第三届电力电子科普作品创作大赛-二等奖

华中科技大学集成电路学院 张迪，梁琳

IGBT 结温监测背景介绍

近年来，随着资源匮乏、能源分配不均和环境污染等问题的日益 凸显，发展清洁能源，减少对传统化石能源的依赖成为新的趋势。我 国一直坚持大力推动新能源高质量发展，实行可持续发展战略，同时 电动汽车、风力发电和太阳能发电等新能源产业也成为我国的经济发 展的一大支柱。其中绝缘栅双极晶体管（Insulate Gate Bipolar Transistor， IGBT）广泛应用于诸多变流系统如电机、变压器、逆变器、牵引传动 等领域，是电能转换领域的关键器件，它的工作状态影响着电能转换 的效率。

图 1. 张掖市甘州区平山湖风电基地

（https://www.gzxw.com.cn/index/news/detail_news.html?id=64380）

IGBT 主要工作在大电压大电流的环境，工作环境较为恶劣， 据统计 IGBT 是变流器中失效率最高的器件,其失效主要受到热应力和电应力的影响。由于 IGBT 中各层材料不同，接受到相同热量下膨胀不同，就像日常馅饼中面粉和肉馅膨胀程度不一致，因此所受热应力不同会导致器件逐渐老化失效。而电气过应力如高电压、大电流等则会导致器件损坏。同时研究表示随着结温的升高，器件失效率会迅速升高，因此通过测量人的体温可以判断一个人身体是否存在异常， IGBT 的结温监测可以用来判断 IGBT 的工作状态，进一步可以预测器件的寿命。

图 2.IGBT 封装结构

IGBT 结温监测—“望闻问切”

说起中医，望闻问切想必是人们最常提及的，它是判断患者病情的四种基础方法。而在 IGBT 结温监测中，我们也能形象的将监测方法分为“望”、“闻”、“问”和“切”四个方面来梳理。

图 3.中医“望闻问切”

望

老中医看病时会通过视觉先观察病人的面色、舌苔等，而我们可以通过直接利用工具来“望”到 IGBT 的结温。

给 IGBT 做 CT 扫描

图 4.IGBT“人体扫描”

利用特殊的“温度相机”红外热成像仪或红外显微镜对 IGBT 芯片进行扫描，此方法能直接得到 IGBT 模块的温度分布图，可直观发现模块某处温度的异常。但由于 IGBT 模块封装结构有一层外壳，因此直接扫描的温度并不是芯片结温，因此往往在应用中需要将模块的外层封装结构如外壳和硅脂去掉，显露出芯片本体，并一般要将芯片本体涂黑来增加辐射系数。此方法优点是直接简单，但需要对 IGBT 模块进行破坏，不能实现在线实时监测。

闻

中医讲究“闻声”，听呼吸、咳嗽判断病情。我们也能通过“听”IGBT工作时细微的“电声”变化，推测其内部温度。

捕捉“呼吸节奏”的变化

IGBT 在开关时，会发出特定的“呼吸”节奏—开通和关断延迟时间。开通延迟时间是指 IGBT 的栅极开启电压脉冲到集电极电流开始上升的时间间隔。关断延迟时间指维持 IGBT 导通的栅极电压脉冲的末端时刻到集电极电流开始下降的间隔。在这段时间内，IGBT 进入关断状态。

当 IGBT 结温升高时，电路内的电容、电压会发生变化，这直接导致它的“呼吸”变得拖沓即开启和关闭的动作变慢了，完成一次开通 或关断的时间变长。我们可以用高速示波器捕捉这些微妙的波形变化， 就像老中医屏息凝神听诊病人的呼吸深浅、节奏快慢。温度越高，延 迟时间越明显，从而反推出结温。

图 5.不同电压、电流等级下开通和关断延迟时间与芯片结温关系[1]

捕捉异常的“咳嗽”

由于米勒电容的存在，在 IGBT 开通关断的过程中，会出现“咳嗽”现象，也就是开通关断波形中会产生一段波折—米勒平台，而这个“咳嗽”的轻重即米勒平台的高低与结温呈负相关，我们可以根据数据和计算推导出结温。

图 6.米勒平台与结温数据拟合结果[2]

但这些“听诊”技术容易受到环境“噪音”（电磁扰））的影响，需要极其精密的设备，在实际应用中比较受限，更像是实验室里的高级“听诊术”。

问

“问”在中医中一般是指向患者询问询问病情、症状、生活习惯等信息来辅助诊断疾病。在 IGBT 中，我们能通过直接询问 IGBT 中的“体温计”（传器器），但传器器往往不是直接放在芯片上，所以它得到的数据并不是芯片结温，那该怎么得到较为准确的芯片结温呢。

这个时候我们就要请出一张关键的“人体热量经络图”—热阻抗网络来解决这个问题。

内置的“基础体温计”

把热敏电阻或热电偶等测温元件置于待测器件内部，往往安装在芯片附近以实现紧密的热耦合，有些和芯片在同一个直接覆铜陶瓷DBC (Direct bonded copper)基板上，有些则是单独的 DBC 基板，两者所测得的温度均不是芯片结温。就相当于现实中患者说测得温度为38℃，但这只是体表的温度，想知道真正的“心脏体温”（结温），我们必须理解热量从“心脏”传到“体表”的路径—热阻抗网络。

图 7.连续热网络模型

“热量经络图”解密

热阻是传热学中的一个重要概念，热阻和电阻类似，都是阻碍能量传递的物理量，类比于电阻阻碍电流通过，热阻阻碍热量通过。IGBT 模块是由芯片、焊料层、DBC 衬底和铜基板等多种材料多层次组成的。我们可以通过对材料的大小形状与热特性分析，利用数学建模或实验测量来得到热阻抗网络模型，从而结合损耗以及测量的温度得到结温。但热阻网络模型不是一成不变的，就像患者随着年龄增长， 身体状况变化，相同的表征时医生下的判断会不同；随着器件的不断老化，热网络模型会发生改变，需要不断更新热网络模型才能保证测量精度。

由于热电阻或热电偶等直接测温元件对结温测量的响应速度一般在秒级左右，无法实时反映待测器件的结温动态变化。另外结温由于是通过热阻网络推算，因此对热阻网络模型精度依赖高。

切

中医“切脉”能器知体内气血运行的细微变化。我们也能找到IGBT 的“命脉”，通过搭它的“电脉”，实时精准地把控其核心体温。饱和压降法：最经典的“电脉诊法”

温度主要会影响半导体材料中的本征载流子浓度、载流子迁移率和载流子寿命，这些特性将会使得 IGBT 这类半导体器件的外部电气特性会受到温度的影响。而导通压降测量简单且稳定性较好，成为了提取结温的理想参数选择。这个压降值，就像脉搏的强弱，能反映病人情况。

其中小电流饱和压降法是应用最广泛的离线结温测量方法，它测量时需要切断负载电流，然后施加小的恒定电流，记录此时的导通压降。然后与事先通过实验绘制好结温-电压对照表，就能立刻反推出精确的结温。但小电流法存在需要使用另外的电流源，且需停机测量的局限性。在此基础上，大电流饱和压降法应运而生，它直接测量集电极电流和导通压降，根据离线数据库计算出瞬时结温，实现结温的在线测量。此方法局限性在于会存在一个测量盲区，在盲区中结温测量不适用，其解决办法就是在特定的集电极电流情况下取导通压降，从而避开盲区。这些方法精度高、响应快，能间接得到器件结温。就像老中医三指一搭，通过脉象便知病人气血虚实。

栅极特性法：捕捉更细微的“脉象”

还有一些更精妙的方法，比如观察 IGBT 栅极阈值电压的变化。阈值电压与栅极氧化层厚度以及掺杂浓度有关，因此受到温度的影响。阈值电压与结温呈负相关，且线性度良好。此外还有驱动温敏电阻法，利用栅极电容和驱动电阻受温度影响的特性来提取器件结温。不过两者相比饱和压降法，都存在低灵敏度和采样噪声的问题，采样精度要求较高。这些微妙的“脉象”变化，也提供了额外的温度信息，如同老中医体会脉象的浮沉迟数。

图 8.IGBT 监测方法

实际应用

上述方法有着不同的优点，但也存在着各自的局限，要考虑实际情况来“对症下药”来达到好的效果。

新能源汽车的“心脏监护仪”

电动汽车能瞬间爆发澎湃动力，依靠着电机控制器里的 IGBT 模块。车企的工程师通常采用“双保险”：主控芯片实时“搭脉”（饱和压降在线监测），毫秒级地守护核心温度；同时建立热阻抗网络模型，融合车辆动力学与电机模型预测结温波动，万一“把脉”系统出问题， 还能提供第二道防线。两者数据融合，就像名医综合望闻问切，确保这颗“电动心脏”跳得稳健有力。

图 9.新能源车电控系统

（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1780256407668535793&wfr=spider&for=pc）

光伏电站的“全天候温控”

矗立在荒漠或高原的光伏逆变器，日夜经受着剧烈的温差考验。白天烈日炙烤，工程师依靠“搭脉”（饱和压降法）动态调整功率输出，防止 IGBT“中暑”；到了寒冷的夜晚，则利用设备冷下来时稳定的“脉象”去校准可能会出现误差的热敏电阻“体温计”，确保长期监测的准确性。

图 10.首航节能敦煌光热电站

（https://www.douyin.com/note/7409496332999593255）

高铁的“长寿秘籍”

高铁牵引变流器中的 IGBT，肩负着长年高可靠运行的使命。工作人员通过记录下设备崭新出厂时的“初始脉象”（饱和压降），在运行中持续监测“脉象”的细微变化。一旦发现“脉象”偏离太大（如电压异常升高超过一定阈值），就预示可能发生老化疲劳了，需要提前预警和维护；同时搭建逆变器电热模型，采用热阻抗网络模型模拟 IGBT 结温波动。

图 11.牵引变流器检修

（https://baijiahao.baidu.com/s?id=1705002514426101676&wfr=spider&for=pc）

未来趋势

芯片集成传器器

温度传器器作为直接测量的方法，容易实现在线测量，将温度传器器与芯片集成，并提高响应速度用于更快的瞬态结温测量，减少传器器和芯片间的热容，从而提高测量精度，如同用最精微的针探知体内最深处的“气血”流动。

人工智能驱动

现今时代，人工智能技术飞速发展，通过读取海量的开关波形、电路参数、热成像图、传器器数据，人工智能模型能像经验丰富的老中医一样，从纷繁复杂的信号中敏锐捕捉温度异常的蛛丝马迹，甚至在强扰）环境下也能做出准确判断。

数字孪生

获取器件运行参数和电路结构，通过建立仿真模型，创建高度仿真的“数字双胞胎”。它可以精确模拟芯片内部的热量如何产生和如何在复杂的材料结构中传导扩散。结合真实运行数据，能提前预测不同工况下的结温变化。

当你乘坐高铁或驾驶电动汽车时，或许会想到在这澎湃动力的背后，有一群“电力中医”正在用守护着最前沿的科技脉搏，而在未来， 它将结合新的技术，实现更加精准快速的监测，助力更加美好生活的到来。

参考文献

[1] Kuhn H , Mertens A .On-line junction temperature measurement of IGBTs based on temperature sensitive electrical parameters[J].IEEE, 2009.

[2] 杨宁,刘伟志,张林林,等.一种基于变流器工况特定开通时刻下米勒平台的 IGBT 结温监测方法[J].电机与控制学报,2023,27(08):46-53.