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附录X 译文
更可靠的电力电子连接温度控制
Markus Andresen, Student Member, IEEE, Ke Ma, Member, IEEE,
Giampaolo Buticchi, Senior Member, IEEE, Johannes Falck, Student Member, IEEE,
Frede Blaabjerg, Fellow, IEEE, and Marco Liserre, Fellow, IEEE
摘要：电力电子元件的热应力是其失效的最重要原因之一。适当的热管理对更可靠和更具成本效益的能源转换起着重要作用。功率半导体元件作为最脆弱，最昂贵的元件之一，是本文研究的重点。本文讨论了控制半导体结温度的可能方法，以及在几个新兴应用中的实现。分析了不同层次（调制、控制和系统）控制变量的修改，以改变损耗的产生或分布。对文献中提出的一些控制解决方案进行了详细的综述，这些方案在实验上表明，热应力可以有效地重新引入。这些结果往往取决于特派团的情况，需要调整控制器，以达到预期的成本效益权衡。本文还分析了本研究领域的许多开放问题。其中，值得强调的是，对实际寿命延长的验证仍然缺失。
关键词 电子热管理，温度控制，脉宽调制逆变器
1.引言
功率半导体模块由不同的铜层和基板构成，以确保电气绝缘一方面具有良好的热导率[1]。对于芯片和端子之间的电气连接，铝键线通常被使用[2]，尽管铜的兴趣越来越大[3]。功率电子模块的方案与不同的材料堆放在直接键合铜(DBC)基板上，如图1-1所示。
图1-1电力电子模块的结构
环境温度和功率的变化产生循环加热和冷却过程，也称为热过程周期。由于铜和基体陶瓷的热膨胀系数(CTE)不同，当温度变化时，材料层之间会发生机械应力[4]。虽然所有界面由于不同的CTE而经历应力，但观察到很大的差异影响了铝和硅片以及陶瓷基板和基板之间的焊料[5]。对于频繁重复的热循环，由此产生的材料膨胀和收缩导致焊点疲劳[1]，从而导致老化[6]。因此，热循环是电源模块失效和破坏的重要原因[7]。热循环镁氮是老化尺度最关键的参数[8]。在[9]中，已经观察到在功率模块中的基板焊料的推进退化，以增加应用的热循环使用声学显微镜。经过4000次80K的循环后，大约四分之一的焊料被裂纹，导致模块内热再稳定的急剧增加。其后果是芯片中的温度升高，从而增加了损失。这形成了一个正反馈回路，加速了老化过程[10]。特别是以秒为单位的短期热循环，主要是由动力循环引起的，会导致键的疲劳，因此，可能会导致键丝的提升[11]。许多电力电子设备制造商，如电力半导体或电容器，已经开发了他们的可靠性模型，通常是基于加速或老化测试，并能够根据组件的某些热行为评估寿命信息。因此，需要评估和适当控制功率器件的热应力。在能量转换系统中，通常根据可用的电气或机械功率水平来设计流过转换器的功率或电流。因此，如果转换器系统处理的可用功率不是恒定的，如可再生能源或电动机 驱动应用中，复杂多变的任务分布将直接反映在电力电子元件的负载变化中，从而导致复杂的热循环，从而迅速触发元件的磨损。
另一个问题是，设备的温度也不是很难访问的，在运行期间很难监测它，而且很难验证热模型；这就需要估计器/观察者来克服直接测量问题。延长寿命和提高部件可靠性的一个有效方法是推动整体元件的应力范围降到较低的水平。
在变换器系统中，主动热控制(ATC)通过降低波动幅度或降低温度的平均水平来降低元件的热循环，而变换器的设计不需要改变，这意味着没有额外的成本来增强变换器的设计或部件[12]-[14]。这些主题尚未得到全面的总结，本文有助于对这些主题进行审查。
第二节描述了功率模块的寿命估计和最常见的故障原因，第三节讨论了温度估计和控制的基础，第四节详细介绍了ATCs的可能性，第四节介绍了其应用，第五节得出了结论。
2.功率模块的寿命估计和最常见的故障原因
电源模块故障的供电模式寿命影响运行安全和造成停机时间，给系统的操作员额外的成本。
对于电力电子模块的制造商和运营商来说，估计某些使用对模块寿命的影响是很有意义的[15]。系统的寿命是一个重要的参数，因为购买、维护和更换的成本计算取决于它。寿命预测的目的是评估模块可以使用多长时间，而不期望看到特定应用程序的失败。 在循环塑性变形引起的材料科学疲劳研究中，Coffin和Manson建立了失效周期数[16]。由于所有的材料都由于热循环而膨胀和收缩，现在修正的关系也被用来估计功率半导体的承受热循环的能力。更容易热循环的零件在图2中用红色突出显示。基于此，一种众所周知的估计模块寿命的方法是Coffin-Manson-Arrhenius模型[17]：失败的周期数Nff描述了热循环Delta;T的振幅的依赖性。j平均温度Tjm。其他系数a、alpha;和Ea从多个可靠性实验的数据集中提取，并调整它们以使其与模块[18]和kB玻尔兹曼常数。它的解析方程是：
Nf =a · Delta;Tminus;alpha;.ekBTj.m. (2-1)
图2-1温度循环特性Nf用于标准的SEMI KRON IGBT模块[18]
其他研究人员也对这种关系进行了修改，例如认识到热循环、加热和加热的频率、冷却时间以及更多的电气参数在Bayer模型[19]。半导体制造商利用这种关系来确定其模块的热循环能力。图2-1显示这是一个Semikron模块，与IGBT4模块匹配的系数[18]。为了评估某一任务剖面对模块寿命的影响，首先从功率剖面中创建一个温度剖面，计算半导体中的损耗、热相关特性和环境影响。这种热剖面包含在不同平均温度下不同震级的nor-mally热循环，因此不可能直接推导（1）的累积损伤。为了结合这些不同热循环造成的损伤，可以采用Miner的累积损伤规则[4]。规则是：
(2-2)
这里，C是累积伤害，ni应力范围I和Ni的循环次数是在第一应力范围内的循环次数。因此，任务剖面中发生的热循环越多，累积损伤就越大。如果累积损坏达到1，模块将根据模型失败[20]。
在运行过程中检测模块老化的另一种可能性是对诸如集电极发射电压vce等物理参数的测量，而不是使用基于模型的方法。vce的增量观察到粘结丝的升空[21]。 然而，vce对外加功率水平和温度的变化也很敏感。值得注意的是vce的测量当设备接近报废时，显示出明显的变化，而在正常情况下，它是相当恒定的。因为这个事实，虽然测量可用于获得寿命指示，更适合于检测初始故障，而不是估计剩余寿命。通过了解功率半导体寿命的影响因素和指标，可以控制其中的一些因素和指标。变换器工作过程中的影响变量影响功率半导体的寿命。这被称为ATC，将在下一节中讨论。
3.二元结构的温度估计与控制
ATC是最近提出的一个新概念，用于调节功率损耗和控制热应力。一般原理是改变系统的温度相关控制变量，以影响其结温，以减少热循环造成的损坏[22]。由于结温难以测量，ATC算法的一个重要部分是温度估计。这些部分将在下一段中详述。
1.温度估计
对功率模块结温的精确实时估计是ATC感兴趣的测量结温也是可能的，但传感器需要比预期的热循环高一个数量级的带宽。通常，连接到芯片上的热电偶无法达到检测所需的带宽需求。高带宽温度测量装置昂贵，仅用于专业或实验装置，对于商业产品解决方案，基于电测量的结温估计更现实，因为没有必要增加功率模块的复杂性[23]。为此目的的电热模型由三部分组成：一个包含所用功率模块动态特性的器件模型、一个半导体功率损耗模型和一个估计模块中热支撑的热模型[22]。另一种估计结温的方法是在模块中使用热敏电参数(TSEP)。经典TSEPs是金属氧化物半导体门控器件[23]和短路电流[24]在低电流下的集电极-发射极压降、阈值电压和饱和电流。然而，TSEP的测量需要额外的电路。
2.温度控制
实现温度控制的一个简单方法是AD-只是开关频率，因为它对功率损耗有直接影响，而在系统约束范围内调整时，不会显著影响应用程序的操作点。开关频率控制采用线性控制[13]或滞后控制[14]、[25]。在[13]中提出了热约束下逆变器Cur-租金的动态极限。这使得几乎过热系统的低功耗操作可以防止温度的进一步升高，从而完全关闭或损坏模块由于过温。另一个AP-proach是通过调整直流链路电压来操纵IGBT和二极管之间的损耗分布，这影响了调制指数[26]。这可以用来缓解特定的半导体在逆变器中的额外损失的成本，由较高的电流大小。模块化地膜瓦维尔转换器(MMC)，模块在特定条件下受到不平等的应力，导致更高的热应力在粒子模块。在[27]和[28]中提出了一种算法，用于主动平衡MMC单元的结温。在[29]中，功率路由被用来平衡智能变压器(S T)中单元的不均匀负载。在[13]和[14]中，使用的有源热控制器以Cur-租金纹波增加的价格将开关频率降低到不受控制系统的频率以下。在[25]中的比较中，主动热控制器正在减小电流，因此影响任务剖面。
图3-1基于模型的主动温度控制方案实例
由于热行为是通过控制改变的，所以有尽可能多的可能性与控制层和变量。 最低电平是可以直接用于影响功率器件损耗的栅极驱动器。此外，修改的调制模式也可以用于这一目的。转换器的控制电平为调制器产生参考信号，在这种情况下，可以执行有源减小，或者可以在不改变正常转换器操作的情况下实现对某些控制变量（直流链路、开关频率）的修改。 在最高层次上，有系统控制，其中多个功率变换器的存在可以用来改变损耗分布或在不影响主变换器目标的情况下产生额外的损耗。 在以下各节中，将探讨每个控制级别的可能性，并将对如何将这些技术应用于具体应用进行分析。
考虑到先前审查的ATC方法，图中描述了一种利用开关频率影响JUNC温度的控制方案，因为它是最常见的温度控制参数。在图3方案中，负载电流i c，直流环节电压Vdc以及模块外壳温度Tc的小带宽测量，在物理系统中被感觉到。 此外，还采用半导体特性曲线来确定集电极对发射极电压降Vce以及开关能Eon和Eoff。它们被用来估计传导损耗Pcond引用开关损耗Psw西南将其交给热网工作来计算得到的结温。该控制器将开关频率与i*c但是为了达到所选的目标，这可能是温度限制（那么最大允许）结温可作为参考)或热循环削减。为了滤除基频的结温波动，f作为输入。
另一种执行ATC的策略依赖于冷却系统的主动控制。在[30]中，作者控制风扇的速度，以减少估计结温的功率循环。虽然这种技术可以在所有具有可控冷却功能的系统中采用，但本文的重点是修改控制电气参数的解决方案。
- 执行的可能性
1.温度调节
主动栅极控制是一种控制半导体损耗的可能性，而不影响器件的功能。由于栅极驱动电压影响半导体的导通损耗和开关损耗，可用于降低半导体的循环[32]。在文献中，已经报道了一种主动栅极驱动器，用于对抗IGBT的状态电阻的变化[33]。另一种有源栅极控制已被用于平衡并联IGBT器件之间的电流[34]。通过调整这些有源栅极控制中的控制参数，它们也可以用于减少半导体中的热循环。在GaN功率半导体的背景下，有源栅极控制是特别感兴趣的。与Si器件相比，GaN器件提供了更高的开关速度和可能更高的工作温度。因此，它们的功率密度增加，这使得温度管理至关重要，特别是对于连接GaN的PCB和组件。因此，有源门控制已在[31]中应用，以减少热循环在GaN基直流/直流变换器。在图中4-1，设备关闭时能量损失的变化取决于可调谐参数(Ton)主动栅极驱动器，表示栅极被输入中间电压电平的时间。具有可控制的三级栅极驱动器，允许控制器件的旋转速率和导通损耗。在图中4-1显示了GaN器件开关损耗的变化对其结温的影响。这一模拟显示了通过使用栅极驱动器改变器件损耗来减少热循环的可能性。
- 能量损失的变化取决于中间栅 b.模拟ATC在400伏和100千赫兹开关频率
极电压步长的持续时间 下开关损耗能量的结温变化[31]
图4-1两步栅极驱动器应用于GaN增强模高电子迁移率晶体管
- 热改性调制
另一种方法是探索调制方法。二电平三相变换器中的dis-连续脉宽调制(DPW M)是器件负载控制的一种著名策略，如图4-2所示DPWM的原理是将变换器输出的电压基准夹紧到一定间隔内的上下直流环节电位，使相应的功率器件保持其状态而不切换，从而在该间隔内减轻开关损耗。由于功率器件在此夹紧期间的总损耗降低，因此结温的平均值和变化都降低了。利用DPWM进行热控制也是热控制的一个好处多级变换器的优化。
图4-2具有不同调制方案的B6变换器中IGBT的功率损耗和结温
在[35]中可以找到一个三电平中性点夹闭(3L-NPC)变换器的案例研究，其中几种不同的调制方法在最优零序注入(Opt-ZS SPWM)[36]，第60条DPWM(CONV-6
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