一種IGBT結溫在線監測方法及其測量電路與流程
2023-11-10 11:05:32 2
本發明涉及一種IGBT結溫在線監測方法及其測量電路。
背景技術：
結溫是IGBT模塊運行中的一個重要參數，IGBT模塊本身具有最高結溫限制，一般為125～175℃，如果模塊的工作結溫超過最高結溫限定值，則很可能引起模塊過溫燒毀，對系統運行的安全產生威脅。同時，IGBT的工作壽命受到溫度的影響，溫度越高，溫度波動越大，IGBT模塊的工作壽命越低。如果能對工作狀態下的IGBT模塊的結溫進行實時監測，一方面能對IGBT進行更有效的過溫保護，防止器件失效，另一方面，可以通過實際測量的運行結溫，對IGBT的壽命損耗進行實時預計，實現壽命監測。
目前，IGBT的結溫測量方法包括紅外探測方法、熱傳感器法和電學方法。紅外探測使用紅外熱成像儀正對晶片的發熱區域，可以得到IGBT模塊內部的溫度分布，但需要破壞IGBT的封裝結構，改變器件的狀態，不能進行工作下的實時測量和保護。熱傳感器方法通過在IGBT內部放置熱電偶、熱電阻等對IGBT的晶片溫度進行監測，對於封裝和晶片安裝空間有一定要求，目前部分IGBT廠商的模塊內部集成有NTC即是利用模塊內部的熱電阻來對IGBT的內部溫度進行監測，但是由於NTC溫度與晶片溫度有一定差異，同時其響應時間較長，IGBT模塊的過溫損壞常常是瞬間發生，難以利用其對IGBT模塊的結溫進行有效的實時保護。
電學方法即使利用IGBT模塊的某些電學參數的溫度敏感特性，事先對IGBT模塊的熱敏感電參數與晶片溫度的關係進行標定，然後當IGBT處於工作狀態下，通過測量熱敏感電參數來間接測量晶片溫度。電學方法具有實現難度小，可以集成在IGBT控制電路內，響應速度快等特點。能夠進行工作狀態下的IGBT實時結溫監測。
IGBT的熱敏感電參數包括：閾值電壓、開關過程中的電壓電流變化率、導通壓降等。其中閾值電壓與溫度呈負線性關係，然而在實際運行過程中，該參數很難在高壓強電環境下準確測量到，並且與IGBT的電壓、電流均相關，可行性差；開關過程中的電壓電流變化率等測量方法複雜，不同電壓下的係數差別很大，且與溫度呈現出非線性關係；飽和壓降與溫度的線性度最好，敏感度高，相關因素少(與IGBT的電壓無關，僅與電流、溫度相關)，標定方法和測試電路相對簡單。
直接對IGBT的導通壓降進行測量需要高耐壓的傳感器，所測量的導通壓降相對於阻斷電壓來說較小，測量精度不高，非常容易受到幹擾。因此，要實現具有實用性的IGBT結溫在線監測，需要解決測量精度、電壓阻斷、與高壓大電流隔離、抗幹擾等問題。
申請號為201510245724.7的發明專利申請中提供了基於飽和壓降測試IGBT結溫的溫度定標平臺和方法，但是並沒有給出在工作狀態下對IGBT結溫實時監測的電路和方法。
申請號為201410345265.5)的發明專利申請中提供了基於飽和壓降對IGBT結溫進行在線監測的電路和方法，然而該電路結構複雜，實現困難，且只能對單一IGBT晶片的溫度進行監測。
技術實現要素：
針對現有技術中存在的問題，本發明的目的在於提供一種IGBT結溫在線監測方法，該方法能夠克服現有方法的不足，實現IGBT的高電壓阻斷，進行高精度的飽和壓降測量；本發明的另一目的在於提供一種實現本發明方法的測量電路。
為實現上述目的，本發明採用以下技術方案：
一種IGBT結溫在線監測方法，所述監測方法為：分別使用有溫度控制的參數測試儀對待測的IGBT模塊的上、下橋臂的IGBT和二極體在不同溫度、正向電流下的壓降進行測量，並擬合成壓降關於溫度、電流的函數，建立標定資料庫；採用測量電路測量上、下橋臂的IGBT和二極體的壓降，並根據時間信號分別提取出上、下橋臂的IGBT和二極體的壓降，根據標定的壓降與電流、溫度的關係，通過查表將其轉化為晶片溫度。
一種IGBT結溫的測量電路，所述測量電路包括上橋臂側的導通壓降測量電路、下橋臂側的導通壓降測量電路、ADC模塊和數位訊號處理單元；其中，所述上橋臂側的導通壓降測量電路和下橋臂側的導通壓降測量電路的電路結構相對稱，分別用於測量待測IGBT上、下橋臂的導通壓降和二極體的正向壓降；所述上橋臂側的導通壓降測量電路包括電壓阻斷用二極體(D1)、二極體(D2)，所述二極體(D1)的陰極直接與上橋臂IGBT的集電極相連，所述二極體(D2)的陰極與二極體(D1)的陽極相連，二極體(D2)的陽極連接有電流源，二極體(D1)的陽極還連接有鉗位二極體(D3)的陽極和運算放大器(U1)的正向輸入端；所述鉗位二極體(D3)的陰極連接有鉗位二極體(D4)的陽極；所述鉗位二極體(D4)的陰極連接有電源；所述運算放大器(U1)的負向輸入端通過電阻(R1)與二極體(D2)的陽極連接，運算放大器(U1)的負向輸入端通過電阻(R2)與運算放大器(U1)的輸出端連接；運算放大器(U1)的輸出端與所述ADC模塊連接，所述ADC模塊與所述數位訊號處理單元連接。
進一步，所述ADC模塊為14位的ADC模塊。
進一步，所述二極體(D1)和所述二極體(D2)的特性一致。
進一步，所述電阻(R1)與所述電阻(R2)的阻值相同。
進一步，所述ADC模塊和所述數位訊號處理單元之間通過光耦連接。
進一步，所述數位訊號處理單元為DSP。
進一步，所述數位訊號處理單元連接有計算機。
本發明具有以下有益技術效果：
本發明的監測方法解決了現有的IGBT結溫測量方法無法實現大電流工況下的結溫在線監測問題，提出的通過飽和壓降對IGBT的結溫進行工作狀態下在線監測的方法。基於本發明提出的方法，能夠克服現有方法的不足，實現IGBT的高電壓阻斷，進行高精度的飽和壓降測量；且能夠同時監測逆變器中上下橋臂的兩個IGBT和二極體晶片的溫度；能夠方便的集成到現有的IGBT的驅動電路中，對IGBT模塊進行過溫保護。本發明的測量電路簡單易於實現，能夠同時達到阻斷高電壓、測量飽和壓降，實現測量與高電壓大電流隔離的目的，並且能夠達到極快的響應速度，可以對一個電流周期內的溫度波動進行測量。
本發明的監測方法結合測量電路，通過對工作狀態下的IGBT模塊的各個橋臂的壓降進行測量，能夠實現對IGBT模塊內部晶片的溫度監測，特別適用於進一步集成進驅動電路中對IGBT模塊進行過溫保護，以及收集溫度數據對IGBT模塊的壽命損耗狀態進行估計。
附圖說明
圖1為本申請的測量電路的結構示意圖。
具體實施方式
下面，參考附圖，對本發明進行更全面的說明，附圖中示出了本發明的示例性實施例。然而，本發明可以體現為多種不同形式，並不應理解為局限於這裡敘述的示例性實施例。而是，提供這些實施例，從而使本發明全面和完整，並將本發明的範圍完全地傳達給本領域的普通技術人員。
本發明提供了一種IGBT結溫在線監測方法，該監測方法為：分別使用有溫度控制的參數測試儀對待測的IGBT模塊的上、下橋臂的IGBT和二極體在不同溫度、正向電流下的壓降進行測量，並擬合成壓降關於溫度、電流的函數，建立標定資料庫；採用測量電路測量上、下橋臂的IGBT和二極體的壓降，並根據時間信號分別提取出上、下橋臂的IGBT和二極體的壓降，根據標定的壓降與電流、溫度的關係，通過查表將其轉化為晶片溫度。
本發明還提供了一種IGBT結溫的測量電路，該測量電路包括上橋臂側的導通壓降測量電路、下橋臂側的導通壓降測量電路、ADC模塊和數位訊號處理單元；其中，上橋臂側的導通壓降測量電路和下橋臂側的導通壓降測量電路的電路結構相對稱，分別用於測量待測IGBT上、下橋臂的導通壓降和二極體的正向壓降；上橋臂側的導通壓降測量電路包括電壓阻斷用二極體D1、二極體D2，二極體D1的陰極直接與上橋臂IGBT的集電極相連，所述二極體D2的陰極與二極體D1的陽極相連，二極體D2的陽極連接有電流源，二極體D1的陽極還連接有鉗位二極體D3的陽極和運算放大器U1的正向輸入端；鉗位二極體D3的陰極連接有鉗位二極體D4的陽極；鉗位二極體D4的陰極連接有電源；運算放大器U1的負向輸入端通過電阻R1與二極體D2的陽極連接，運算放大器U1的負向輸入端通過電阻R2與運算放大器U1的輸出端連接；運算放大器U1的輸出端與ADC模塊連接，ADC模塊與數位訊號處理單元連接。
本申請的ADC模塊為14位的ADC模塊；二極體D1和二極體D2的特性一致；電阻R1與電阻R2的阻值相同。ADC模塊和數位訊號處理單元之間通過光耦連接。數位訊號處理單元為DSP。數位訊號處理單元連接有計算機。
本發明的測量電路工作過程為：IGBT阻斷時，D1和D2阻斷高壓保護測量電路避免擊穿；IGBT導通時，電流源使兩個二極體D1和D2正向偏置，此時有：Vce1＝2Vb1-Va。二極體D3、D4與運算放大器U1相連，U1外接電阻R1和R2，且有R1＝R2，因此，U1的輸出電壓則為導通壓降Vce1。當上橋臂IGBT導通時，該壓降測量電路可以測得上橋臂IGBT的導通壓降，當上橋臂IGBT關斷後，二極體處於導通狀態時，該壓降測量電路可以測得上橋臂二極體的正向壓降。下橋臂的導通壓降測量電路與上橋臂對稱，因此，該測量電路可以獲得上、下橋臂IGBT的導通壓降和二極體的正向壓降。運算放大器的輸出端連接到14位ADC，ADC對運算放大器輸出的電壓值進行採樣，採用光耦將ADC的數據輸入到DSP中，並通過DSP導入到計算機中進行處理。
上面所述只是為了說明本發明，應該理解為本發明並不局限於以上實施例，符合本發明思想的各種變通形式均在本發明的保護範圍之內。