南京理工大學能源與動力工程學院的研究人員萬萌、應展烽、張偉，在2019年第12期《電工技術學報》上撰文指出，分立型功率MOSFET是一類重要的電力電子器件，結溫估計對於其安全運行具有重要意義。傳統結溫估計模型將功率器件殼溫測量值作為解算的邊界條件，對溫度傳感器安裝可靠性要求較高，故當其應用於體積小巧的分立型功率MOSFET時，所得結溫估計結果容易因傳感器脫落而不可靠。
為此，該文提出針對分立型功率MOSFET結溫估計的非線性熱網絡模型。該模型利用較易測量的功率器件環境溫度作為邊界條件，計及非線性熱對流和熱輻射作用，有效描述器件與環境之間的換熱過程。為克服模型熱參數難以獲取問題，提出模型參數的辨識方法，證明了辨識目標函數的凸函數特性。
利用原對偶內點法，獲得參數辨識的全局最優解，有效確定模型熱參數。相關實驗表明，所提模型能夠在殼溫測量不可靠時，提高分立型功率MOSFET結溫工程估計的可靠性。
分立型功率MOSFET是重要的電力電子器件，具有體積小、成本低和布局靈活等優點，已被廣泛應用於工業電源、交通運輸和消費類電子等領域中。然而，隨著功率設備能量密度要求的不斷提高，分立型功率MOSFET也面臨著越來越高的熱失效風險。為準確評估器件工作的熱安全性，降低熱故障發生的概率，有必要實時獲取器件的結芯溫度。
一般來看，功率器件的結芯溫度主要通過測量和估計兩類方法獲得。測量方法是指通過傳感器對器件結溫直接測量，或利用器件壓降、短路電流及驅動電壓等熱敏參數測量值進行結溫的間接測量。由於結溫直接測量會破壞器件封裝，難以在線使用，而間接測量又存在精度易受幹擾和成本較高等問題，因此工程上普遍採用估計法獲取器件結溫。
當前的結溫估計方法大多基於等效熱網絡模型實現。熱網絡模型通過瞬態熱阻抗曲線建立，能夠描述器件結與殼之間的溫度關係，可用微分方程組形式表達。功率器件的結溫估計值即為上述微分方程組的時域離散數值解。
為便於求解熱網絡模型，功率器件廠家通常會嚴格依據標準測試方法，對模型中的熱參數進行測定，並在器件數據手冊中給出。基於手冊參數，熱網絡模型能夠提供有效避免器件過熱運行的結溫工程估計結果，且估計精度在工程上已被廣泛接受。
例如：有學者通過熱網絡模型和手冊參數，對功率器件進行了熱管理，提高了器件工作的可靠性。有學者利用熱網絡模型所得結溫工程估計結果，對功率器件進行了主動熱控制，提高了器件短時過載能力。有學者利用熱網絡模型對功率器件的散熱特性進行了分析。有學者通過熱網絡模型對未老化時功率器件結溫進行了估計。有學者在熱網絡模型基礎上，提出了一種可延長功率器件工作壽命的控制策略。
然而，由現有熱網絡模型原理可知，器件外殼溫度是模型解算的重要邊界條件。因此，除了模型參數外，功率器件殼溫測量精度是影響結溫估計可靠性的另一重要因素。由於紅外或雷射等非接觸測溫方法會影響元器件布局的靈活性，故工程上普遍採用接觸式溫度傳感器測量功率器件的殼溫。
對於封裝體積較大的功率模塊而言，接觸式溫度測量具有較高的精度，這是因為溫度傳感器可通過螺栓緊固或壓接等方式有效固定在功率模塊或其散熱器上。但是，對於分立型MOSFET器件而言，溫度傳感器安裝難度較大，因為此類器件封裝面積和散熱器體積相對較小，溫度傳感器難以可靠固定在器件上。
同時，大部分分立型功率器件為直立結構，進一步加大了溫度傳感器的安裝難度。尤其在可攜式電源或電動汽車驅動器等應用中，因高速衝擊和劇烈振動等原因，溫度傳感器容易從功率MOSFET上脫落。此時，殼溫測量結果將會存在較大誤差，並影響結溫估計結果，進而降低器件熱安全性評估的可靠性。
因此，為可靠估計分立型功率MOSFET結溫，需要降低傳統熱網絡模型對殼溫傳感器安裝的依賴性。實際上，相對器件殼溫傳感器，環境溫度傳感器不僅可以焊接在電路板上，也可以緊固在功率設備機殼上，具有安裝位置靈活，固定方式可靠的優勢。
若採用環境溫度代替殼溫，作為熱網絡模型的邊界條件，可提高結溫估計中邊界條件測量的可靠性。但當環境溫度作為邊界條件後，熱網絡模型中便需準確考慮周圍環境與器件之間的非線性熱交換作用，目前針對該類熱網絡模型的研究較少。
為此，本文提出針對分立型功率MOSFET結溫估計的非線性熱網絡模型。從本質上看，該模型是傳統熱網絡模型的一種擴展形式，能夠通過非線性對流散熱和輻射換熱，有效地描述周圍環境對器件散熱的影響，並利用較為可靠的器件環境溫度測量值作為邊界條件，降低結溫估計對殼溫測量的依賴。
同時，本文還提出了模型熱參數的辨識方法，證明了辨識中目標函數的凸函數特性，並通過原對偶內點法，獲得參數辨識的全局最優解，有效確定所提模型熱參數。實驗結果表明所提模型能夠在器件殼溫測量不可靠時，提高分立型功率MOSFET結溫工程估計的可靠性。
結論
提出了針對分立型功率MOSFET結溫估計的非線性熱網絡模型及其參數辨識方法。相關實驗結果表明，參數辨識方法能夠有效確定非線性熱網絡模型參數，克服參數難以獲取問題；非線性熱網絡模型通過計及非線性熱對流和熱輻射作用，有效地描述了器件與環境之間的換熱過程；同時，非線性熱網絡模型利用較易測量的功率器件環境溫度作為邊界條件，不依賴器件殼溫測量值，降低了對溫度傳感器的安裝要求，尤為適合在線估計分立型功率器件結溫。
另外需要說明的是，本文所提非線性熱網絡模型是對傳統熱網絡模型的擴展。隨著結溫測試技術和電熱仿真技術的不斷進步，傳統熱網絡模型的參數獲取精度及結溫估計精度會逐步提升，本文模型精度也會隨著傳統熱網絡模型參數提取精度的改善而提升。