(dǎo)通壓降法進(jìn)行結(jié)溫提取時(shí)，必須事先判定拐點(diǎn)并建立相應(yīng)規(guī)避策略。針對(duì)這些問題，文獻(xiàn)[26]認(rèn)為，常規(guī)工況下只有負(fù)載電流較大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)較高溫度，輕載時(shí)可不進(jìn)行結(jié)溫監(jiān)測(cè)，只在電流超過拐點(diǎn)情況下再開啟監(jiān)測(cè)，不會(huì)影響過溫保護(hù)效果。在這種實(shí)際要求下，大電流導(dǎo)通壓降法能夠發(fā)揮作用。文獻(xiàn)[27]指出現(xiàn)階段結(jié)溫監(jiān)測(cè)的主要目標(biāo)，是在常規(guī)工況下判斷功率模塊的每個(gè)橋臂是否存在過溫現(xiàn)象，以便進(jìn)行及時(shí)保護(hù)，異常工況下瞬態(tài)電流過大導(dǎo)致的結(jié)溫劇增一般都能由過流保護(hù)電路處理。因此，結(jié)溫實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)不必要求全量程高精度，對(duì)于遠(yuǎn)超正常芯片結(jié)溫的區(qū)域以及輕載區(qū)域，可以適當(dāng)放寬甚至設(shè)置飽和值。

綜上，大電流導(dǎo)通壓降法具有響應(yīng)快、精度較高以及對(duì)控制策略和硬件系統(tǒng)改變小等優(yōu)點(diǎn)，具有一定的學(xué)術(shù)研究與工業(yè)應(yīng)用價(jià)值，尤其對(duì)于SiC 芯片，相對(duì)其他熱敏感電參數(shù)隨機(jī)變化小，是當(dāng)前唯一適合的結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)方法。

2 離線標(biāo)定準(zhǔn)確性相關(guān)研究

使用大電流導(dǎo)通壓降法監(jiān)測(cè)結(jié)溫應(yīng)首先進(jìn)行離線標(biāo)定，獲得導(dǎo)通壓降、電流、結(jié)溫之間的三維映射規(guī)律，離線標(biāo)定的準(zhǔn)確性直接影響在線結(jié)溫監(jiān)測(cè)的效果。小電流導(dǎo)通壓降法已經(jīng)有成熟的標(biāo)定流程，大電流導(dǎo)通壓降法需要考慮芯片自發(fā)熱影響[28]。基于導(dǎo)通電流測(cè)試的熱敏感電參數(shù)均存在不同程度的自發(fā)熱問題，大電流導(dǎo)通壓降法則更為嚴(yán)重，采樣時(shí)刻會(huì)影響建模精度。如果在開通之后過短時(shí)間內(nèi)采樣，瞬態(tài)過程尚未結(jié)束，導(dǎo)通電壓誤差較大；如果持續(xù)通電流時(shí)間過長(zhǎng)，則發(fā)熱明顯，溫度相差很大，需要補(bǔ)償。

文獻(xiàn)[29]提出了一種在正常工作時(shí)，根據(jù)測(cè)量電流和壓降值計(jì)算結(jié)溫的方法。但是這種方法依賴于一個(gè)校準(zhǔn)臺(tái)和特殊定制的模塊，其應(yīng)用受到限制。文獻(xiàn)[30]提出了一種更為傳統(tǒng)的利用基板溫度的校準(zhǔn)方法，在校準(zhǔn)階段估算考慮自加熱。為了獲得接近的結(jié)溫，需要通過熱阻抗網(wǎng)絡(luò)計(jì)算修正參數(shù)，利用修正參數(shù)補(bǔ)償標(biāo)定過程，得到更準(zhǔn)確的熱敏感參數(shù)模型[31]。此方法過于依靠散熱模型的準(zhǔn)確度，較小的誤差就足以影響標(biāo)定的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[32]指出，如果水冷條件良好并且校準(zhǔn)在很短的時(shí)間內(nèi)，即時(shí)間不超過2 μs 進(jìn)行標(biāo)定，芯片結(jié)溫上升有限（<3%）。文獻(xiàn)[27]指出，使用短脈沖信號(hào)控制待測(cè)器件，會(huì)產(chǎn)生較長(zhǎng)的瞬態(tài)波形振蕩過程，影響導(dǎo)通壓降測(cè)量。提出始終保持被測(cè)器件DUT（device under test）導(dǎo)通狀態(tài)，增加一個(gè)串聯(lián)輔助開關(guān)來控制脈沖，可以在短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)待測(cè)器件導(dǎo)通壓降的穩(wěn)定，進(jìn)行合格標(biāo)定，如圖1 所示。

圖1 結(jié)溫標(biāo)定電路Fig.1 Circuit for junction temperature calibration

采樣時(shí)間的優(yōu)化選擇，要利用基于物理機(jī)理的熱電耦合器件模型進(jìn)行電路仿真，才能既保證待測(cè)器件真正進(jìn)入穩(wěn)態(tài)，又保證器件自發(fā)熱時(shí)間不會(huì)過長(zhǎng)。按照仿真手段的不同，基于物理機(jī)理的熱電耦合模型方法可以分為3 類：有限元法、電路法和混合法。對(duì)于未知芯片設(shè)計(jì)參數(shù)和具體加工工藝的器件，有限元法和混合法需要逆向破解過程，計(jì)算復(fù)雜且誤差大，電路法是唯一選擇。電路法主要根據(jù)芯片結(jié)構(gòu)和外特性邊界條件求解載流子輸運(yùn)方程，得到載流子分布，進(jìn)而求解外特性。典型的Si IGBT 和二極管物理模型包括Hefner 模型[33]、傅里葉模型[34]、Laplace 模型[35]和集總電荷模型[36]等。如圖2 所示，文獻(xiàn)[37]提出了有限差分模型，采用有限差分法求解基區(qū)載流子分布，解決了Hefner 模型和集總電荷模型不夠準(zhǔn)確、傅里葉模型收斂性過低的問題。SiC MOSFET 熱電耦合模型相對(duì)簡(jiǎn)單，相關(guān)研究比較透徹。傳統(tǒng)的熱電耦合模型包括器件封裝雜散阻抗和芯片熱電耦合模型，文獻(xiàn)[38]提出主電路尤其是母線電容，對(duì)功率器件的開關(guān)特性有較大影響，在熱電耦合模型中應(yīng)加入母線電容部分。

圖2 電路法求解有限差分模型Fig.2 Finite difference model solved using circuit method

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組裝后很難為標(biāo)定三維映射規(guī)律進(jìn)行大量臺(tái)架實(shí)驗(yàn)，如何在較短時(shí)間內(nèi)建立高準(zhǔn)確度的映射關(guān)系也是需要突破的問題。對(duì)于車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來說,熱敏感電參數(shù)模型具有特異性，只能利用少量臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的樣本建立映射模型，如果使用隨機(jī)樣本容易形成較大的誤差。在設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)的時(shí)候要根據(jù)均衡分布思想，運(yùn)用組合數(shù)學(xué)等理論設(shè)計(jì)構(gòu)造樣本庫(kù)，使之具有正交性、典型性以及綜合可比性等特點(diǎn)。文獻(xiàn)[39]指出采用正交法設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)時(shí)，需要基于功率器件的熱電耦合模型，分析其中的物理機(jī)理，揭示結(jié)溫與熱敏感電參數(shù)在不同工況下的相關(guān)性，找出不同區(qū)域內(nèi)各參數(shù)變化的敏感性，為實(shí)驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。在全部標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，建立三維映射模型需要進(jìn)行參數(shù)擬合，為提高模型精度，一般要采用特定的優(yōu)化學(xué)習(xí)方法，迅速建立全量程高準(zhǔn)確度的映射模型。使用遺傳算法對(duì)熱電耦合模型進(jìn)行參數(shù)擬合，有效提高了性能和訓(xùn)練效率。文獻(xiàn)[40]改進(jìn)了經(jīng)典遺傳算法優(yōu)化模型參數(shù)，部分解決了收斂速度慢、全局搜索能力差以及不穩(wěn)定等問題。

3 在線監(jiān)測(cè)電路和采樣策略研究

在實(shí)際運(yùn)行工況中，待測(cè)大容量電力電子器件一直處于高頻開關(guān)切換中，經(jīng)受著高電壓和大電流的雙重沖擊。器件導(dǎo)通時(shí)待測(cè)量一般只有幾伏，而關(guān)斷時(shí)需要耐壓近千伏，需應(yīng)對(duì)分辨率和采樣噪聲難題。特別是SiC MOSFET 開關(guān)過程中的dv/dt 和di/dt 噪聲量級(jí)遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)Si 基功率變換器，這種強(qiáng)干擾環(huán)境對(duì)結(jié)溫監(jiān)測(cè)電路提出了更高的要求。

在可阻斷高壓的低壓信號(hào)測(cè)量方法研究中，文獻(xiàn)[41]給出了兩種常用的導(dǎo)通壓降檢測(cè)電路，如圖3所示。當(dāng)DUT 處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，鉗位電路處于短路狀態(tài)，理想情況下，導(dǎo)通壓降可以約等于負(fù)載電阻R1兩端的壓降；當(dāng)DUT 處于阻斷狀態(tài)時(shí)，鉗位電路可以阻斷直流電壓，在保護(hù)測(cè)量電路的同時(shí)提高測(cè)量精度。如圖3（a）所示，R1遠(yuǎn)大于開關(guān)S1的導(dǎo)通電阻，V1，a在數(shù)值上約等于VCE。選擇此方案需要特別關(guān)注S1的開關(guān)時(shí)序。一般來說，在DUT 關(guān)斷之前，S1需要提前被關(guān)斷；當(dāng)DUT 導(dǎo)通之后，S1才能被再次開通。這樣可以有效地抑制DUT 的開關(guān)瞬態(tài)對(duì)于測(cè)量電路產(chǎn)生的影響，同時(shí)也會(huì)增加整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜程度。圖3（b）通過電壓鉗位二極管D1來阻斷直流電壓，相比于前一種方案，采用D1阻斷直流時(shí)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要額外的脈沖來驅(qū)動(dòng)有源器件。但是，其測(cè)量電路輸出值實(shí)際上為DUT 的導(dǎo)通壓降值加上鉗位二極管D1的導(dǎo)通壓降，并且VD1會(huì)隨著二極管溫度和導(dǎo)通電流的變化而變化，這就使得精確測(cè)量DUT 導(dǎo)通壓降變得十分困難。

文獻(xiàn)[42]在圖3（b）的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)相同型號(hào)的二極管D2用于抵消隔離二極管D1壓降的影響，如圖3（c）所示。實(shí)際使用中要求兩個(gè)二極管位置靠近以保持溫度相對(duì)一致，并且兩個(gè)二極管溫度系數(shù)的離散性仍然會(huì)產(chǎn)生部分誤差。

圖3 常用導(dǎo)通壓降監(jiān)測(cè)電路Fig.3 Commonly used monitoring circuits for on-state voltage drop

使用積分器對(duì)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行濾波是常用的手段，也常被用于結(jié)溫監(jiān)測(cè)的調(diào)理電路中。實(shí)際電路中含有寄生電容，導(dǎo)致其在高頻段喪失微分特性，再加上空間復(fù)雜干擾的存在，致使高性能積分器的設(shè)計(jì)面臨巨大挑戰(zhàn)。因此，盡管基于大電流導(dǎo)通壓降的結(jié)溫監(jiān)測(cè)方法在理論上具有很大優(yōu)勢(shì)，但實(shí)際應(yīng)用中仍需要探索同時(shí)滿足高帶寬、強(qiáng)抗擾、低侵?jǐn)_和小體積的高性能電路。文獻(xiàn)[43]在圖3 電路的基礎(chǔ)上增加了低通濾波環(huán)節(jié)，同時(shí)增加動(dòng)態(tài)比例調(diào)節(jié)電路和無效范圍去除電路，大幅提高了電壓采樣的溫度分辨率。高精度導(dǎo)通電壓采樣調(diào)理電路如圖4 所示。

圖4 高精度導(dǎo)通電壓采樣調(diào)理電路Fig.4 High-precision sampling and conditioning circuit for on-state voltage

在結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，芯片導(dǎo)通電流檢測(cè)的準(zhǔn)確性，以及與導(dǎo)通壓降測(cè)量的同步性，對(duì)結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)結(jié)果影響較大。被測(cè)器件導(dǎo)通電流檢測(cè)的方法主要有同軸分流器法（Shunt）、霍爾傳感器法、芯片集成電流傳感器法、IGBT 退飽和方法和PCB 板羅氏線圈法等。同軸分流器法測(cè)量精度高，但電阻的寄生參數(shù)會(huì)惡化被測(cè)器件的開關(guān)特性，且損耗問題不可避免，僅適用于中小功率等級(jí)。芯片集成電流傳感器法采樣電阻的選取無法兼顧檢測(cè)精度和電流偏移之間的要求，僅適用于辨識(shí)過載和短路，不適合作為正常工況下的電流檢測(cè)方法。IGBT 退飽和方法無法解耦結(jié)溫和導(dǎo)通電流，一般只應(yīng)用于短路保護(hù)。PCB 板羅氏線圈法是最近比較熱門的研究，具有體積小、帶寬高、線性度高、無磁飽和等優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于低頻信號(hào)誤差較大，且存在積分器與線圈的耦合振蕩問題。

霍爾電流傳感器帶寬通常低于300 kHz，對(duì)于突然變化的電流測(cè)量較為困難，而且霍爾元件的溫漂問題會(huì)引入測(cè)量誤差，但是其在電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中應(yīng)用非常普及，如果能把霍爾電流傳感器采樣的電流數(shù)據(jù)應(yīng)用于結(jié)溫實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)于降低系統(tǒng)復(fù)雜度和侵入性具有重要意義。文獻(xiàn)[43]使用負(fù)載電流和控制時(shí)序計(jì)算芯片導(dǎo)通電流的方法，具有一定的實(shí)用性。然而，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)載波比變小，每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電流會(huì)迅速變化，必須按照開關(guān)頻率和控制策略及時(shí)調(diào)節(jié)電流、電壓的采樣時(shí)刻，盡可能測(cè)量到該周期的芯片最高結(jié)溫。在熱電耦合模型的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步詳細(xì)仿真分析每段PWM 采樣時(shí)刻，摸索采樣規(guī)律，提高結(jié)溫監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

圖5 給出了應(yīng)用負(fù)載側(cè)霍爾電流傳感器對(duì)電流進(jìn)行采樣的結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)采樣時(shí)序[43]。為消除功率器件開關(guān)過程對(duì)采樣產(chǎn)生的干擾，在DUT 導(dǎo)通中間時(shí)刻采樣。為減小對(duì)控制策略干擾，控制器使用兩個(gè)定時(shí)中斷，在載波的上溢中斷進(jìn)行控制器主控相關(guān)的模擬量采樣和計(jì)算，在載波下溢中斷進(jìn)行結(jié)溫監(jiān)測(cè)相關(guān)的采樣和計(jì)算。結(jié)溫采樣與開關(guān)頻率同步,在每個(gè)結(jié)溫采樣周期，進(jìn)行過采樣濾波。選擇電壓、電流交替采樣以保證電壓和電流采樣時(shí)刻同步。

圖5 結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)采樣時(shí)序Fig.5 Sampling sequence for online junction temperature monitoring

4 驗(yàn)證方法研究

文獻(xiàn)[9-15]指出，已有的各種結(jié)溫監(jiān)測(cè)技術(shù)均缺乏有效、可信的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法，一些測(cè)量技術(shù)在非線性區(qū)域準(zhǔn)確性可能會(huì)大幅度變化。文獻(xiàn)[11]在驗(yàn)證的過程中，把模型的仿真結(jié)果和結(jié)溫監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，缺乏與其他實(shí)驗(yàn)方法監(jiān)測(cè)到的結(jié)溫相互驗(yàn)證，信服力較低。

在前述介紹的幾種芯片結(jié)溫監(jiān)測(cè)方法中，物理接觸法大多遠(yuǎn)離芯片，難以得到準(zhǔn)確結(jié)溫；光學(xué)法對(duì)模塊侵入性較大，難以正常運(yùn)行；熱阻抗網(wǎng)絡(luò)法對(duì)實(shí)時(shí)損耗和熱阻抗網(wǎng)絡(luò)要求高，精確建模不易。如果利用其他的熱敏感電參數(shù)法進(jìn)行對(duì)照，會(huì)受到靈敏度、控制策略、硬件侵入性等問題的約束，且同時(shí)使用兩套測(cè)量電路會(huì)極大增加系統(tǒng)復(fù)雜度，特別對(duì)于SiC 器件，除大電流導(dǎo)通壓降法外，其他的熱敏感參數(shù)法幾乎都存在隨機(jī)變化的情況，難以直接對(duì)比。

小電流導(dǎo)通壓降法具有線性度好、耦合量少、檢測(cè)精度高的優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于Si IGBT 實(shí)驗(yàn)室離線的結(jié)溫測(cè)量和熱阻抗測(cè)量。對(duì)于電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)常規(guī)運(yùn)行工況下的結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)，比較適合采用小電流導(dǎo)通壓降法來進(jìn)行對(duì)照驗(yàn)證。文獻(xiàn)[41]提出了突然暫停法，在常規(guī)工況運(yùn)行時(shí)封鎖所有控制信號(hào)，逆變器完全停止后再注入小電流信號(hào)，以小電流導(dǎo)通壓降法測(cè)量離線芯片結(jié)溫，如果該過程的時(shí)間很短（小于10 ms），可以認(rèn)為芯片結(jié)溫下降有限，可以與在線監(jiān)測(cè)方法互為驗(yàn)證。然而，所有開關(guān)器件鎖閉后，由于電感存儲(chǔ)的電流不會(huì)立刻消失，二極管仍然會(huì)導(dǎo)通一段時(shí)間，此時(shí)難以開通一個(gè)開關(guān)器件并注入小電流信號(hào)，特別是電機(jī)負(fù)載具有旋轉(zhuǎn)機(jī)械能量存在，加大了電流快速回零的難度。

文獻(xiàn)[44]采用特殊的控制時(shí)序，提出了單向電路帶電感負(fù)載時(shí)，“暫?！弊冾l器時(shí)在短時(shí)間內(nèi)使大電流歸零的方法，具體電路和控制方法如圖6 所示。其控制算法在“暫?！边^程中會(huì)對(duì)阻抗負(fù)載逆向注入較大電流，從而使電感電流迅速歸零。通過改變逆變器的控制算法，可以一次性測(cè)量H 橋中所有器件的結(jié)溫。這種方法目前僅適用于單相電路。

圖6 H 橋電路和突然暫?？刂品椒‵ig.6 H-bridge circuit and sudden shutdown control method

對(duì)于三相系統(tǒng)，文獻(xiàn)[45]設(shè)計(jì)的“暫?！睍r(shí)序，通過選擇停止時(shí)刻和控制IGBT 狀態(tài)，使負(fù)載電流進(jìn)入強(qiáng)制續(xù)流模式，可以在幾毫秒內(nèi)切斷工作電流進(jìn)入小電流導(dǎo)通壓降法測(cè)量模式。具體電路和控制方法如圖7 所示。從開始“暫停”控制到完全停止之間的時(shí)間，應(yīng)用方法進(jìn)行補(bǔ)償，可以精準(zhǔn)得到關(guān)斷瞬間的結(jié)溫。

圖7 三相變流器電路和突然暫?？刂品椒‵ig.7 Three-phase inverter circuit and sudden shutdown control method

車用電機(jī)驅(qū)動(dòng)的實(shí)際工況中，可能出現(xiàn)過流、短路、負(fù)載突變、堵轉(zhuǎn)等異常狀態(tài)，在異常工況下，結(jié)溫監(jiān)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性、快速性和保護(hù)特性同樣需要驗(yàn)證。其中短路模式的電流突然增大能夠引起溫度的聚升，但能夠被電流保護(hù)所控制，溫度檢測(cè)只需要針對(duì)滿載、超載和瞬態(tài)過程中的結(jié)溫過高。與Si IGBT 不同，SiC MOSFET 輸出特性的線性區(qū)和飽和區(qū)無明顯過渡，在短路瞬間電流急劇上升，結(jié)溫迅速升高。文獻(xiàn)[46]提出，作為過流保護(hù)的有效輔助手段，結(jié)溫監(jiān)測(cè)也要極其迅速才能避免器件熱擊穿失效，由于材料缺陷和工藝原因，現(xiàn)有SiC MOSFET芯片產(chǎn)品的短路耐受能力遠(yuǎn)低于Si IGBT，結(jié)溫檢測(cè)的快速性需要特別驗(yàn)證。

另一方面，結(jié)溫監(jiān)測(cè)依靠電流、導(dǎo)通壓降、結(jié)溫的三維映射模型，不僅要計(jì)算采樣時(shí)刻的結(jié)溫值，而且要估算一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)結(jié)溫的變化，這需要掌握整個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電流的變化規(guī)律。文獻(xiàn)[47]指出，通過負(fù)載電流和控制時(shí)序能夠?qū)崟r(shí)計(jì)算出流過每個(gè)橋臂的電流，但只在三相對(duì)稱時(shí)準(zhǔn)確度較高。電機(jī)驅(qū)動(dòng)在常規(guī)工況下三相有較高對(duì)稱度，僅在載荷突變時(shí)三相瞬態(tài)下不對(duì)稱，負(fù)載突變時(shí)會(huì)有一相電流超過之前時(shí)刻的穩(wěn)態(tài)，基于大電流的結(jié)溫檢測(cè)可能出現(xiàn)準(zhǔn)確率大幅下降的情況，需要匹配合適的補(bǔ)償算法。另一類情況是電機(jī)堵轉(zhuǎn)，電流的幅值并不增加，但是電流的基波頻率會(huì)大幅下降，可能造成對(duì)單一橋臂散熱集中的情況。尤其是轉(zhuǎn)速較高的電機(jī)突然堵轉(zhuǎn)的瞬態(tài)過程，三相不對(duì)稱的瞬態(tài)過程會(huì)使結(jié)溫監(jiān)測(cè)系統(tǒng)受到影響，可能出現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差過大，也需要一定補(bǔ)償。

5 未來研究熱點(diǎn)展望

該方向研究的最終目標(biāo)是以大電流導(dǎo)通壓降作為特征參數(shù)，實(shí)現(xiàn)功率器件實(shí)時(shí)結(jié)溫監(jiān)測(cè)，為功率器件容量擴(kuò)展和系統(tǒng)可靠性增強(qiáng)提供支撐。在標(biāo)定、采樣、驗(yàn)證方面仍有進(jìn)步空間，可能的熱點(diǎn)方向如下。

（1）在標(biāo)定用模型改進(jìn)方面，需要建立包含芯片和封裝的熱電耦合模型，進(jìn)一步加入母排、電容等主回路元件，并考慮元件間散熱影響，以降低模型誤差。采用芯片+封裝+母線電容的熱電耦合模型后，容易導(dǎo)致溫度大范圍變化時(shí)仿真時(shí)間過長(zhǎng)，或出現(xiàn)收斂性問題，需要進(jìn)一步降階。

（2）在數(shù)據(jù)采集方面，需要在平衡成本和體積的前提下進(jìn)一步提高電流、電壓采樣精度，將溫度誤差限制在較小范圍內(nèi)。增強(qiáng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)融合等環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性和精度。

（3）在SiC 器件結(jié)溫驗(yàn)證方面，上述小電流導(dǎo)通壓降法無法作為驗(yàn)證手段，可以探索利用SiC 正常工作時(shí)發(fā)出的可見光進(jìn)行驗(yàn)證。設(shè)計(jì)開發(fā)特殊的功率模塊，內(nèi)嵌光敏探頭和隔光板，防止芯片間的光源干擾。在電機(jī)驅(qū)動(dòng)正常運(yùn)行情況下，利用SiC器件工作時(shí)可見光與結(jié)溫具有的特定關(guān)系，對(duì)比驗(yàn)證大電流導(dǎo)通壓降法的準(zhǔn)確性。

6 結(jié)語(yǔ)

車用功率模塊應(yīng)用過程中，現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法存在視在容量的浪費(fèi)，結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)可以提高功率模塊的可用容量，增加系統(tǒng)可靠性。以大電流導(dǎo)通壓降為狀態(tài)量的熱敏感電參數(shù)法最有可能實(shí)現(xiàn)結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)。在已有研究中，深入機(jī)理研究建立包括芯片、封裝、主回路元件在內(nèi)的熱電耦合模型，是解決大電流導(dǎo)通壓降法難以標(biāo)定、采樣準(zhǔn)確度低、驗(yàn)證困難等問題的基礎(chǔ)。標(biāo)定階段的研究主要側(cè)重合理采樣時(shí)間的確定以克服芯片自發(fā)熱現(xiàn)象，監(jiān)測(cè)階段的研究側(cè)重高精度、抗干擾、低溫漂的采樣電路和采樣策略，準(zhǔn)確性驗(yàn)證方面的研究側(cè)重在不同工況下可以迅速停止系統(tǒng)進(jìn)行離線結(jié)溫監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比的控制策略設(shè)計(jì)?；诖箅娏鲗?dǎo)通壓降法的結(jié)溫在線監(jiān)測(cè)研究，正在不斷提高監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，助力提高功率芯片實(shí)際使用容量，增強(qiáng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的安全性。