学术简报｜分立型功率MOSFET结温估计的非线性热网络模型和参数辨识方法
南京理工大学能源与动力工程学院的研究人员万萌、应展烽、张伟，在2019年第12期《电工技术学报》上撰文指出，分立型功率MOSFET是一类重要的电力电子器件，结温估计对于其安全运行具有重要意义。传统结温估计模型将功率器件壳温测量值作为解算的边界条件，对温度传感器安装可靠性要求较高，故当其应用于体积小巧的分立型功率MOSFET时，所得结温估计结果容易因传感器脱落而不可靠。
为此，该文提出针对分立型功率MOSFET结温估计的非线性热网络模型。该模型利用较易测量的功率器件环境温度作为边界条件，计及非线性热对流和热辐射作用，有效描述器件与环境之间的换热过程。为克服模型热参数难以获取问题，提出模型参数的辨识方法，证明了辨识目标函数的凸函数特性。
利用原对偶内点法，获得参数辨识的全局最优解，有效确定模型热参数。相关实验表明，所提模型能够在壳温测量不可靠时，提高分立型功率MOSFET结温工程估计的可靠性。
分立型功率MOSFET是重要的电力电子器件，具有体积小、成本低和布局灵活等优点，已被广泛应用于工业电源、交通运输和消费类电子等领域中。然而，随着功率设备能量密度要求的不断提高，分立型功率MOSFET也面临着越来越高的热失效风险。为准确评估器件工作的热安全性，降低热故障发生的概率，有必要实时获取器件的结芯温度。
一般来看，功率器件的结芯温度主要通过测量和估计两类方法获得。测量方法是指通过传感器对器件结温直接测量，或利用器件压降、短路电流及驱动电压等热敏参数测量值进行结温的间接测量。由于结温直接测量会破坏器件封装，难以在线使用，而间接测量又存在精度易受干扰和成本较高等问题，因此工程上普遍采用估计法获取器件结温。
当前的结温估计方法大多基于等效热网络模型实现。热网络模型通过瞬态热阻抗曲线建立，能够描述器件结与壳之间的温度关系，可用微分方程组形式表达。功率器件的结温估计值即为上述微分方程组的时域离散数值解。
为便于求解热网络模型，功率器件厂家通常会严格依据标准测试方法，对模型中的热参数进行测定，并在器件数据手册中给出。基于手册参数，热网络模型能够提供有效避免器件过热运行的结温工程估计结果，且估计精度在工程上已被广泛接受。
例如：文献[16]通过热网络模型和手册参数，对功率器件进行了热管理，提高了器件工作的可靠性。文献[17-18]利用热网络模型所得结温工程估计结果，对功率器件进行了主动热控制，提高了器件短时过载能力。文献[19]利用热网络模型对功率器件的散热特性进行了分析。文献[20]通过热网络模型对未老化时功率器件结温进行了估计。文献[21]在热网络模型基础上，提出了一种可延长功率器件工作寿命的控制策略。
然而，由现有热网络模型原理可知，器件外壳温度是模型解算的重要边界条件。因此，除了模型参数外，功率器件壳温测量精度是影响结温估计可靠性的另一重要因素。由于红外或激光等非接触测温方法会影响元器件布局的灵活性，故工程上普遍采用接触式温度传感器测量功率器件的壳温。
对于封装体积较大的功率模块而言，接触式温度测量具有较高的精度，这是因为温度传感器可通过螺栓紧固或压接等方式有效固定在功率模块或其散热器上。但是，对于分立型MOSFET器件而言，温度传感器安装难度较大，因为此类器件封装面积和散热器体积相对较小，温度传感器难以可靠固定在器件上。
同时，大部分分立型功率器件为直立结构，进一步加大了温度传感器的安装难度。尤其在便携式电源或电动汽车驱动器等应用中，因高速冲击和剧烈振动等原因，温度传感器容易从功率MOSFET上脱落。此时，壳温测量结果将会存在较大误差，并影响结温估计结果，进而降低器件热安全性评估的可靠性。
因此，为可靠估计分立型功率MOSFET结温，需要降低传统热网络模型对壳温传感器安装的依赖性。实际上，相对器件壳温传感器，环境温度传感器不仅可以焊接在电路板上，也可以紧固在功率设备机壳上，具有安装位置灵活，固定方式可靠的优势。
若采用环境温度代替壳温，作为热网络模型的边界条件，可提高结温估计中边界条件测量的可靠性。但当环境温度作为边界条件后，热网络模型中便需准确考虑周围环境与器件之间的非线性热交换作用，目前针对该类热网络模型的研究较少。
为此，本文提出针对分立型功率MOSFET结温估计的非线性热网络模型。从本质上看，该模型是传统热网络模型的一种扩展形式，能够通过非线性对流散热和辐射换热，有效地描述周围环境对器件散热的影响，并利用较为可靠的器件环境温度测量值作为边界条件，降低结温估计对壳温测量的依赖。
同时，本文还提出了模型热参数的辨识方法，证明了辨识中目标函数的凸函数特性，并通过原对偶内点法，获得参数辨识的全局最优解，有效确定所提模型热参数。实验结果表明所提模型能够在器件壳温测量不可靠时，提高分立型功率MOSFET结温工程估计的可靠性。
图2 所提热网络模型
图4 实验平台示意图
图5 实验电路的拓扑结构
提出了针对分立型功率MOSFET结温估计的非线性热网络模型及其参数辨识方法。相关实验结果表明，参数辨识方法能够有效确定非线性热网络模型参数，克服参数难以获取问题；非线性热网络模型通过计及非线性热对流和热辐射作用，有效地描述了器件与环境之间的换热过程；同时，非线性热网络模型利用较易测量的功率器件环境温度作为边界条件，不依赖器件壳温测量值，降低了对温度传感器的安装要求，尤为适合在线估计分立型功率器件结温。
另外需要说明的是，本文所提非线性热网络模型是对传统热网络模型的扩展。随着结温测试技术和电热仿真技术的不断进步，传统热网络模型的参数获取精度及结温估计精度会逐步提升，本文模型精度也会随着传统热网络模型参数提取精度的改善而提升。