基于最大反向恢复电流的pin二极管结温在线监测方法
技术领域
1.本发明属于电力电技术领域，具体涉及一种基于最大反向恢复电流的pin二极管结温在线监测方法。
背景技术：2.有调查研究表明，功率器件是电力电子装置中失效概率最高的器件,约占34％，而导致功率器件失效的关键因素有：温度、湿度、振动冲击及污染物等，其中约有55％的功率器件失效由温度因素引起。根据实验统计和分析表明，温度引起的功率器件失效主要因素有：结温摆幅、最高结温、平均结温、最低外壳温度等。因此对功率器件结温的提取和在线检测将成为其寿命预测、损耗计算与可靠性评估的关键基础。
3.绝缘栅双极性晶体管(insulated-gate bipolar transistor,igbt)作为工业应用中主要的功率器件，广泛应用与电力传输、轨道交通、电动汽车和可再生能源发电等领域。传统的igbt主要包括igbt芯片本身以及反并联的pin二极管，其主要作用是为感性负载提供续流回路。因此pin二极管的可靠性与igbt同样重要，对pin二极管的结温监测十分必要。
4.由于半导体物理器件的内部微观物理参数与器件温度具有一一对应的映射关系。如载流子的寿命随着结温的升高而升高，而载流子的迁移率随着温度的升高而降低。因此这种半导体材料受温度影响的特性将会使得待测功率器件的外部宏观电气特性呈现出温度相关的变化趋势。这种受器件内部结温影响的外部电气特征参数称之为热敏感电参数。热敏感电参数提取法不仅能获取待测器件内部芯片的平均结温，且其成本低、响应快、易于在线检测，成为最具应用潜力的结温在线提取与一体化集成的新技术。目前，广泛应用于igbt和pin二极管的电参数包括饱和压降、导通压降、阈值电压等。对于pin二极管，通过测量热敏电参数，可以实现其结温的监测，但目前对于pin二极管的结温监测主要是基于其导通压降，其他方法较少，并且不便于实现结温的在线监测。
技术实现要素：5.针对现有技术中的上述不足，本发明提供一种基于最大反向恢复电流的pin二极管结温在线监测方法。
6.本发明的一种基于最大反向恢复电流的pin二极管结温在线监测方法，包括以下步骤：
7.s1、构建pin二极管最大反向恢复电流模型：
[0008][0009]
其中，j
pr
为最大反向恢复电流密度，jf为反向恢复前的电流密度，da为双极扩散系数，τ
hl
为高阶注入寿命，d为n型漂移区中心到p+区的距离，h为二极管反向恢复时产生的空间电荷的宽度。
[0010]
s2、扩散系数d与温度t呈线性关系，设t＝25℃时的双极扩散系数为d
a-25
，则双极扩散系数da在全温度范围内表示为：
[0011]
da＝(α+βt)d
a-25
[0012]
其中，α、β分别为da的温度系数，求得pin二极管最大反向恢复电流与温度和通态电流密度之间的关系为：
[0013][0014]
s3、通过设计基于电流互感器的电流采样电路计算出温度t的表达式为：
[0015][0016]
其中，v
ipr
为最大反向恢复电流j
pr
对应的采样电压，v
if
为反向恢复前的电流jf对应的电压，r
i1
、r
i2
为电流互感器的电阻，δv
error
为采样电路产生的误差，n
ct
为电流互感器变比，l
ct-2
为电流互感器二次侧电感，r
ct-2
为电流互感器二次侧内阻，t2表示反向恢复电流达到最大时的时间点；
[0017]
将式中的常数系数用a0、a1、a2表示，将温度t的表达式化简为：
[0018][0019]
通过实验拟合上述表达式，可得pin二极管的结温在线监测模型为：
[0020][0021]
通过采样v
ipr
与v
if
的值实现pin二极管结温的在线监测。
[0022]
本发明的有益技术效果为：
[0023]
本发明将pin二极管的最大反向恢复电流作为热敏电参数来实现pin二极管的结温在线监测，与现有pin二极管的热敏电参数法相比，该方法简单易实现。应用于在线监测时线性度高、体积小、成本低、精度高、对主电路没有影响。
附图说明
[0024]
图1为pin二极管导通时载流子浓度分布图。
[0025]
图2为pin二极管关断过程中的电流与电压波形图。
[0026]
图3为pin二极管关断过程中n型漂移区中的电荷密度分布图。
[0027]
图4为主电路原理图。
[0028]
图5为采样电路原理图。
[0029]
图6为采样电路工作波形图。
[0030]
图7为实验数据拟合图(其中a为最大反向恢复电流与温度的关系图；b为最大反向恢复电流与通态电流的关系)。
[0031]
图8为通态电流一定，温度变化时，最大反向恢复电流实验结果图。
[0032]
图9为采样电路实验结果图。
[0033]
图10为在线监测模型拟合结果图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和具体实施方法对本发明做进一步详细说明。
[0035]
在pin二极管导通时，其载流子浓度分布图如图1所示，可求得电流密度jf：
[0036][0037]
其中，r为n型漂移区中的电子和空穴的结合率，可以表示为：
[0038][0039]
其中，τ
hl
为载流子高阶注入寿命，一般为常数，因此可求得jf为：
[0040][0041]
其中，na为平均载流子浓度，q为电子电荷量。
[0042]
当pin二极管进入关断阶段时，其关断过程如图2所示。从图2可以看出，二极管的关断过程可以分为4个阶段，在0《t≤t0时为第一阶段，此时电流密度以-a的斜率下降到0，电压不变；在t0《t≤t1时为第二阶段，此时电流密度以-a的斜率从0开始继续下降，电压不变；在t1《t≤t2时为第三阶段，此时电流密度以-a的斜率下降到最小值-j
pr
，电压也从vf下降到最小值-vs；在t1《t≤t2时为第四阶段，此时电流从-j
pr
上升到0，电压保持不变。可通过图2求得在关断过程中，当0《t《t2时，电流密度表达式为：
[0043]
j(t)＝at-jf[0044]
在上述四个过程中，n型漂移区中的电荷密度如图3所示，其中w
sc
(t)表示在反向恢复过程中产生的空间电荷宽度，q1，q2，q3和q4分别表示四个阶段的电荷量。从图3中可以看出，在第三阶段，q3可表示为：
[0045]
q3＝qnaw
sc
(t)
[0046]
并且因为q3是由反向恢复电流产生，因此q3还可表示为：
[0047][0048]
空间电荷产生的电压可有泊松方程得到：
[0049][0050]
因此可求得当空间电荷产生的电压等于电源电压vs时，最大电流密度为：
[0051][0052]
由爱因斯坦关系式可得出扩散系数d的表达式为：
[0053][0054]
其中，k为玻尔兹曼常数，t为温度，μ为载流子迁移率。因此，扩散系数d与温度呈线性关系，因此假设温度为25℃时双击扩散系数为d
a-25
，在全温度范围内，da可表示为：
[0055]
da＝(α+βt)d
a-25
[0056]
式中，α、β分别为da的温度系数。因此可得出温度t与最大反向恢复电流密度之间的关系为：
[0057][0058]
本发明采用的电路为传统的buck电路，采用的igbt芯片为英飞凌公司的ff100r12ks，其电路原理图如图4所示。从上述分析可知，pin二极管的温度与最大反向恢复电流和关断前的通态电流有关，因此为了采样最大恢复电流与通态电流，设计了基于电流互感器的电流采样电路，如图5所示，其工作原理波形图如图6所示。不难求出通态电流if与其对应的采样电压v
if
之间的关系为：
[0059][0060]
其中n
ct
为电流互感器变比。
[0061]
反向恢复电流i
pr
与其对应的采样电压v
ipr
之间的关系为：
[0062][0063]
其中δv
error
为采样电路产生的误差，l
ct-2
为电流互感器二次侧电感，r
ct-2
为电流互感器二次侧内阻，t2表示反向恢复电流达到最大时的时间点。
[0064]
因此，结合上述分析，用电流i
pr
和if代替电流密度j
pr
和jf，可求得温度t的表达式为：
[0065][0066]
将式中的常数系数用a0、a1、a2表示，可将温度t的表达式化简为：
[0067][0068]
图7为实验数据图，分别为最大反向恢复电流i
pr
与温度t和通电电流if之间的关系。
[0069]
图8为实验结果图，在if＝45a时不同温度下的反向恢复电流图。
[0070]
图7和图8证明了i
pr
与t和if之间的线性关系，证明了理论推导的正确性。
[0071]
图9为电流互感器采样电路的实验结果图，其波形图与理论分析的图6一直，证明了采样电路的正确性与可行性。
[0072]
图10为温度模型的实验数据拟合图，r2＝0.9764表明了实验数据与模型高度吻合。证明理论分析的正确性，拟合得到的pin二极管结温在线监测模型为：
[0073][0074]
通过上述在线监测模型，使用控制器对pin二极管结温进行在线监测，得到如表1所示的实验验证结果。
[0075]
表1实验验证结果
[0076][0077]
从表1可以看出，通过在线检测模型计算的结温与实际结温的最大误差为-3.82％，证明了本发明的可行性与正确性。
技术特征：1.一种基于最大反向恢复电流的pin二极管结温在线监测方法，其特征在于，包括以下步骤：s1、构建pin二极管最大反向恢复电流模型：其中，j
pr
为最大反向恢复电流密度，j
f
为反向恢复前的电流密度，d
a
为双极扩散系数，τ
hl
为高阶注入寿命，d为n型漂移区中心到p+区的距离，h为二极管反向恢复时产生的空间电荷的宽度；s2、扩散系数d与温度t呈线性关系，设t＝25℃时的双极扩散系数为d
a-25
，则双极扩散系数d
a
在全温度范围内表示为：d
a
＝(α+βt)d
a-25
其中，α、β分别为d
a
的温度系数，求得pin二极管最大反向恢复电流与温度和通态电流密度之间的关系为：s3、通过设计基于电流互感器的电流采样电路计算出温度t的表达式为：其中，v
ipr
为最大反向恢复电流j
pr
对应的采样电压，v
if
为反向恢复前的电流j
f
对应的电压，r
i1
、r
i2
为电流互感器的电阻，δv
error
为采样电路产生的误差，n
ct
为电流互感器变比，l
ct-2
为电流互感器二次侧电感，r
ct-2
为电流互感器二次侧内阻，t2表示反向恢复电流达到最大时的时间点；将式中的常数系数用a0、a1、a2表示，将温度t的表达式化简为：通过采样v
ipr
与v
if
的值实现pin二极管结温的在线监测。2.根据权利要求1所述的一种基于最大反向恢复电流的pin二极管结温在线监测方法，其特征在于，通过实验拟合得到常数系数，可得pin二极管的结温在线监测模型为：
技术总结本发明公开了一种基于最大反向恢复电流的PiN二极管结温在线监测方法，包括以下步骤：首先推导PiN二极管最大反向恢复电流与通态电流的数学关系；其次推导最大反向恢复电流与温度和通态电流的数学关系；然后通过设计电流采样电路，计算最大反向恢复电流与通态电流的变比关系，得到PiN二极管结温的在线监测模型。本发明实现了PiN二极管结温的在线监测，方法简单易实现、成本低、体积小、精度高、线性度好。线性度好。线性度好。
技术研发人员：宋文胜 杨柯欣 唐涛 陈健 葛兴来 王青元 冯晓云 杨顺风
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.06.22
技术公布日：2022/11/1
