关键词：
Buck变换器
IGBT
键合线
状态监测
占空比
导通压降
摘要：
DC/DC变换器被广泛应用于国内外许多高科技工业领域中,如航空航天、船舶、电动汽车和可再生能源电力系统。功率器件在DC/DC变换器中承担着电能变换与控制的重要任务,有数据表明,功率器件是变换器系统中发生故障频率最高的元器件之一,故其高可靠性是保证DC/DC变换器高效和稳定运行的重要条件。同时,绝缘栅场效应晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）以其自身具有的优异和高效稳定的开关及变换等性能特点和因为其自身较低的开关损耗,成为功率开关变换器控制电路结构中另一种可以使用的最为普遍广泛而可靠耐用的全控型功率器件。在变换器运行过程中,IGBT模块电路将持续受到来自内部和外部的电热应力,从而引起不可逆的疲劳损伤,最终造成键合线脱落和焊料层老化等封装可靠性问题。为避免功率器件老化失效引起系统故障造成巨大损失,对功率器件的健康状态进行监测,及时发现并更换老化失效的功率器件,对提升变换器的可靠性具有重大意义。Buck变换器作为典型的DC/DC变换器之一,研究其中的功率器件键合线老化监测方法是非常有必要的。本文根据Buck变换器的系统模型和拓扑结构特点,分别提出了基于占空比的功率器件键合线老化监测方法和基于端点电压计算饱和导通压降监测功率器件键合线老化的方法。主要工作如下:（1）分析了IGBT模块键合线老化失效的机理、等效寄生电阻的组成成分,得到了IGBT模块集射极压降的表达式。根据集射极压降的表达式,可以将大电流下的集射极饱和导通压降VCE,sat作为键合线老化状态监测的特征量。建立非理想Buck变换器的物理模型,得到功率器件寄生电阻与系统占空比信号的关系式。分析了Buck变换器闭环控制系统的结构和DSP控制器工作原理,通过上位机监测得到控制器输出的占空比值。（2）提出了一种通过识别其闭环控制模式下输出占空比的变化来监测功率器件键合线老化状态的方法。首先,分析功率器件老化对其内部寄生参数的影响机理,当键合线老化后其等效阻抗增大,造成回路中电感电流变化。其次,在开环控制模式下,通过Buck变换器中电感电流的变化,可以监测到功率器件的老化状态。但是Buck变换器在闭环模式下,不能直接用电流变化来监测功率器件的老化状态,而通过监测占空比的变化,利用占空比求得系统中的功率器件老化后电流的变化量,进而辨识功率器件的老化程度。最后,实验验证了功率器件老化后开环状态下的电流变化量与闭环状态下通过占空比求得的电流变化量是一致的,表明了本文提出方法的可行性。（3）提出了基于端点电压计算集射极饱和导通压降的键合线老化监测方法。首先,由IGBT模型得到集射极饱和导通压降VCE,sat的计算公式,分析了VCE,sat与芯片结温的耦合关系,通过利用保护在特定的集电极电流环境下去除芯片结温的耦合影响。其次,根据Buck变换器拓扑结构的特点,提出利用输入电压和端点电压计算功率器件的VCE,sat,以此辨识功率器件键合线的老化状态。最后,搭建实验平台,以增加发射极寄生电阻的方式模拟键合线老化验证了该方法的可行性。
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