西南交通大学王惠民、许智亮 等：基于开通集射极电压下降平台的功率器件结温监测方法

阅读提示：本文约 2100 字

准确的结温监测对功率器件可靠性评估和健康管理至关重要，因此在牵引变流器中广受欢迎。然而，传统的结温监测方法易受到负载电流变化的影响，导致监测精度不高，难以达到牵引变流器的可靠性需求。西南交通大学列车控制与牵引传动研究团队提出了一种基于开通集射极电压下降平台的功率器件结温监测方法，有效降低负载电流变化的影响。

研究背景

以绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)为代表的功率器件是牵引变流器实现能量变换的核心部件。然而，受大功率持续输出与系统有限散热能力之间不匹配的影响，加之在非平稳工况的长期作用下，功率器件承受频繁变化的结温波动，极易出现疲劳失效，甚至会造成牵引变流器出现突发故障，威胁列车的安全可靠运行。

论文所解决的问题及意义

既有基于温敏参数的方法虽能实现功率器件结温监测，但这种方法易受到负载电流变化、母线电压变化等不同扰动的影响，导致监测精度下降，难以达到牵引变流器可靠性要求。此外，既有方法灵敏度不高，亟需提升既有结温监测方法的适用性。

论文方法及创新点

1、开通过程中IGBT瞬态行为分析

图1 典型的IGBT开通过程瞬态波形

图2 续流二极管反向恢复波形

通过分析开通过程中IGBT瞬态行为，可知由于负载电流IL会影响续流二极管反向恢复电流的高度Irp，但对其斜率变化的影响极小，因此负载电流IL仅影响Vce-drop的宽度，不会影响其高度。

2、开通集射极电压下降平台特征分析及定位方法

图3 Vce-drop随器件结温的变化曲线

图4 Vce-drop定位的测试结果

利用IGBT器件的等效电路，建立开通集射极电压下降平台Vce-drop的表达式，发现Vce-drop不包含负载电流IL分量，但包含IGBT栅极驱动内阻Rgi和跨导gfs信息。此外，设计一种基于VeE最大值的Vce-drop定位方法。

3、实验测试

图5 单相PWM整流器实验平台

图6 不同器件结温下Vce-drop的实验结果

搭建小功率单相PWM整流器实验平台对所研究的结温监测方法进行实验验证，测试结果表明：所研究方法能够实现不同工况下器件结温的准确监测，且不受负载电流变化的影响。

结论

本文研究了一种基于开通集射极电压下降平台(Vce-drop)的IGBT器件结温监测方法，首先对IGBT开通瞬态进行了详细分析，并对Vce-drop的特征进行探究。在此基础上，研究一种Vce-drop的定位方法获取Vce-drop信息。随后，搭建双脉冲与单相PWM整流器实验平台，对所研究结温监测方法的可行性进行实验验证。

团队介绍

列车控制与牵引传动研究室(Train Control& Traction Drive Lab)由国家级教学名师、西南交通大学原副校长冯晓云教授在2000年创立，依托本团队建有先进能源牵引与综合节能铁路行业重点实验室(国家铁路局首批行业科创基地)，指导专家为中国工程院院士丁荣军。

团队依托国家重点培育学科“电力电子与电力传动”与“双一流”学科建设项目，以轨道交通行业为背景，集基础理论研究、前沿技术研究与开发于一体，主要从事电力电子与电力传动、轨道交通电气化与自动化、列车电力牵引传动关键技术、列车运行与优化操纵控制技术等研发工作。团队现有教师15名，其中教授6名，副教授6名；国家级教学名师1人、国家优秀青年基金获得者1人、四川省学术技术带头人1人、四川省青年人才计划入选者3人。

作者信息

◆王惠民，助理教授，硕士生导师，研究方向为牵引传动系统可靠性分析、高性能交流电机驱动控制。

◆许智亮，博士研究生，研究方向为功率器件失效机理分析及状态监测。

◆丁菊霞，副教授，研究方向为电力牵引传动控制、列车运行优化控制。

◆葛兴来，教授，博士生导师，研究方向为牵引传动系统故障预测与健康管理、关键部件可靠性评估。

◆王轶，研究方向为电力牵引与传动控制。

本工作成果发表在2024年第15期《电工技术学报》，论文标题为“基于开通集射极电压下降平台的功率器件结温监测方法“。本课题得到国家自然科学基金青年项目和四川省自然科学基金青年项目的支持。

引用本文

王惠民, 许智亮, 丁菊霞, 葛兴来, 王轶. 基于开通集射极电压下降平台的功率器件结温监测方法[J]. 电工技术学报, 2024, 39(15): 4682-4696. Wang Huimin, Xu Zhiliang, Ding Juxia, Ge Xinglai, Wang Yi. A Junction Temperature Monitoring Method for Power Devices Based on Turn-on Collector-Emitter Voltage Drop Platform. Transactions of China Electrotechnical Society, 2024, 39(15): 4682-4696.

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