基于PID自校准算法的IGBT温升控制实现

北京工业大学学报

2016年7月JOURNAL OF BEIJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

Vol.42 No.7 Jul. 2016

基于

PID自校准算法的IGBT温升控制实现

张小玲，陈君，谢雪松，张博文，熊文雯，任云，袁芳

(北京工业大学电子信息与控制工程学院，北京100124)

insulated gate bipolar transistor，IGBT)温度过冲和滞后问题，设

计了一种自校准PID算法控制IGBT温升.通过MATLAB进行PID建模及参数仿真，采用电学法测试原理并结合 嵌人式系统测试IGBT结温，使用PID自校准算法控制器件温升进行IGBT热疲劳测试.实验结果表明：该算法的 调节方式和温度精度都达到理想的效果，改善了系统的动态性能，为IGBT寿命预测提供了一个良好的实验环境.

关键词：自校准PID;电学法；结温中图分类号：TP308

文献标志码：

摘要：针对功率循环实验中绝缘栅双极型晶体管（

doi： 10.11936/bjutxb2016010018

A 文章编号：0254 -0037(2016)07 -09 -05

IGBT Temperature Control Based on Self-calibration PID

ZHANG Xiaoling，CHEN Jun，XIE Xuesong，ZHANG Bowen，XIONG Wenwen，REN Yun，YUAN Fang

(College of Electronic Information and Control Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

Abstract ： In order to solve the problem of IGBT temperature overshoot in power cycle test， a self­calibration PID algorithm was designed. PID controller was simulated by MATLAB. IGBT Junction temperature was tested by electrical testing theory and combined with embedded system. The self­calibration PID algorithm was applied to control IGBT junction temperature in thermal fatigue test. Experimental results show that both the self-calibration PID control and temperature can achieve better result. Thus system dynamic performance was improved much. It provided a better experimental environment for the IGBT life prediction.

Key words ： self-calibration PID ； electrical method; junction temperature

绝缘栅双极型晶体管（insulated gate bipolar

transistor, IGBT)作为一种理想的半导体大功率开

产带来重大损失[5].

大功率器件正常工作时功率损耗会产生大量的 热造成自升温，这将直接影响器件的热应力，导致工 作寿命缩短，同时也对周围器件产生影响[6].因此， 温度是工业生产中相当重要的参数之一，工作温升

是影响IGBT寿命和评估其可靠性的重要参数[7-8]. 针对这一问题，采用现场可编程门阵列（field

programmable gate array，FPGA)作为控制核心，兼顾

关器件，是目前应用最为广泛的全控型电力电子器

件[1]. IGBT模块温度的变化是引起芯片失效的主 要原因，掌握IGBT工作过程中芯片温度分布及温 度变化情况对IGBT寿命预测至关重要[2].因此，很 多半导体器件的寿命预测实验、功率循环实时监测 系统都对温度要求严格[34]，在进行IGBT功率循 环、寿命预测的时候，没有一个精确的温升会使实验 结果不准确,导致寿命预测结果产生误差，给工业生

收稿日期：2016-01-12

基金项目：国家自然科学青年基金资助项目（61204081)

多路IGBT器件并行工作，系统设计中采用高速采 集卡和高速隔离型开关设计，减少系统硬件干扰带

作者简介：张小玲（1972—），女，副教授，主要从事半导体器件物理、器件设计及可靠性方面的研究，E-mail：zhangxiaoling@

bjut.edu.cn

990北京工业大学学报2016 年

来的不利影响，该部分工作已经在文献[9]中完成.

本文在前期硬件系统的基础上，采用PID算法 对半导体器件进行恒温控制，在以往的控制中PID 算法多用于工业控制、仪器仪表、医疗等领域[11鄄14]， 但是在半导体器件可靠性研究领域的应用却极为罕 见.本文采用电学方法测试IGBT的结温，利用自校 准PID算法控制IGBT的温升，辅助器件寿命预测 及老化测试，对半导体器件领域的研究具有重要的 指导意义.

关系，那么通过测得的t1 + At时刻之后的温度和时 间数据可拟合反推出t1时刻的结温兹j =兹(t,).

1

IGBT测试原理

电学参数法又称热敏参数法，是测量半导体器

件结温的重要方法之一，它是一种非破坏性的测试 方式.选定IGBT栅极和发射极间的电压FgE作为温 度敏感参数[5]，对饱和区下工作的IGBT结温进行 实时监测，结合自校准PID算法实现IGBT器件温 升控制.

在特定的小电流下IGBT的结压降与温度具有 非常好的线性关系，根据这个性质，在小电流（/m =5

mA)时，测量栅极电压Vge与结温兹.的线性关系，得

到如图1所示的校准曲线[1°-11].

得到校准曲线后，对其进行线性拟合可得

兹•= VGE + C

(1)

如图2(a)所示，通过快速切换加热电流/c和测 试电流/m，对温敏参数Vge进行采集，记录器件停止 加热后降温阶段的温敏参数Vge的变化（如图2(b) 所示），利用最小二乘法（least square method，LSM) 拟合出Vge随时间t的变化关系，得到t1时刻Vge的 值.通过式（1)可以计算出器件结温的冷却曲线，结 温冷却曲线中的温度和时间的二次方根t1/2呈线性

Fig. 2 Electrical parameters variation in junction

temperature testing process

得到结温后通过控制系统，利用器件结温与电 流之间的关系：/c电流越大，器件的温度越高，通过

PID

算法控制加热电流/c的大小，间接控制结温兹j

的大小，达到温度控制的目的.

2软件设计

软件设计是系统中最关键的部分，整个软件工

程采用模块化的设计理念.依据功率循环实验测试 过程中功能需求，其中软件架构图如图3所示.

图3

系统软件架构

Fig. 3 Software architecture diagram

其中Host Interface支持Uart串行及LAN两种 通信方式;实时操作系统（real time operating sytem，

RTOS)，采用滋C/OS-域

，提供多线程环境，实现多

路IGBT器件并行工作.

Hardware Driver为硬件驱动层，负责驱动电流

源模块、监测模块和信号采集模块.

第7期

张小玲，等：基于PID自校准算法的IGBT温升控制实现

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Controller为系统控制层，实现了敏感参数米

样、数据传输、温度拟合、升温、恒温、冷却控制等工

作，其中Flow Manager层负责系统工作状态切换.

据傅里叶定律，导热量与温度梯度和热导率的关

系为

arithmetic module)是软件部分的核心模

块，主要由PID自校准算法和LSM组成;温度控制 采用PID自校准算法，这样既有利于减小温度波动， 又可以防止突发性温度振荡对IGBT寿命预测实验 的影响，并且对加热空间有一定的补偿作用.

2.1

PID

算法模块（

Q = - kA dx抑-kAV6

式中：k为

(4)

IGBT器件管壳的热导率;A为芯片的面

积；V0为温度梯度.

算法设计

驻兹=驻^ Qup产_ (5)

c v 式中驻兹.为IGBT器件的温升，其等效为增加热量减

CV

系统工作状态主要有开始、升温过程、恒温过

程、冷却过程4个部分，如图4所示.

图4

软件流程

Fig. 4 Flow chart of software function

根据软件流程图4及

IGBT结温与电流Ic的关

系可知，Ic越大，T.温度越高.为了更好地控制IGBT 器件的温度，避免过冲，采用两段式PID算法.

1)

工作过程中先从初始状态以PD调节升温

速度，当温度上升到90%设定温度时为升温阶段；

2) 在±10%设定温度时，采用PID算法，此时 温度已经接近设定温度兹.。，最后一段采用风冷降温 措施，整个循环结束后，系统会自动进入下一个 循环.

其中2段PID算法采用增量式的表示形式[13]

(kK) = KP[ e (k) - e( k-1)] + KIe( k

) +

d

[ e(k) - 2e(k-1) + e(k-2) ]

(2)式中:Kp、Ki、Kd分别为比例增益、积分系数、微分系

数;e(k)为系统偏差量;Au(k)为PID调节器的输出.2.2

PID

建模及参数整定

首先在PID参数整定中，采用MATLAB仿真系 统建立IGBT器件仿真模型，根据器件的特性，IGBT 在仿真过程中可以等效为热阻-热容模型，具体做

法如下.

根据热容的定义:在没有相变和化学反应的条 件下，材料温度升高1 K时所吸收的热量.

cv

= (A

Q

) v = (A 兹)v (3)

式中：Cv是材料的质量定容热容;AQ为导热量.根

去外部消耗的热量，AQ联立式(4)(5)可以得出

C V

geI

cAtC - kA V 兹

v =

v

(6)

式中：V兹抑兹.-兹m，即近似为结温兹.与器件管壳

温度兹。及室温兹m的差;At为1 s的加热时间.通过 式(6)可以推导出驻兹.与Ic之间具有线性关系.

g =j

2gn C〇21 c

x L ’D =

VGE - VTH

(7)

根据此原理可以建立MATLAB仿真模型，根据

式(6)建立IGBT等效热模型，采用先进PID控制理 论中的Simulink模型建立离散式PID控制器，依据

IGBT跨导和电流之间的关系式（7)，IGBT在阈值电

压附近时，跨导可以近似为恒定，由此可计算出电流 的初始增量，通过PID控制器调节电流的大小，间接

控制兹j的大小，根据离散Ziegler - Nichols方法进行 PID参数整定[16]，整定的公式为fKp =0. 6Km(8)

式中:Km为系统开始振荡时的幅值；Wm为系统的频率;Pi为圆周率仔.经过仿真和验证得到某一型号

沁3丁器件^、[1、4的值分别为:0.018、0.002 5和1. 8.

IGBT器件在进行多次重复性功率循环实验中，

控制作用过于频繁会产生振荡，另一方面，由于 IGBT器件温度响应具有迟滞性，采用常规控制会出 现较大的超调现象[14鄄15]，在不给器件带来冲击的前 提下，解决这个问题需要对PID算法进行校正.具 体实现方式如下:采用带死区的积分分离式PID算 法进行控制，取得了良好的控制效果.

1)

升温阶段:希望温度上升越快越好，响应

间越短越好，所以采用PD调节.

2) 恒温阶段:积分作用可提高温度控制精度，

992北京工业大学学报2016 年

ID

消除静态误差，但具有滞后性，该环节应适当加入积 分，为消除控制作用过于频繁引起的振荡采用的带 死区的积分分离PID算法.这里要设置一个误差门 限值〜，^⑷为

器件在每个温度测试点误差约为4益；使用P自

校准算法时，不同型号的器件在恒温阶段温度精度 会有1益的误差，其误差范围在实验要求的范围内. 说明自校准PID算法的恒温效果比常规PID算法的 恒温效果好.

在环境温度不变的情况下，设定温度值90益

当丨e(k)l臆le〇l时，控制器输出为0;当lew I > le0l时，控制器有PID输出.如果误差过大，会使温 度产生滞后现象，使得整个恒温过程出现震荡.系 统通过算法自动识别误差累积的程度，防止积分引 时，将第1种型号的IGBT在2种不同控制方式下的 温度值绘制成如图6所示的曲线并进行对比，PID 算法自校准后的温度曲线，误差很小，升温阶段温度 呈线性上升.对比实验结果图6和仿真结果图5可 入后带来的影响.

3)冷却阶段:采用风冷设备进行外部冷却，直 到下降为设定的温度值为止.

根据以上原理采用MATLAB仿真得到的结果 如图5所示.

2.3测试结果分析

为了验证仿真结果，采用2种不同型号的IGBT 器件分别在3种不同温度条件进行功率循环实验， 测试结果如表1所示.

表1

不同型号IGBT器件测试结果

Table 1 Test results for different types of IGBT devices益

IGBT

设定PID自校准算法

常规PID控制型号

温度

恒温测试

恒温测试

90

.487. 01

9595.598. 010099.2104. 19090.793. 02

9594. 598. 5100

100.3

104.0

从表1可以看出：常规PID控制时，同一型号的

以看出:该IGBT测试系统在进行功率循环实验时， 可以达到预期的效果，且温度值误差在1%以内，升 温时间约为15 s，经过20 s最终温度达到稳定状态.

该算法比修正前温度响应时间约快10 s，温度 振荡有明显的减少.说明在恒温区采用带死区的积 分分离PID算法进行控制是有效的，解决了温度过 冲及响应时间慢这个问题，经过多次功率循环实验， 工作状态比较理想.

图6算法修正前后IGBT温度变化曲线

Fig. 6 Temperature curve of IGBT before and after the

correction algorithm3

结论

1)

将自校准PID算法应用于IGBT器件热疲

测试系统中，该算法经过自校准后具有良好的稳定 性和适应性，可有效防止大电流时IGBT温度波动 给器件寿命造成的不利影响.

2) 通过验证可知，对于不同型号的器件温度差均在1%以内.器件在进行热疲劳及功率循环实 验时温升稳定，控制效果达到预期要求.

3)

本文将可靠性技术与自校准PID算法相

合，应用于半导体器件可靠性研究领域，同时该技术 也普遍适用于其他温度控制场合，对IGBT器件研 究及寿命预测具有重要的意义.

第7期

张小玲，等：基于PID自校准算法的IGBT温升控制实现

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(责任编辑吕小红）

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北