用於實時監測igbt器件的操作狀態的系統和方法
2023-07-18 14:11:31
專利名稱：用於實時監測igbt器件的操作狀態的系統和方法
技術領域：
本發明涉及IGBT器件的領域，特別地涉及用於測量或估計IGBT器件的結溫的方法。
背景技術：
在操作期間半導體模塊中的IGBT器件的結溫在例如功率電子轉換器中是重要的參數，其提供關於器件所暴露的熱應力的信息。因此，它可以用於預測和評估IGBT器件和功率模塊的老化並且估計IGBT器件的剩餘壽命。常規地，使用標準溫度測量技術測量IGBT器件的結溫，例如使用紅外拍攝裝置探測、在IGBT器件封裝內部直接在IGBT半導體處或附近的熱耦，或測量IGBT器件的內部柵極電阻以便獲得器件溫度的指示。這些技術或牽涉對IGBT器件封裝的直接接觸或需要專門設計的IGBT器件。此外，可以通過憑藉溫度傳感器測量基底板或襯底的溫度並且應用描述器件中的熱互作用的詳細熱網絡而模擬內部IGBT器件溫度。該模擬基於關於施加到IGBT器件的電壓和電流波形等電參量的信息，使得可以估計IGBT溫度。由於直接在半導體結處未測量到溫度時的延遲熱響應，上文的用於確定溫度的方法未提供需要的及時解析度和精確度。因此，特別地，如果及時解析度應該處於接近IGBT器件的控制頻率的頻率，這些技術不適合於IGBT結溫的在線測量。因此，本發明的目的是提供用於確定IGBT器件的結溫的方法和系統，其高度精確地且以高的及時解析度提供溫度的指示。
發明內容
該目的由根據權利要求1的用於確定IGBT器件的結溫的系統和由根據另外的獨立權利要求的方法實現。本發明的另外的實施例在從屬的子權利要求中指示。根據第一方面，提供用於確定IGBT器件的結溫和/或剩餘壽命的系統。該系統包括:
一微分單元，用於接收要測量的IGBT器件的柵極-發射極電壓特性和用於微分該柵極-發射極電壓特性來獲得與IGBT器件的關斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關的脈衝；
一計時器單元，用於測量獲得的指示IGBT器件的關斷期期間Miller平臺期的起始和結束的脈衝之間的時間延遲；
一結溫計算單元，用於基於測量的時間延遲確定IGBT器件的結溫和/或剩餘壽命。IGBT器件的行為強烈地取決於其操作溫度。這是由於溫度與基本物理參數(例如遷移率、壽命和本徵載流子濃度)之間強烈的相互依賴性。因為這些基本物理參數反映標準半導體特性，半導體器件的電特性是溫度依賴的。除例如閾值電壓、導通和關斷延遲時間、開關損耗等需要複雜的測量技術的熱敏電參數外，還發現，特別地在給定負載條件的IGBT器件的關斷特性可以用於以精確的方式確定器件的結溫。特別地，關斷期間的柵極-發射極電壓特性示出由於本體電容的放電而具有兩個步階的階梯模式，其中第一下降邊緣與第二下降邊緣之間的時間延遲確定了強烈地取決於器件結溫的持續時間。該階梯模式形成類似平臺的特性，也稱為Miller平臺。此外，發現該時間延遲是IGBT結溫的接近於線性的函數。因此，提供了分析IGBT器件的柵極-發射極電壓的關斷特性以便確定IGBT結溫。Miller平臺的持續時間的估計允許精確確定IGBT器件的各開關時的結溫。因此，可以獲得IGBT器件的在線溫度特性，其例如允許更精確估計施加在IGBT器件上的熱應力及其剩餘壽命。此外，結溫計算單元可適用於基於測量的時間延遲和IGBT器件的集電極-發射極電壓以及IGBT器件電流確定IGBT器件的結溫。可提供結溫計算單元適用於憑藉給定查找表或給定函數確定IGBT器件的結溫和/或剩餘壽命。根據實施例，信號幅度檢測單元和比較器單元可配置成從其他脈衝選擇指示IGBT器件的關斷期期間的Miller平臺期的起始和結束的脈衝，其中該比較器單元適用於基於作為閾值水平的參考開關電壓而對脈衝濾波，其中該信號幅度檢測單元適用於基於在微分單元中產生的脈衝的幅度產生相應的閾值水平。可提供信號幅度檢測單元和比較器單元，其配置成從其他脈衝選擇指示IGBT器件的關斷期期間Miller平臺期的起始和結束的脈衝，其中該比較器單元適用於將脈衝的電壓水平與作為閾值水平的相應參考開關電壓比較來獲得二進位脈衝信號，其中該信號幅度檢測單元適用於基於在微分單元中產生的脈衝的幅度產生相應的閾值水平。此外，比較器單元可配置成在將脈衝的電壓水平與作為閾值水平的相應參考開關電壓比較來獲得二進位信號時應用滯後。根據第一方面，提供用於確定IGBT器件的結溫和/或剩餘壽命的方法。該方法包括以下步驟:
一微分柵極-發射極電壓特性來獲得與IGBT器件的關斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關的脈衝；
一測量獲得的指示IGBT器件的關斷期期間的Miller平臺期的起始和結束的脈衝之間的時間延遲；
一基於測量的時間延遲確定IGBT器件的結溫和/或剩餘壽命。根據實施例，可進一步基於集電極-發射極電壓和IGBT器件電流確定IGBT器件的結溫。
本發明的優選實施例將連同附圖更詳細描述，其中:
圖1示出由控制單元控制的IGBT驅動模塊的示意 圖2示出描繪在關斷期期間IGBT器件隨時間的柵極-發射極電壓的 圖3示出描繪隨IGBT器件的結溫的Miller平臺的時間延遲的圖；圖4示出用於確定Miller平臺的時間延遲的功能框 圖5示出溫度確定單元的示例的示意圖；以及
圖6示出與產生作為比較器單元的輸出的脈衝有關的測量IGBT器件的柵極-發射極電壓的特性。
權利要求
1.一種用於確定IGBT器件(12)的結溫和/或剩餘壽命的系統(20)，包括: 一微分單元(21)，用於接收要測量的所述IGBT器件(12)的柵極-發射極電壓(VeE)特性以及用於微分所述柵極-發射極電壓(Vra)特性來獲得與所述IGBT器件(12)的關斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關的脈衝； 一計時器單元(23)，用於測量獲得的指示所述IGBT器件(12)的關斷期期間所述Mi 11 er平臺期的起始和結束的脈衝之間的時間延遲(tdelay)； —結溫計算單元(25)，用於基於測量的時間延遲(tdelay)確定所述IGBT器件(12)的結溫和/或剩餘壽命。
2.如權利要求1所述的系統(20)，其中所述結溫計算單元(25)適用於基於測量的時間延遲(tdelay)和所述IGBT器件(12，13)的集電極-發射極電壓(Vce)以及IGBT器件電流確定所述IGBT器件(12)的結溫(Tj)。
3.如權利要求2所述的系統(20)，其中所述結溫計算單元(25)適用於憑藉給定查找表或給定函數確定所述IGBT器件(12)的結溫(Τρ和/或剩餘壽命的指示。
4.如權利要求1-3中任一項所述的系統(20)，其中信號幅度檢測器單元(24)和比較器單元(22)配置成從其他脈衝選擇指示所述IGBT器件(12)的關斷期期間的所述Miller平臺期的起始和結束的脈衝， 其中所述比較器單元(22)適用於基於作為閾值水平的參考開關電壓(Uref)而對脈衝濾波， 其中所述信號幅度檢測單元(24)適用於基於在所述微分單元(21)中產生的脈衝的幅度產生相應的閾值水平。
5.如權利要求1-4中任一項所述的系統(20)，其中信號幅度檢測器單元(24)和比較器單元配置成從其他脈衝選擇指示所述IGBT器件(12)的關斷期期間的所述Miller平臺期的起始和結束的脈衝， 其中所述比較器單元(22)適用於將脈衝的電壓水平與作為閾值水平的相應參考開關電壓(UMf)比較來獲得二進位脈衝信號， 其中所述信號幅度檢測器單元(24)適用於基於在所述微分單元(21)中產生的脈衝的幅度產生相應的閾值水平。
6.如權利要求5所述的系統(20)，其中所述比較器單元(22)配置成在將脈衝的電壓水平與作為閾值水平的相應參考開關電壓(U比較來獲得二進位脈衝信號時應用滯後。
7.一種用於確定IGBT器件(12)的結溫(Tj)和/或剩餘壽命的方法，包括: 一微分柵極-發射極電壓(\E)特性來獲得與所述IGBT器件(12)的關斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關的脈衝； 一測量獲得的指示所述IGBT器件(12)的關斷期期間的所述Miller平臺期的起始和結束的脈衝之間的時間延遲(tdelay)； —基於測量的時間延遲(tdelay)確定所述IGBT器件(12)的結溫(Tj)和/或剩餘壽命。
8.如權利要求7所述的方法，其中進一步基於集電極-發射極電壓和IGBT器件電流確定所述IGBT器件(12)的結溫。
全文摘要
本發明涉及用於實時監測IGBT器件的操作狀態、特別地用於確定IGBT器件的結溫的系統，包括微分單元，用於接收要測量的IGBT器件的柵極-發射極電壓特性以及用於微分該柵極-發射極電壓特性來獲得與IGBT器件的關斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關的脈衝；計時器單元，用於測量獲得的指示IGBT器件的關斷期期間的Miller平臺期的起始和結束的脈衝之間的時間延遲；結溫計算單元，用於基於測量的時間延遲確定IGBT器件的結溫。
文檔編號G01R31/26GK103207362SQ20131000983
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月11日 優先權日2012年1月11日
發明者V.孫達拉莫爾蒂, A.海內曼, E.比安達, F.澤弗盧, G.克納普, I.尼斯託爾, R.布洛赫 申請人:Abb研究有限公司