功率模块主动热控制技术研究综述

　　导读

　　功率半导体器件是基于电力电子技术的电能变换､电力驱动等领域的核心,在新能源发电､交通运输以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而其发热原因造成的退化失效和可靠性等问题已成为限制其进一步发展的瓶颈,亟需探究有效的热管理方法以提高其可靠性和使用寿命｡本文在介绍功率模块的热管理方法的基础上,重点综述了其主动热管理方法的研究进展,依据控制参量的不同可分为器件级､系统级和多参量的综合方法,对各种方法进行了分析比对总结,最后提出了功率器件结温相关技术的发展趋势及展望,以期为其后续研究应用提供参考｡

　　在“碳达峰､碳中和”的双碳目标下,随着如光伏发电机组､风机发电机组､电动汽车驱动系统､飞机电推进系统的不断增加,包括其系统在内的电力电子装置也得到了广泛应用,同时给系统的可靠性带来诸多问题｡在电力电子系统中,功率器件是实现电能转换和控制的重要组件之一,也是最易发生故障的部件之一,所以其可靠性对整个电力电子系统的稳定至关重要｡据调查统计电力电子系统的失效中约有34%由功率器件引起,而温度又是导致功率器件失效的主要原因,约有55%的器件失效与温度直接相关[1],并且功率器件的工作结温每上升10℃,其失效概率以2的指数倍速上升[2]｡在长期工作中,功率模块受到电热力多物理场耦合作用,在芯片的结温波动中,由不同热膨胀系数材料构成的功率模块在遭受交变热应力冲击后,其内部材料产生疲劳效应,最终降低功率模块的可靠性｡因此功率器件结温的温度控制对于器件的的可靠性和使用寿命至关重要,也是电力电子系统的重要设计环节｡本文综述了近些年功率器件的温度控制方法,阐述了功率模块的主动热管理方法,分析了各种热管理方法的特点｡最后,对现有研究方法进行总结和评价并分析展望了未来相关研究｡

　　01

　　基于主动热控制的管理方法

　　温度情况是影响功率器件的寿命的关键因素,在温度精确获取的前提下,对功率器件进行热管理从而提升器件的运行效率与使用寿命,已经成为电力电子系统设计中一个重要方向｡对于热管理而言,散热通常是其实现手段,通过散热器结构及冷却方式的设计,提高器件散热能力,进而提高可靠性,延长寿命[4-6]｡冷却形式可分为风冷[7]､液冷[8],基于相变材料的储热热控制方式也得到广泛研究和发展[9,10]｡基于散热的热管理方式目的在于强化散热能力从而实现器件温度的限制,该热管理方法虽然可以提升器件工作的安全性,但仍存在许多方面的不足｡其一,不能从根本上缓解器件发热问题,在恶劣环境下散热系统难以正常工作时,器件热量不能得以释放从而造成损坏｡其二,器件的寿命问题与器件工作时的结温波动有密切关系,而散热的热管理技术并不能调整器件的结温波动状况,所以对于器件的工作寿命帮助有限｡其三,散热器的设计往往具有盲目性,保有一定裕量｡加之散热器体积重量较大,不利于系统的集成化小型化｡上述不足促使功率模块热管理的改进｡D.A.Murdock等人提出主动热管理概念[3],通过该技术融合器件模块的控制方法,希望能够从器件自身发热出发,通过控制手段平滑结温波动,减小器件由于热循环导致的失效风险,提高器件可靠性｡主动热控制方法在近年来得到了广泛关注｡迄今为止,学者们探索与IGBT模块损耗相关的量如开关频率､驱动电路､调制方式等进行调节温度的主动热管理策略,并从理论和实验上证明了其可行性｡

　　基于主动调节的热管理方式提取出功率器件的不同控制层中的变量以改变其热行为｡图1描述了不同的控制层级,其中栅极驱动器的层级最低,对于该层而言,驱动电压电流和栅极电阻可以调整以改变功率器件的损耗和温度｡调制层级可以通过调节开关频率来控制热行为,该方法可以在不影响变换器性能的前提下,降低功率器件的开关损耗和导通损耗｡在更高的水平上,热控制可以通过改变输出电压､输出电流､直流电压､有功功率和无功功率来实现[11]｡按照调节参数的不同可以将这些方法分为器件级热管理和系统级热管理方法[12],同时对于综合不同热管理方法的形式,能够弥补单一方法的缺陷,使得热管理更强力有效,也是一种重要的方法｡

　　02

　　器件级主动热管理方法

　　直接作用于器件的热管理参数有开关频率､驱动电压､栅极电阻､调制方式等｡功率模块的开关频率与其开关损耗有密切的关系,其关系可表示为

　　式中,fsw为开关频率,Eon为开通损耗,Eoff为关断损耗｡可见由于功耗和频率成正比,因此可通过控制开关频率来降低或者增大结温｡许多文献以此为基础尝试结温波动的改进措施,其中效果比较显著的是采用滞环频率控制[13,14],当器件的结温波动低于较小设定值时升高开关频率,当结温波动高于较大设定值时降低开关频率,从而减小因工况发生变化引起的低频结温波动,具体流程如图2所示,结果显示该方法可使最高结温降低约30℃｡文献[15]提出一种变开关频率的功率模块结温控制方法｡文中表明在结温波动在5℃以内时对器件的损伤会降到最低,所以通过建立在结温波动为5℃时的频率与电流之间的数学关系,通过电流控制开关频率进而控制结温｡最终应用在三相并网逆变器中验证其可行性,将温度波动幅值从10℃限制在5℃以内｡

　　开关频率是作用于器件,也是整个系统的重要设计参数,开关频率的降低会导致输出波形的谐波畸变率增加,同时频率的变化对于后级滤波器的设计要求提高,也会影响到系统性能及稳定性等指标｡所以开关频率的调节范围有限,进而导致其调节能力有限｡

　　为了不影响输出性能,基于栅极电阻､栅极电压的方法得以提出｡栅极电阻会影响栅极电容的充放电速度,从而导致IGBT模块的开关速度发生变化,使开关损耗增大或减小｡基于此文献[16]提出了一种可控的栅极驱动器来减少功率器件工作时的结温波动,如图3所示｡根据工频周期内电流的大小划分区间,不同区间采用不同的驱动电阻,从而使结温波动减小｡选择原则为在小电流下选择最大的栅极电阻,使得开关损耗增加｡在大电流下选择最小的栅极电阻,减少损耗｡虽然该方法可以降低IGBT模块的基频结温波动,但是需要额外的驱动电路,控制方法也会随之复杂化｡

　　由功率器件的输出特性可知,在电流不变的情况下增大驱动电压可以减小导通压降,进而降低导通损耗｡同时研究表明驱动电压对器件的开关损耗也有影响,关断损耗的大小与驱动电压无明显关系,但驱动电压的增大会降低开通损耗,所以变驱动电压也可成为主动热控制的方法之一｡由于栅极电压米勒平台的存在,在驱动时可采用两步式栅极驱动器,首先输出器件的米勒平台电压,然后输出器件的典型驱动电压,通过在栅极驱动器中调整米勒平台电压持续时间来改变功率器件导通电压下降速率和导通电流上升速率,进而改变功率器件开通损耗,从而达到控制结温的目的[17,18]｡结果表明最大热循环幅度从13℃降低至7℃｡

　　不连续脉宽调制策略(DPWM)可以使IGBT模块的损耗更低｡基于此对风电变流器中的IGBT模块结温波动进行调节,当风速超过某个值时,采用不连续脉宽对变流器进行调制,正常情况采用SPWM｡该方法可以有效降低IGBT模块长时间任务工况下的低频结温波动,但是对切换调制方式下的运行工况电能质量有一定影响｡不连续的调制策略又可分为DPWM0,DPWM1,DPWM2,DPWMMAX,DPWMMIN,在不同的功率因数角下,不同的断续调制策略损耗也有不同｡所以动态的不连续调制策略也是可行的热控制方法[19]｡

　　03

　　系统级主动热管理方法

　　可用于热管理的电力电子系统级别的方式有负载电流限幅､直流母线电压､有功调节､无功调节功率动态分配等｡由于负载电流对IGBT模块的损耗影响较大,可通过设定结温阈值的方法限制负载电流,该方法不仅可以使基频结温的平均值减小,还可以降低结温波动,但是会影响变流器的输出功率,所以应用的局限性较大｡与传统限流方法相比,通过结温反推进而动态调整电流幅度限制来监控温度并控制损耗具有明显优势,既可以充分利用逆变器的容热能力又可以增强逆变器的负载能力[20]｡其动态限流控制器原理如图4所示,使用器件温度解算器件电流最大值,取其最小值与逆变器极限电流Icmax的较小值最为系统电流动态限幅值｡

　　IGBT的开关损耗和续流二极管的反向恢复损耗分别为:

　　式中,Eon､Eoff､Erec为器件数据手册中在基准情况下的IGBT的开关损耗和二极管反向恢复损耗｡VDC_rated为基准电压,VDC为实际电压｡由此可见流母线电压VDC的动态调节,亦能影响功率器件的损耗｡该方法在电机驱动方面得以应用,在大转矩和低速状态的运行状态下,将导致逆变器功率器件结温波动大,峰值高｡文献[21]提出一种考虑开关损耗和导通损耗均衡的变直流电压控制方法,使得IGBT启动时的峰值功率损耗从6700W降低至1800W,最大结温降低了15℃,定子电流纹波更小｡文献[22]考虑因素更多,将电机转矩､转速､d轴q轴电流均作为调节电压因素,通过PI控制母线电压变化,提升了电机与逆变器的整体效率｡但是该方法的主要缺点是直流母线电压的控制会增加系统的复杂度和成本,且此策略不适合用于如风力发电等这类需要维持恒定电压以接入电网的应用｡

　　在风力发电､光伏发电中,常用的控制策略为最大功率电跟踪控制(MPPT),但在此策略下,难以平衡逆变器输出功率最大与其工作寿命最长之间的矛盾,因此有功功率控制被用于限制光伏或者风机的最大输出功率,采用有功功率控制和最大功率点跟踪相结合的方法降低热负荷[23]｡而无功功率的调节引入无功电流､可以改变功率变流器的电压､电流大小和相位,从而改变功率器件损耗的大小和分布｡文献[24]提出通过控制并联变流器之间的无功功率循环,在对其他器件或并联变流器的热应力增加是可以接受的前提下,稳定阵风时电力设备的热波动,为提高风电转换系统的可靠性提供新的途径｡同样,在高压大功率场合下,功率变换器通常由多个子模块单元串并联组合而成,使各子模块承担相同的功率｡而在因老化或者不均流等因素的影响下可能会导致不同子模块之间承担功率并不相同,因此合理的功率动态分配方法能够使用电压､电流等可自由调节的参量,动态分配功率从而提高系统可靠性[25,26]｡文献[27]在一个四模绕组永磁同步电动机驱动系统提出基于功率分配的主动热控制方法,实时采集各逆变器温度由热控制器计算出功率分配系数并最终计算出4个电流环的电流参考值,用以平衡各模块承担功率进而平衡热分布｡

　　04

　　综合主动热管理方法

　　研究发现SiCMOSFET开关损耗同时受到开关频率､驱动电阻和母线电压等多种因素的影响,然而,当正常工作条件下的开关损耗本身较小时,单独使用变开关频率或者变驱动电阻方式时的结温控制效果十分有限,提出多种方式共同作用的方法,可以大范围调节,使得芯片的结温控制也更加有力[28]｡因此相比单一的控制方法,综合多方式的热管理方式也是重要的发展方向,在提升结温控制效果的同时又能综合各种方式的优势｡在功率模块热传递过程中,芯片-环境之间的热阻直接影响热量传递的效率,所以也有文献考虑改变外部散热条件来对结温进行调节｡主动控制散热这种方法可通过反馈闭环结温或底板温度,当结温较高时调节制冷装置,可以对结温的大幅波动进行有效平滑｡虽然设备的温度应力可以降低,但两个额外的控制回路使其相对复杂[29,30]｡基于上述通过结温改变外部散热条件的方法,文献分析了变流器在变开关频率､变负载､变环境温度下的结温波动情况｡针对负载突变的情况,设计了一种变开关频率与变散热风扇转速相结合共同抑制结温波动的方法,相比于仅使用其中任何一种方法均存在优势｡在无热控制时,负载电流的50A跳变至80A会带来15℃的平均结温跳变,仅在使用变开关频率和变散热风扇转速的情况下跳变分别减至5℃和3.5℃,同时使用时温度跳变仅为1.6℃｡证明了所提方法的有效性｡而文献[32]提出基于区域导向的主动热管理策略,控制框图如5所示,在考虑开关频率与外部散热器调节的基础上,还使用输出电流对高频下的平均结温进行限制｡在较低输出频率时对温度波动进行监控,滞环控制开关频率｡在较高输出频率时,对电流进行限幅,降低器件的平均结温,将两者结合优势起来｡结果表明在初始输出频率较低､结温波动较大的情况下滞环控制使得结温波动降低,输出频率逐渐增高后采用采用风扇散热和电流限幅的方式限制平均结温｡最终可将最大结温波动减少20℃､平均结温下降10℃左右｡

　　在上述方法的基础上｡文献[33]同样从器件损耗和散热系统两个维度,进一步考虑了栅极电阻的影响,提出了一种综合主动结温控制方法,如图6所示,一定程度上解决了单独冷却系统不能快速控制的缺陷｡使用负载电流跳变的方式,从仿真和实验验证主动结温控制策略的可行性｡IGBT与二极管的结温波动均下降15℃左右｡

　　需要进一步考虑的是不同限温策略对系统的影响以及不同限温策略之间的协调作用｡需要对不同策略施加相应的权重以调节触发节点｡

　　05

　　主动热控制小结

　　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｡表1中对本文中所提的基于散热的热管理方法､器件级的主动热管理方法､系统级主动热管理方法以及综合热管理方法考虑其影响参量､应用场景和调节方式等,建立考虑其是否需外加电路､是否额外引入损耗､对输出有无影响､响应速度､实现难度､热应力缓解程度以其优缺点等多方面进行综合全面的评价体系｡具体说明如下,(1)外加电路,即热管理方法是否需要通过增加外围设计或添加设备实现,如通过调节驱动电压和栅极电阻的方法,均需重新设计栅极驱动器,而变频方法只需对控制算法进行改进即可｡(2)输出影响,即热管理方法的使用是否会对输出电能质量造成影响｡如基于开关频率的方法会提前考虑运行最低频率和最高频率以限制频率调节范围,以防止输出的畸变或谐波过大｡(3)响应速度,即热管理方法的温度变化做出调节的反应速度｡如器件级的响应速度往往快于系统级响应｡(4)实现难度,即对于热管理方法实现的综合考虑,如是否需要更改原电路结构,算法上的难度等｡(5)热应力缓解程度,即热管理方法的使用所起的作用,如平均结温､结温波动减小程度｡

　　当前在功率模块研究领域中,对其主动热控制､故障机理､结温获取､寿命预测等已取得显著进展,但仍然存在难以量化模块内部故障机理过程､难以在线实时获取模块健康状况和剩余寿命的问题,对于功率半导体器件封装的优化设计､封装准确可靠的失效诊断与评估策略也需进一步研究｡所以展望如下｡

　　在线状态监测与寿命预估

　　器件运行中外部状态参数的演化规律与失效形式､失效位置之间的关系在全生命周期下的规律认识仍不充分,需要进一步的研究从而为器件的老化程度､损伤位置､剩余寿命监测提供理论支撑｡而如何在不增加拓扑复杂性和不改变原运行状态的前提下进行在线测量如导通压降､门极阈值电压､短路电流等状态参数,进而在线评估器件状态和寿命预估,是重要的研究方向｡现有寿命预测方法有解析､物理模型､数据驱动等方式,涉及电气工程､材料学､信息处理､数理统计等众多学科,难度较高,所以在实时工况下的寿命预测是亟待解决的问题｡加之寿命与功率模块自身封装结构､工艺流程等均有密切关系,所以在新型封装结构迅速发展的现阶段,探索寿命预测的快速､可靠､准确的方法,是器件研究的重要方向｡

　　封装优化与主动热控制

　　随着第三代半导体技术的迅猛发展,SiC､GaN器件也受到广泛重视｡SiC､GaN器件在与硅基器件具有同等性能的同时,具有比硅器件更小的体积,这为功率模块､电力电子变换器的小型化､轻量化以及功率密度的提升带来可能性｡但其也对高温､寄生参数等表现出高敏感性,导致传统封装形式不能充分发挥出SiC､GaN器件的高频高温优势,所以需要在设计与实践中往返迭代,探索低杂散参数､高散热性能和高可靠性的功率半导体器件封装理论和方法｡同时主动热控制方法在功率器件的应用中变得愈发重要,是解决器件热问题,延长其寿命的有效方法｡考虑到SiC､GaN功率器件与硅基器件有差异的温度特性,所以SiC､GaN功率器件的主动热控制方法也有待深入研究｡又因为在不同的应用场合中对电能质量的要求不同,如在并网逆变器中要求电流谐波总畸变率不超过5%､新能源互联网､新能源汽车中要求母线电压稳定等,所以为了在最大范围内满足电能质量要求,同时对电力电子器件做到最大程度的保护,因此需要量化主动热管理策略与系统自身性能之间的关系,并取得一个良好的折中方案｡所以主动热控制方法与系统性能之间的综合评价体系也亟待建立,使得在不同的电力电子系统的热管理方法选择有据可依｡