CN102981098A

CN102981098A - 一种igbt模块内部键接线故障监测系统及其工作方法

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Publication number: CN102981098A
Application number: CN2012105286631A
Authority: CN
Inventors: 杜明星; 魏克新; 岳有军; 谢琳琳; 胡震
Original assignee: Tianjin University of Technology
Current assignee: Tianjin University of Technology
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2013-03-20
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: CN102981098B

Abstract

一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于它是包括门极驱动及保护电路单元、集射电压和电流监测单元、门极电压监测单元、底板温度采集单元、控制器单元和人机界面显示单元；其工作方法为采集信号、信号调理、信号转换、故障诊断和人机交换；其优越性在于：①故障监测方法快速准确；②实时监测IGBT内部键接线故障；③监测快速性及实时性好；④准确度较高，具有可商业化利用的前景；⑤对于开关控制的功率半导体器件具有通用性。

Description

一种IGBT模块内部键接线故障监测系统及其工作方法

（一）技术领域：

本发明涉及一种功率半导体器件的故障诊断技术领域，尤其是一种IGBT（绝缘栅双极晶体管——Insulated Gate Bipolar Transistor，简称IGBT）模块内部键接线故障监测系统及其工作方法。

（二）背景技术：

随着电力电子技术的不断进步，电力电子系统在众多工业领域的作用日益突出，如电机传动、电动汽车、以及太阳能和风能等领域。电力电子系统应用领域的不断扩大，使得其可靠性、寿命、健康监测和预期维护变得非常重要。此外，电力电子系统的最易发生的故障点之一为功率半导体器件，因此研究功率半导体器件的可靠性对于增强系统的可靠性、延长其寿命具有重要的作用。

在电力电子系统中，常用的功率开关器件是IGBT模块，这主要是考虑到下面几个优点：1）IGBT模块可以用于在高电压大电流的环境下；2）IGBT模块具有快速的短路电流处理能力；3）IGBT模块属于压控型器件，故通过门极信号控制器件的开关动作较为容易。由于IGBT模块开关器件，承担着大电流和强电压的切换任务，故其工作条件易于引起一些应力的变化，特别是在高温环境下剧烈的温度波动对其内部的影响。IGBT模块内外部的温度波动是产生热机应力的本质原因，正是这一原因将使得模块结构产生老化损伤。相关研究的结果已经证实了IGBT模块内外环境温度的周期变化可以导致键接线脱落、键接线跟部裂纹、焊料分层和芯片镀铝重构等问题。当上述现象发生时，IGBT模块甚至系统已经遭到不可逆转的损坏。故研究IGBT模块老化，且能预报某些位置点故障即将发生是非常必要的。基于此，寻求容易在线实时测量的，且能明确体现老化过程的外部标识参数是非常重要的。

为了预报IGBT模块的系统故障，需要研究分析系统的故障类型。IGBT模块故障的产生与自身结构、温度、机械、材料、制作工艺等因素有关，其故障类型大约分为两大类：一类为封装级故障，如焊料层疲劳、铝键接线断裂或剥离、DCB基片失效等；另一类为栅氧化层击穿、电过应力、辐射失效等器件级故障。上述故障中，键接线故障是最主要的故障类型之一。这主要是因为95％的功率半导体器件的内部连接方式为引线键合技术，且该项技术既具有可灵活地连接器件内部各部件的优点，又有其自身不可避免的缺点。

键接线故障主要有两种：一种是键接线跟部裂纹，另一种是键接线断裂。键接线的可靠性与键接线的直径粗细和起拱高度有关系。直径越粗键接线的可靠性越差，键接线的起拱高度越低其可靠性越低。此外，影响IGBT模块键接线可靠性的另一重要因素是自身温度的变化，而温度变化是较为随机的，且测温较为困难。因而研究IGBT键接线的脱落和根部裂纹需要提出一种有效的方法，这正是本发明要解决的技术问题。

键接线断裂主要在IGBT和二极管镀铝层与键接线的焊接处。键接线焊接处损坏过程从焊接处裂缝开始，最终导致断裂。依据使用的材料和工作条件的不同，焊料处的老化过程收到多种因素的影响，因而芯片键接线失效机理的物理建模是非常困难的。但由于键接线将IGBT的射极和续流二极管的阳极与整个模块的射极相连接，所以键接线熔断引起的最直接后果为每个单元的一部分IGBT芯片的射极与模块的射极断开。这一点正是本发明解决键接线故障诊断的突破口。

综上所述，监测IGBT模块键接线脱落故障是可以操作和实现的，但是也存在着的难以克服的困难，主要有：

1.功率半导体器件是密封的，判断键接线的故障与否不可以利用开启模块的方法；

2.除少部分厂家的特性型号的功率半导体器件内部植入温度传感器外，通常使用的功率模块不可以在内部放置传感器来监测其健康状态；

3.键接线的故障收到多种外界因素的影响，从故障成因去判断其故障状态较为困难；

4.功率半导体器件故障的产生是一个短暂的时间过程，故要求故障监测系统或装置的监测速度要足够快；

5.目前尚无成熟有效的手段和方面来完成功率半导体器件的故障监测。

（三）发明内容：

本发明的目的在于提供一种IGBT模块内部键接线故障监测系统及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单，故障检测速度快、精度高，有效性好的系统及方法。

本发明的技术方案：一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，包括IGBT功率半导体模块，其特征在于它是包括门极驱动及保护电路单元、集射电压和电流监测单元、门极电压监测单元、底板温度采集单元、控制器单元和人机界面显示单元；其中，所述集射电压和电流监测单元的输入端、门极电压监测单元的输入端和底板温度采集单元的输入端分别采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号、门极电压信号以及底板温度信号，它们的输出端连接控制器单元的输入端；所述控制器单元的输出端分别连接集射电压和电流监测单元的输入端、门极驱动及保护电路单元的输入端以及人机界面显示单元的输入端。

所述IGBT功率半导体模块是基于PWM调制策略的IGBT功率半导体模块；所述IGBT功率半导体模块底部有铜底板，铜底板上安装有测温传感器，与IGBT功率半导体模块内部的DCB（Direct Copper Bonded——直接覆铜技术）基片相对应；所述底板温度监测模块的输入端监测所述IGBT功率半导体模块铜底板上对应的不同DCB基片位置处的温度信息；所述底板温度采集单元是将安装在不同位置处的测温传感器测量的温度信号，通过温度信号变送、转换，从而使得控制器单元可以获得温度信号。

所述测温传感器是热电阻温度传感器；所述热电阻传感器直接贴在铜底板上，所述铜底板下方有散热器，散热器的上面有放置热电阻传感器的位置。

所述IGBT功率半导体模块是双管封装共有4个DCB基片的IGBT功率半导体模块，它包括IGBT芯片A、IGBT芯片B、IGBT芯片C和IGBT芯片D；其中，由IGBT芯片A和IGBT芯片B构成IGBT管A，IGBT芯片C和IGBT芯片D构成IGBT管B。

所述控制器单元包括模数转换模块I、数据接口模块和故障诊断模块；其中，所述模数转换模块I的输入端分别连接集射电压和电流监测单元的输出端以及门极电压监测单元的输出端，同时与数据接口模块呈双向连接；所述数据接口模块与故障诊断模块呈双向连接的同时，其输入端还接收由底板温度采集单元输出的信号，其输出端将反馈信号回馈给集射电压和电流监测单元和门极驱动及保护电路单元。

所述控制器单元采用芯片DSP TMS3202812。

所述集射电压和电流监测单元是由集射电压和电流采集电路和信号调理模块I构成；其中集射电压和电流采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号以及接收控制器单元的反馈信号，其输出端连接信号调理模块I的输入端；所述信号调理模块I的输出端连接控制器单元的输入端。

所述集射电压和电流采集电路是完成对IGBT功率半导体模块集电极和射极之间的电压、以及集电极电流的测量任务的电路模块；它是由集射电流的取样电阻Rs和继电器构成；所述信号调理模块I是由光电隔离单元A、光电隔离单元B、电阻R1、电阻R5、可变电阻R2、可变电阻R3、可变电阻R4、可变电阻R6、可变电阻R7、可变电阻R8、运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C和运算放大器D组成；所述IGBT功率半导体模块的集电极和射极之间的电压信号经继电器与信号调理模块I中的光电隔离单元A的一个输入端连接；所述IGBT功率半导体模块中集电极和射极之间流过的电流则通过取样电阻Rs取样后，作为集射极间电压和电流监测电路的输出信号，接入信号调理模块I中的光电隔离单元B的输入端以及光电隔离单元A的另一个输入端；所述光电隔离单元A的输出端经电阻R1与运算放大器A的反向输入端连接；所述运算放大器A的反向端经可变电路R3与运算放大器A的输出端以及运算放大器B的反向输入端连接；所述运算放大器A的同向输入端则经可变电阻R2接地；所述运算放大器B的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经可变电阻R4接地；其输出端输出经过调理后的IGBT集射极间电压信号，该信号作为信号调理模块I的输出信号输入到控制器单元中的模数转换模块I的输入端；所述光电隔离单元B的输出端经电阻R5与运算放大器C的反向输入端连接；所述运算放大器C的反向输入端经可变电阻R7与其输出相连接，其同向输入端经可变电阻R6接地；其输出端连接运算放大器D的反向输入端；所述运算放大器D的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经过可变电阻R8接地，其输出端输出信号为表征集电极与射极流过的电流信号大小的电压信号，该电压为信号调理模块I的另一个输出信号输入到控制器单元中的模数转换模块I的输入端，并通过数据接口模块传送到故障诊断模块。

所述光电隔离单元A和光电隔离单元B采用HCPL7840。

所述运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C和运算放大器D选用AD844。

所述门极电压监测单元是由门极电压采集电路和信号调理模块II构成；其中，所述门极电压采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的门极电压信号，其输出端连接信号调理模块II的输入端；所述信号调理模块II的输出端连接控制器单元的输入端。

所述门极电压采集电路是实时测取IGBT功率半导体模块门极电压的电路，它是由电感L_es、光电隔离单元C、光电隔离单元D、运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G、可变电阻R9组成；其中，所述电感L_es一端连接IGBT功率半导体模块的射极同时连接光电隔离单元D的一个输入端；所述电感L_es另一端连接光电隔离单元D的另一个输入端，同时接地；所述光电隔离单元C的一个输入端与IGBT功率半导体模块的门极连接，同时连接门极驱动及保护电路的输出端，其另一个输入端接地；所述光电隔离单元C的两个输出端分别连接运算放大器E的同向输入端和反向输入端；所述光电隔离单元D的两个输出端分别连接运算放大器F的同向输入端和反向输入端；所述运算放大器F的反向输入端经可变电阻R9与其输出端连接，其输出端连接运算放大器G的反向输入端；所述运算放大器G的正向输入端连接运算放大器E的输出端，其输出端连接信号调理模块II的输入端。

所述信号调理模块II是由电阻R10、电阻R12、可变电阻R11和运算放大器H构成；其中，所述运算放大器H的反向输入端经电阻R10与运算放大器G的输出端连接，同时经可变电阻R11与其输出端连接，其正向输入端则经电阻R12接地，其输出端连接控制器单元的模数转换模块I的输入端。

所述光电隔离单元C和光电隔离单元D采用HCPL7840。

所述运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G和运算放大器H选用AD844。

所述底板温度采集单元是由底板温度采集电路、温度变送模块、多路模拟信号选择开关和模数转换模块II构成；其中，所述底板温度采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的底板温度信号，其输出端连接温度变送模块的输入端；所述多路模拟信号选择开关的输入端接收温度变送模块送出的温度信号，将其输出到模数转换模块II中；所述模数转换模块II的输出端连接控制器单元的输入端。

所述底板温度采集电路是由热电阻Rt1、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4构成；所述温度变送模块是由与4个热电阻相对应的4个温度变送器构成；所述多路模拟信号选择开关是由多路模拟信号选择开关芯片构成，它包括管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚S4B、管脚A0、管脚A1、管脚A2、管脚EN、管脚DB、管脚DA、管脚GND、管脚Vss；所述模数转换模块II是由电容C1、电容C2、AD转化器芯片和AD转化器构成；所述AD转化器芯片有管脚Vin（+）A、管脚Vin（+）B、管脚Vin（-）A、管脚Vin（-）B、管脚Vref、管脚AGND、管脚DGND、管脚DB0、管脚DB1、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8、管脚DB9；其中，所述IGBT功率半导体模块底板不同位置的温度由四个热电阻采集；所述热电阻Rt1、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4采用三线制接法分别接入与其对应的温度变送模块中的温度变送器中，所述温度变送器采用24V的直流电源供电；所述温度变送器输出的信号分别接入多路模拟信号选择开关芯片的管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚S4B；所述多路模拟信号选择开关芯片采用12V的直流电源供电，其管脚A0、管脚A1、管脚A2和管脚EN连接控制器单元的数据接口模块，用于接收控制器单元发出的选择模拟信号通道的指令，其管脚GND与管脚Vss短接并接地；所述管脚DA、管脚DB作为多路模拟信号选择开关的输出端连接模数转换器芯片的输入端，即管脚Vin（+）A、管脚Vin（+）B、管脚Vin（-）A与管脚Vin（-）B；所述管脚Vin（+）A和管脚Vin（+）B短接；所述管脚Vin（-）A和管脚Vin（-）B短接；所述AD转换器芯片的管脚AGND和管脚DGND短接并接地；所述管脚Vref与AD转化器的AD-E端连接，所述AD转化器的的AD+E端接+5V直流电压；所述AD转化器的AD-E端与地之间分别接电容C1和电容C2；所述AD转换器芯片的管脚DB0、管脚DB1、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8以及管脚DB9连接控制器单元的数据接口模块的输入端，将温度数据传送到故障诊断模块；所述故障诊断模块经数据接口模块输出对AD转换器芯片和多路模拟信号选择开关芯片的控制指令。

所述多路模拟信号选择开关芯片采用芯片ADG507A。

所述AD转换器芯片采用芯片AD7580。

所述AD转换器采用AD580。

所述电容C1是电容量为10μF的有极性电容；所述电容C2是电容量为0.1μF的无极性电容。

一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

（1）通过底板温度采集单元测量诊断IGBT功率半导体模块的DCB基片温度是否超温来判断模块中发生故障的DCB基片；

①由底板温度采集单元对IGBT功率半导体模块中与每个IGBT管所在的DCB基片对应的温度传感器进行监测，将采集的底板温度信号通过温度变送模块、多路模拟信号选择开关输送到模数转换模块II中，将信号转换为控制器单元可以接受的信号，传送给控制器单元内置数据接口模块；

②数模装换模块2则将实时监测到的IGBT功率半导体模块的不同DCB基片对应的温度信号进行数模转换，并将模拟信号转化成数字信号，输出给控制器单元的数据接口模块，经过控制内的故障诊断模块，对故障进行分析和判别；

③当实测底板温度与理想温度值相比过高时，证明与该DCB基片对应的IGBT芯片发生故障；

④基于温度传感器热电阻Rt1、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4所测量的温度值，结合步骤③判断的的故障模式，由于热电阻Rt1、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4的布置位置为IGBT芯片所在的DCB基片下方对应的底板处，故较易于判断出发生故障的IGBT芯片所在的位置，可以初步判定IGBT功率半导体模块内部发生故障的IGBT管及IGBT管包含的故障的IGBT芯片。

（2）通过采用门极和射极之间的电压测量信号诊断IGBT功率半导体模块内部发生故障的IGBT芯片是否为键接线落故障；

①由门极电压监测单元对IGBT功率半导体模块内的IGBT的门极电压进行监测，并将该电压信号进行经光电信号调理模块II中的隔离和电平变换后，输出给控制器单元内部的模数转换模块I；

②IGBT功率半导体模块射极外接小电感L_es用于抵消IGBT功率半导体模块内部电感L_e对门极电压信号测量精度的影响，两个小电感上的电压经过运放组成的差分输入电路后，得到精确的门极电压信号；

③当实测门极电压信号与理想门极电压信号相比，其平台期持续时间减小时，证明该IGBT芯片为键接线脱落故障；如果平台持续时间不变，则需要通过步骤（3）的方法进一步判断；

④只有当某一IGBT芯片上的键接线全部脱落时，门极电压的平台期才会发生变化，故该步骤是用于键接线故障较严重的情况；如果键接线故障较轻微，则需要采用步骤（3）来进一步判别；

（3）通过采用集电极和射极之间的电压和电流测量信号诊断IGBT功率半导体模块内部发生故障的芯片是否为键接线脱落故障；

①由集射电压和电流监测单元对IGBT功率半导体模块的集射集电压和电流进行监测；

②测量集射极间电压是在IGBT管导通时进行的，并通过继电器控制IGBT管的开通和关断来控制电压信号接通和断开；继电器的控制信号和IGBT管的门极PWM控制信号是一致的；当继电器闭合时，集射极间电压通过信号调理模块I接入控制器单元的模数转换模块I；反之，如果继电器断开，集射电压不进行测量；

③集射极流过的电流通过接入电路中的小阻值的取样电阻Rs将其变为电压形式，经信号隔离电路进行信号隔离，通过运放运算放大器构建的电路实现电平转换，最后接入控制的模数转换模块I中；

④通过测量获得的集射电压和电流可以计算出实时的集电极与射极之间的寄生电感的数值，将该数值与健康的IGBT功率半导体模块的集电极和射极之间的寄生电感进行比较，可以判断出IGBT功率半导体模块内部的IGBT芯片故障类型是否为键接线故障；

⑤为了确定IGBT功率半导体模块内部键接线故障的严重程度，即掌握键接线故障的数量，可以通过④步计算出的寄生电感量与每根键接线故障后的标定电感量相比对，从而计算出故障的键接线数量。

所述步骤（1）的第③步中判别IGBT芯片故障的模式包括以下16种，设定当温度传感器所测温度值高于理想温度值时，定义为状态“1”；反之，定义为状态“0”；则：

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0000”时，DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度均低于理想温度值时，此时IGBT功率半导体模块工作状态正常；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0001”时，DCB基片D的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B的IGBT芯片D故障，IGBT管A工作正常；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0010”时，DCB基片C的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B的IGBT芯片C故障，IGBT管A工作正常；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0011”时，DCB基片C和DCB基片D的温度均高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B的IGBT芯片C和IGBT芯片D均故障，IGBT管A工作正常；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0100”时，DCB基片B的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B故障，IGBT管B工作正常；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0101”时，DCB基片B和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片A和DCB基片C温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B、IGBT管B的IGBT芯片D均发生故障；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0110”时，DCB基片B和DCB基片C的温度高于理想温度值，DCB基片A和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B、IGBT管B的IGBT芯片D发生故障；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0111”时，DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度均高于理想温度值，DCB基片A的温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B发生故障，IGBT管B的IGBT芯片C和IGBT芯片D均发生故障；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1000”时，DCB基片A的温度高于理想温度值，DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A发生故障，IGBT管B工作正常；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1001”时，DCB基片A和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片B和DCB基片C温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A、IGBT管B的IGBT芯片D均发生故障；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1010”时，DCB基片A和DCB基片C的温度高于理想温度值，DCB基片B和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A、IGBT管B的IGBT芯片C均发生故障；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1011”时，DCB基片A、DCB基片C和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片B温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A发生故障，IGBT管B的IGBT芯片C和IGBT芯片D均发生故障；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1100”时，DCB基片A和DCB基片B的温度高于理想温度值，DCB基片C和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A和IGBT芯片B均发生故障，IGBT管B工作正常；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1101”时，DCB基片A、DCB基片B和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片C温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A和IGBT芯片B均发生故障，IGBT管B的IGBT芯片D发生故障；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1110”时，DCB基片A、DCB基片B和DCB基片C的温度高于理想温度值，DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A和IGBT芯片B均发生故障，IGBT管B的IGBT芯片C发生故障；

当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1111”时，DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度均高于理想温度值，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A和IGBT管B均是完全故障状态。

本发明的工作原理：IGBT功率半导体模块内部键接线故障诊断的思路：IGBT功率半导体模块是全封闭的结构，内部的故障信息无法从外观或者表面直接辨别出来。本发明从IGBT模块外部的可用电信号和温度信息两个角度相互配合的思路来完成对其内部键接线故障的实时诊断，具体包括：首先，利用IGBT功率半导体模块底板处的温度信息来辨别其内部发生故障的DCB基片，从而初步判定该模块内部哪一个IGBT管的哪个IGBT芯片发生了故障。但是到底发生了何种故障？仅从这一温度信息中还是无法得知；其次，利用IGBT功率半导体模块内部键接线的连接规律，可发现键接线故障与模块的外部端子间的等效电容和寄生电感的大小直接相关。而等效电容和寄生电感又直接影响着IGBT功率半导体模块的极间电压和电流波形，故通过极间电压和电流的波形信息可以判断已经发生故障的IGBT芯片是不是属于键接线故障。在键接线故障已判定的前提下，本发明还要求判断出其故障的严重程度，即故障的键接线数量；再次，为了确定IGBT功率半导体模块内部键接线的故障数量，需研究不同键接线数量对IGBT功率半导体模块极间电压和电流，尤其是集电极和射极之间的电压和电流的影响。而极间电压和电流与键接线数量的影响关系是通过两极之间的寄生电感建立的；最后，基于上述三方面的研究思路，可以精确地判定IGBT功率半导体模块内部键接线故障的位置和程度，以便于给出相应的维护和处理措施。

IGBT功率半导体模块内部键接线故障的相关理论及方法：主要研究IGBT功率半导体模块内部键接线故障对极间等效电容和寄生电感的影响，具体包括：首先，本发明研究键接线故障对门极与射极之间的集射极间等效电容的影响。提出将IGBT功率半导体模块内部键接线故障对门射极间等效电容的影响用于监测键接线故障。研究不同程度的键接线故障对极间等效电容的影响。构建不同键接线数量与故障程度的直接关系；其次，本发明研究键接线故障对门极与集电极之间的门集等效电容的影响。门集等效电容与键接线故障的关系与门射等效电容的机理类似，区别仅在于电信号表现形式上的差异。门集等效电容对PWM调制策略下的功率器件的门极电信号影响更易于检测到；最后，本发明研究键接线故障对集电极与射极之间的寄生电感的影响。本发明提出利用寄生电感来间接评估键接线的故障数量，即当不同数量的键接线故障时，集射极间的寄生电感会发生相应地变化，如果同时测取集射极间的电流，则可利用相关公式推断出键接线的故障数量。

集射电压的测量是在IGBT功率半导体器件导通的时候测量的，因而需要设置一个继电器来控制检测电路的通断，继电器的控制信号由控制器发出。当继电器闭合时，集射电压通过信号调理模块I与控制器中的模数转换模块I相连接。集电极流过电流的测量需要在射极设置一个电阻值较小的电流取样电阻Rs，集电极电流流过取样电阻Rs时，会产生一个电压信号。这个表征电流值的电压信号经过信号调理模块I后接入控制器的模数转换模块I。

门极电压的测量是实时测取门极电压信号，该信号经门极电压监测电路、信号调理模块II与控制器的模数转换模块II相连接。为了提高门极电压的测量精度，需要考虑射极寄生电感L_e的影响。在IGBT功率半导体模块射极下方接入小电感L_es，该电感量与射极寄生电感L_e相等。将门极电压和L_es两端的电压在门极电压监测电路内进行比较，以得到真实的门极电压信号。其中L_es输出电压经光电隔离单元D与具有可调增益的运算放大器相连，目的为了调节L_es两端的电压信号的幅值，使得L_es的电压刚好补偿射极寄生电感L_e产生的电压降。经过上述处理后，所得到实际的门极电压，经信号调理模块II送入控制器的模数转换模块I。

信号调理模块I和信号调理模块II主要完成电平变换、信号隔离等工作任务。信号调理模块I主要完成信号隔离和电平变换功能。信号调理模块II主要完成电平变换功能。

模数转换模块I和模数转换模块II主要将模拟信号转换成数字信号。模数转换模块I用于将所检测的门极电压、集射电压和集电极电流转换为对应的数字信号。模数转换模块II用来将IGBT功率半导体模块的温度信号转换为相对应的数字信号。

故障诊断模块是通过不同数据采集模块获得的信息，根据信息汇总后判别得出发生故障的部位。该模块是通过控制器的软件编程来实现的。

本发明的优越性在于：①是一种基于IGBT功率半导体模块外部可测电信号的、快速的、准确的故障监测方法；②可以对IGBT功率半导体模块内部键接线故障进行实时监测；③以IGBT功率半导体模块外部可测的电信号为监测对象，充分利用电信号的快速性，通过研究键接线故障对外部可测电信号的影响，实现对键接线故障的程度进行实时监测；④准确度较高，可以将其与现有的驱动板融合在一起，具有可商业化利用的前景；⑤该监测方案是以PWM控制策略为基础的，对于开关控制的功率半导体器件具有通用性。

（四）附图说明：

图1为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的整体结构框图；

图2-a、图2-b、图2-c为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中IGBT功率半导体模块底板温度测量及温度传感器布置示意图（其中，图2-a为开启外封装的IGBT模块内部结构俯视图；图2-b为开启外封装的IGBT模块内部结构侧视图；图2-c为IGBT模块测量底板温度的传感器布置位置图）；

图3 为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中集射电压和电流监测单元的电路结构示意图；

图4 为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中门极电压监测单元的电路结构示意图；

图5 为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中底板温度采集单元的电路结构示意图；

图6 为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的三相PWM整流器为例的IGBT功率半导体模块内部键接线故障监测系统结构原理图；

图7 为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中IGBT功率半导体模块中IGBT芯片内部结构电容的分布示意图；

图8为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统在1kHz开关频率下的IGBT功率半导体模块的关断瞬间的V_ce电压变化曲线示意图。

其中，1为DCB基片A；2为DCB基片B；3为DCB基片C；4为DCB基片D；5为二极管芯片A；6为二极管芯片B；7为二极管芯片C；8为二极管芯片D；9为IGBT芯片A；10为IGBT芯片B；11为IGBT芯片C；12为IGBT芯片D；13为IGBT管A；14为IGBT管B；15为铜底板；16为散热器；17为热电阻Rt1；18为热电阻Rt2；19为热电阻Rt3；20为热电阻Rt4；21为耗尽层边界；22为N-漂移区；23为N+缓冲层；24为P+射极；25为射极镀铝层；26为多晶硅；27为氧化物。

（五）具体实施方式：

实施例：一种IGBT模块内部键接线故障监测系统（见图1），包括IGBT功率半导体模块，其特征在于它是包括门极驱动及保护电路单元、集射电压和电流监测单元、门极电压监测单元、底板温度采集单元、控制器单元和人机界面显示单元；其中，所述集射电压和电流监测单元的输入端、门极电压监测单元的输入端和底板温度采集单元的输入端分别采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号、门极电压信号以及底板温度信号，它们的输出端连接控制器单元的输入端；所述控制器单元的输出端分别连接集射电压和电流监测单元的输入端、门极驱动及保护电路单元的输入端以及人机界面显示单元的输入端。

所述IGBT功率半导体模块（见图2）是基于PWM调制策略的IGBT功率半导体模块；所述IGBT功率半导体模块底部有铜底板15，铜底板15上安装有测温传感器17~20，与IGBT功率半导体模块内部的DCB（DirectCopper Bonded——直接覆铜技术）基片A~D相对应；所述底板温度监测模块的输入端监测所述IGBT功率半导体模块铜底板15上对应的不同DCB基片位置处的温度信息；所述底板温度采集单元是将安装在不同位置处的测温传感器测量的温度信号，通过温度信号变送、转换，从而使得控制器单元可以获得温度信号。

所述测温传感器（见图2）是热电阻温度传感器17~20；所述热电阻传感器17~20直接贴在铜底板15上，所述铜底板下方有散热器16，散热器16的上面有放置热电阻传感器17~20的位置。

所述IGBT功率半导体模块（见图2）是双管封装共有4个DCB基片的IGBT功率半导体模块，它包括IGBT芯片A9、IGBT芯片B10、IGBT芯片C11和IGBT芯片D12；其中，由IGBT芯片A9和IGBT芯片B10构成IGBT管A13，IGBT芯片C11和IGBT芯片D12构成IGBT管B14。

所述控制器单元（见图1）包括模数转换模块I、数据接口和故障诊断模块；其中，所述模数转换模块I的输入端分别连接集射电压和电流监测单元的输出端以及门极电压监测单元的输出端，同时与数据接口呈双向连接；所述数据接口与故障诊断模块呈双向连接的同时，其输入端还接收由底板温度采集单元输出的信号，其输出端将反馈信号回馈给集射电压和电流监测单元和门极驱动及保护电路单元。

所述控制器单元采用芯片DSP TMS3202812（见图3、图4、图5）。

所述集射电压和电流监测单元（见图1、图3）是由集射电压和电流采集电路和信号调理模块I构成；其中集射电压和电流采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号以及接收控制器单元的反馈信号，其输出端连接信号调理模块I的输入端；所述信号调理模块I的输出端连接控制器单元的输入端。

所述集射电压和电流采集电路（见图3）是完成对IGBT功率半导体模块集电极和射极之间的电压、以及集电极电流的测量任务的电路模块；它是由集射电流的取样电阻Rs和继电器构成；所述信号调理模块I是由光电隔离单元A、光电隔离单元B、电阻R1、电阻R5、可变电阻R2、可变电阻R3、可变电阻R4、可变电阻R6、可变电阻R7、可变电阻R8、运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C和运算放大器D组成；所述IGBT功率半导体模块的集电极和射极之间的电压信号经继电器与信号调理模块II中的光电隔离单元A的一个输入端连接；所述IGBT功率半导体模块中集电极和射极之间流过的电流则通过取样电阻Rs取样后，作为集射极间电压和电流监测电路的输出信号，接入信号调理模块I中的光电隔离单元B的光电耦合单元2的输入端以及光电隔离单元A的另一个输入端；所述光电隔离单元A的输出端经电阻R1与运算放大器A的反向输入端连接；所述运算放大器A的反向端经可变电路R3与运算放大器A的输出端以及运算放大器B的反向输入端连接；所述运算放大器A的同向输入端则经可变电阻R2接地；所述运算放大器B的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经可变电阻R4接地；其输出端输出经过调理后的IGBT集射极间电压信号，该信号作为信号调理模块I的输出信号输入到控制器单元中的模数转换器2的输入端；所述光电隔离单元B的输出端经电阻R5与运算放大器C的反向输入端连接；所述运算放大器C的反向输入端经可变电阻R7与其输出相连接，其同向输入端经可变电阻R6接地；其输出端连接运算放大器D的反向输入端；所述运算放大器D的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经过可变电阻R8接地，其输出端输出信号为表征集电极与射极流过的电流信号大小的电压信号，该电压为信号调理模块I的另一个输出信号输入到控制器单元中的模数转换模块I的输入端，并通过数据接口模块传送到故障诊断模块。

所述光电隔离单元A和光电隔离单元B采用HCPL7840（见图3）。

所述运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C和运算放大器D选用AD844（见图3）。

所述门极电压监测单元（见图1、图4）是由门极电压采集电路和信号调理模块II构成；其中，所述门极电压采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的门极电压信号，其输出端连接信号调理模块II的输入端；所述信号调理模块II的输出端连接控制器单元的输入端。

所述门极电压采集电路（见图4）是实时测取IGBT功率半导体模块门极电压的电路，它是由电感L_es、光电隔离单元C、光电隔离单元D、运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G、可变电阻R9组成；其中，所述电感L_es一端连接IGBT功率半导体模块的射极同时连接光电隔离单元D的一个输入端；所述电感L_es另一端连接光电隔离单元D的另一个输入端，同时接地；所述光电隔离单元C的一个输入端与IGBT功率半导体模块的门极连接，同时连接门极驱动及保护电路的输出端，其另一个输入端接地；所述光电隔离单元C的两个输出端分别连接运算放大器E的同向输入端和反向输入端；所述光电隔离单元D的两个输出端分别连接运算放大器F的同向输入端和反向输入端；所述运算放大器F的反向输入端经可变电阻R9与其输出端连接，其输出端连接运算放大器G的反向输入端；所述运算放大器G的正向输入端连接运算放大器E的输出端，其输出端连接信号调理模块I的输入端。

所述信号调理模块II（见图4）是由电阻R10、电阻R12、可变电阻R11和运算放大器H构成；其中，所述运算放大器H的反向输入端经电阻R10与运算放大器G的输出端连接，同时经可变电阻R11与其输出端连接，其正向输入端则经电阻R12接地，其输出端连接控制器单元的模数转换模块I的输入端。

所述光电隔离单元C和光电隔离单元D采用HCPL7840（见图4）。

所述运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G和运算放大器H选用AD844（见图4）。

所述底板温度采集单元（见图1、图5）是由底板温度采集电路、温度变送模块、多路模拟信号选择开关和模数转换模块II构成；其中，所述底板温度采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的底板温度信号，其输出端连接温度变送模块的输入端；所述多路模拟信号选择开关的输入端接收温度变送模块送出的温度信号，将其输出到模数转换模块II中；所述模数转换模块II的输出端连接控制器单元的输入端。

所述底板温度采集电路（见图5）是由热电阻Rt1、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4构成；所述温度变送模块是由与4个热电阻相对应的4个温度变送器构成；所述多路模拟信号选择开关是由多路模拟信号选择开关芯片构成，它包括管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚S4B、管脚A0、管脚A1、管脚A2、管脚EN、管脚DB、管脚DA、管脚GND、管脚Vss；所述模数转换模块II是由电容C1、电容C2、AD转化器芯片和AD转化器构成；所述AD转化器芯片有管脚Vin（+）A、管脚Vin（+）B、管脚Vin（-）A、管脚Vin（-）B、管脚Vref、管脚AGND、管脚DGND、管脚DB0、管脚DB1、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8、管脚DB9；其中，所述IGBT功率半导体模块底板不同位置的温度由四个热电阻采集；所述热电阻Rt1、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4采用三线制接法分别接入与其对应的温度变送模块中的温度变送器中，所述温度变送器采用24V的直流电源供电；所述温度变送器输出的信号分别接入多路模拟信号选择开关芯片的管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚S4B；所述多路模拟信号选择开关芯片采用12V的直流电源供电，其管脚A0、管脚A1、管脚A2和管脚EN连接控制器单元的数据接口模块，用于接收控制器单元发出的选择模拟信号通道的指令，其管脚GND与管脚Vss短接并接地；所述管脚DA、管脚DB作为多路模拟信号选择开关的输出端连接模数转换器芯片的输入端，即管脚Vin（+）A、管脚Vin（+）B、管脚Vin（-）A与管脚Vin（-）B；所述管脚Vin（+）A和管脚Vin（+）B短接；所述管脚Vin（-）A和管脚Vin（-）B短接；所述AD转换器芯片的管脚AGND和管脚DGND短接并接地；所述管脚Vref与AD转化器的AD-E端连接，所述AD转化器的的AD+E端接+5V直流电压；所述AD转化器的AD-E端与地之间分别接电容C1和电容C2；所述AD转换器芯片的管脚DB0、管脚DB1、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8以及管脚DB9连接控制器单元的数据接口模块的输入端，将温度数据传送到故障诊断模块；所述故障诊断模块经数据接口模块输出对AD转换器芯片和多路模拟信号选择开关芯片的控制指令。

所述多路模拟信号选择开关芯片采用芯片ADG507A（见图5）。

所述AD转换器芯片采用芯片AD7580（见图5）。

所述AD转换器采用AD580（见图5）。

所述电容C1是电容量为10μF的有极性电容；所述电容C2是电容量为0.1μF的无极性电容（见图5）。

④基于温度传感器热电阻Rt1（17）、热电阻Rt2（18）、热电阻Rt3(19)和热电阻Rt4(20)所测量的温度值，结合步骤③判断的的故障模式，由于热电阻Rt1（17）、热电阻Rt2（18）、热电阻Rt3(19)和热电阻Rt4(20)的布置位置为IGBT芯片所在的DCB基片下方对应的铜底板15处，故较易于判断出发生故障的IGBT芯片所在的位置，可以初步判定IGBT功率半导体模块内部发生故障的IGBT管及IGBT管包含的故障的IGBT芯片。

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0000”时，DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度均低于理想温度值时，此时IGBT功率半导体模块工作状态正常；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0001”时，DCB基片D4的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B14的IGBT芯片D12故障，IGBT管A13工作正常；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0010”时，DCB基片C3的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B14的IGBT芯片C11故障，IGBT管A13工作正常；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0011”时，DCB基片C3和DCB基片D4的温度均高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B14的IGBT芯片C11和IGBT芯片D12均故障，IGBT管A13工作正常；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0100”时，DCB基片B2的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片B10故障，IGBT管B14工作正常；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0101”时，DCB基片B2和DCB基片D4的温度高于理想温度值，DCB基片A1和DCB基片C3温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片B10、IGBT管B14的IGBT芯片D12均发生故障；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0110”时，DCB基片B2和DCB基片C3的温度高于理想温度值，DCB基片A1和DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片B10、IGBT管B14的IGBT芯片D12发生故障；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0111”时，DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度均高于理想温度值，DCB基片A1的温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片B10发生故障，IGBT管B14的IGBT芯片C11和IGBT芯片D12均发生故障；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“1000”时，DCB基片A1的温度高于理想温度值，DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9发生故障，IGBT管B14工作正常；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“1001”时，DCB基片A1和DCB基片D4的温度高于理想温度值，DCB基片B2和DCB基片C3温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9、IGBT管B14的IGBT芯片D12均发生故障；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“1010”时，DCB基片A1和DCB基片C3的温度高于理想温度值，DCB基片B2和DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9、IGBT管B14的IGBT芯片C11均发生故障；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“1011”时，DCB基片A1、DCB基片C3和DCB基片D4的温度高于理想温度值，DCB基片B2温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9发生故障，IGBT管B14的IGBT芯片C11和IGBT芯片D12均发生故障；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“1100”时，DCB基片A1和DCB基片B2的温度高于理想温度值，DCB基片C3和DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9和IGBT芯片B10均发生故障，IGBT管B14工作正常；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“1101”时，DCB基片A1、DCB基片B2和DCB基片D4的温度高于理想温度值，DCB基片C3温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9和IGBT芯片B10均发生故障，IGBT管B14的IGBT芯片D12发生故障；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“1110”时，DCB基片A1、DCB基片B2和DCB基片C3的温度高于理想温度值，DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9和IGBT芯片B10均发生故障，IGBT管B14的IGBT芯片C11发生故障；

当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“1111”时，DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度均高于理想温度值，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13和IGBT管B14均是完全故障状态。

下面结合附图和实例对本发明做进一步介绍：

本发明实例为面向电力电子系统中功率半导体器件的故障诊断方法及其系统的实现，该诊断方法需要四个步骤来完成。该系统是由图1的各部分模块所构成。

第一步：诊断IGBT功率半导体模块的发生故障的IGBT芯片。

图2给出了某种型号的IGBT功率半导体模块内部结构图。该模块是双管封装的，共有4块DCB基片。每块DCB基片上面焊有一片IGBT芯片和一片二极管芯片，IGBT芯片A9和IGBT芯片B10构成IGBT管A13，IGBT芯片C11和IGBT芯片D12构成IGBT管B14。IGBT功率半导体模块内部IGBT芯片故障诊断的策略是温度是否超温，其测量方案如图2所示。在IGBT功率半导体模块内部DCB基片对应的底板下方布置了4个测温传感器Rt1-Rt4，这四个温度传感器实时测取底板温度，并送入故障处理模块，在模块中与正常工作时的理想温度值比较，如果温度过高，则证明该IGBT芯片故障。具体的测温电路如图5所示。

在此步骤，需要理论计算IGBT功率半导体模块的理想温度值。其计算方法为：1）构建IGBT功率半导体模块的传热模型；2）计算IGBT功率半导体模块内部热源的生热量；3）计算IGBT功率半导体模块底板的理想温度。

第二步：诊断IGBT功率半导体模块底板温度异常的故障类型。

前述温度测量方案只能判定IGBT功率半导体模块内部哪一个IGBT芯片处于故障状态，至于是不是键接线故障，尚不能确定。为了进一步确定温度异常升高是键接线故障，可以采用门射和门集之间的极间等效电容来判断。IGBT芯片的内部结构如图7所示。

从图7中可看出，门射等效电容C_ge是由两大部分组成，一部分是由于门极多晶硅26和N+区域形成的结构电容1C_oxs和结构电容2C_s；另一部分是门极多晶硅26和P阱区域的的边缘形成的结构电容3C_oxc和结构电容4C_c。结构电容2 C_s和结构电容4 C_c是分别由门极下的N+区域和P阱形成的耗尽区域电容。四个与C_ge相关的内部结构电容的具体形式和结构如图7所示。依据图7，门射等效电容C_ge可以通过下式计算

C_{ge} = \frac{C_{oxs} C_{s}}{C_{oxs} + C_{s}} + \frac{C_{oxc} C_{c}}{C_{oxc} + C_{c}}

公式(1)

其中

C_{oxs} = ϵ_{0} ϵ_{ox} \frac{A_{ges}}{t_{ox_ge}}, C_{oxc} = ϵ_{0} ϵ_{ox} \frac{A_{gec}}{t_{ox_ge}}

公式 (2)

其中，A_ges表示门极多晶硅和N+区域之间交叠面积；A_gec表示门极多晶硅与P阱区域边缘形成的交叠面积；t_{ox_ge}表示门极多晶硅与N+区域和P阱间的氧化层的厚度；ε₀，ε_ox分别表示真空的介电常数和氧化物27的介电常数。C_s与源N+区域提供的电荷相关；C_c和P阱提供的电荷相关。

门极-集电极之间的极间等效电容C_gc是由门极氧化物电容和门极氧化物下方的耗尽层电容串联而成，如图4所示。因此，门极-集电极的极间等效电容C_gc可用公式（3）计算。

C_{gc} = \frac{C_{oxd} C_{dep}}{C_{oxd} + C_{dep}} = \frac{C_{ox} A a_{i} C_{dep}}{C_{ox} A a_{i} + C_{dep}}

公式(3)

其中，C_ox为IGBT芯片内门极单位面积的氧化物电容；a_i为IGBT芯片内胞与整个焊盘面积的比例；Aa_i表示在一个IGBT芯片焊盘内的内胞面积；C_dep为耗尽层电容。

在低频条件下，依据公式（1）～（3），当键接线发生故障时，电容IGBT功率半导体模块内部键接线脱落减小了产生结构电容的重要参数A_ges and A_gec的值。因而，门射极间的电容减小。同时，门集之间的等效电容C_gc主要受到C_oxd影响。考虑到公式（3）中的C_oxd会因为键接线脱落故障而减小，故C_gc也会减小。尽管键接线故障可以直接影响到IGBT功率半导体模块的极间电容值，但是这些电容值不可以在线测量。本发明采用了直接反映极间等效电容大小的门射极间的电压作为被测量信号，间接体现键接线故障的特征。

当门射极间电压通过图4所示的门射电压监测电路测量后，可以将实测的门射电压与健康的IGBT功率半导体模块的门射电压相比对，即可判别出某一IGBT芯片全部键接线均故障的情况。反之，如果键接线的故障程度较轻时，可以通过下述第三步来完成判断。

第三步：标定IGBT功率半导体模块键接线故障程度与模块外部可测信号之间的关系。

当键接线发生故障时，IGBT功率半导体模块内部引线键合处会发热，这将会导致IGBT芯片结温升高。结温升高将会导致IGBT功率半导体模块外部可测信号发生变化，从而使得影响IGBT功率半导体模块外部输出变化的成因不唯一。因此，为了精确构建键接线故障程度与模块外部可测信号之间的关系，需要控制IGBT芯片结温近似为恒值，并采用人工制作故障的策略来实现。为了尽量保证测量的精度，在测取图8的波形曲线时，尽量保证集电极流过的电流值不变。

图8给出了在键接线脱落的数量不同的前提下，集电极与射极之间电压V_ce在关断时受到寄生电感影响的波形曲线。该曲线是通过图7所示的测量电路来测取。从图8中，可以计算IGBT功率半导体模块集射之间的寄生电感的值。这个寄生电感可以通过下述的关系式进行的理论计算：

V_{pm, ce} = V_{ces} + Δ V_{cem}

(m=1,2,3)公式(4)

其中

Δ V_{cem} = L_{σm} \frac{{di}_{m}}{dt}

公式(5)

式中，V_pm,ce表示V_ce在关断过程中的浪涌电压的峰值；di_m/dt是峰值电压出现时刻的电流下降率，它的数值可以通过电流互感器实时测取；V_ces代表稳态的关断电压；ΔV_cem是V_ce的电压的超调量。公式（5）中的L_σm为寄生电感。键接线脱落故障必然要改变集射之间通路的寄生电感值。为了提取键接线的寄生电感量，需完成下述的计算步骤：

通过测量健康的IGBT功率半导体模块在关断期间的V_ce电压波形获得TR1曲线；

和步骤1类似，通过设定故障的实验，获取TR2和TR3的曲线；

利用公式（4）分别计算ΔV_ce1，ΔV_ce2和 ΔV_ce3；

利用公式（5）分别计算L_σ1，L_σ2和L_σ3。

依据上述的计算步骤可以计算集射之间的电压降、寄生电感和键接线的脱落数量之间的关系。通过此步骤进一步确定IGBT芯片的故障是否为键接线故障。

第四步：确定IGBT功率半导体模块的键接线故障的程度，定位故障的IGBT芯片，并实时给出处理措施。

根据前三步所阐述的步骤和流程，在得知键接线故障程度后，可采取相应的处理措施。第二步和第三步相结合不但可以判断出导致IGBT功率半导体模块底板温度异常的故障是否为键接线故障，而且还可以确定出是哪个IGBT芯片出了故障，发生故障的键接线的数量是几根。图6给出了以三相PWM整流电路为例的IGBT功率半导体模块键接线故障监测的系统硬件设计原理图。通常在得到键接线故障的信息后，应对功率模块采取封锁脉冲，停机检修的处理措施。

Claims

1.一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，包括IGBT功率半导体模块，其特征在于它是包括门极驱动及保护电路单元、集射电压和电流监测单元、门极电压监测单元、底板温度采集单元、控制器单元和人机界面显示单元；其中，所述集射电压和电流监测单元的输入端、门极电压监测单元的输入端和底板温度采集单元的输入端分别采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号、门极电压信号以及底板温度信号，它们的输出端连接控制器单元的输入端；所述控制器单元的输出端分别连接集射电压和电流监测单元的输入端、门极驱动及保护电路单元的输入端以及人机界面显示单元的输入端。

2.根据权利要求1所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述IGBT功率半导体模块是基于PWM调制策略的IGBT功率半导体模块；所述IGBT功率半导体模块底部有铜底板，铜底板上安装有测温传感器，与IGBT功率半导体模块内部的DCB基片相对应；所述底板温度监测模块的输入端监测所述IGBT功率半导体模块铜底板上对应的不同DCB基片位置处的温度信息；所述底板温度采集单元是将安装在不同位置处的测温传感器测量的温度信号，通过温度信号变送、转换，从而使得控制器单元可以获得温度信号。

3.根据权利要求2所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述测温传感器是热电阻温度传感器；所述热电阻传感器直接贴在铜底板上，所述铜底板下方有散热器，散热器的上面有放置热电阻传感器的位置。

4.根据权利要求1所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述IGBT功率半导体模块是双管封装共有4个DCB基片的IGBT功率半导体模块，它包括IGBT芯片A、IGBT芯片B、IGBT芯片C和IGBT芯片D；其中，由IGBT芯片A和IGBT芯片B构成IGBT管A，IGBT芯片C和IGBT芯片D构成IGBT管B。

5.根据权利要求1所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述控制器单元包括模数转换模块I、数据接口模块和故障诊断模块；其中，所述模数转换模块I的输入端分别连接集射电压和电流监测单元的输出端以及门极电压监测单元的输出端，同时与数据接口模块呈双向连接；所述数据接口模块与故障诊断模块呈双向连接的同时，其输入端还接收由底板温度采集单元输出的信号，其输出端将反馈信号回馈给集射电压和电流监测单元和门极驱动及保护电路单元。

6.根据权利要求1所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述集射电压和电流监测单元是由集射电压和电流采集电路和信号调理模块I构成；其中集射电压和电流采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号以及接收控制器单元的反馈信号，其输出端连接信号调理模块I的输入端；所述信号调理模块I的输出端连接控制器单元的输入端；

7.根据权利要求1所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于门极电压监测单元是由门极电压采集电路和信号调理模块II构成；其中，所述门极电压采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的门极电压信号，其输出端连接信号调理模块II的输入端；所述信号调理模块II的输出端连接控制器单元的输入端；

所述门极电压采集电路是实时测取IGBT功率半导体模块门极电压的电路，它是由电感L_es、光电隔离单元C、光电隔离单元D、运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G、可变电阻R9组成；其中，所述电感L_es一端连接IGBT功率半导体模块的射极同时连接光电隔离单元D的一个输入端；所述电感L_es另一端连接光电隔离单元D的另一个输入端，同时接地；所述光电隔离单元C的一个输入端与IGBT功率半导体模块的门极连接，同时连接门极驱动及保护电路的输出端，其另一个输入端接地；所述光电隔离单元C的两个输出端分别连接运算放大器E的同向输入端和反向输入端；所述光电隔离单元D的两个输出端分别连接运算放大器F的同向输入端和反向输入端；所述运算放大器F的反向输入端经可变电阻R9与其输出端连接，其输出端连接运算放大器G的反向输入端；所述运算放大器G的正向输入端连接运算放大器E的输出端，其输出端连接信号调理模块II的输入端；

8.根据权利要求1所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述底板温度采集单元是由底板温度采集电路、温度变送模块、多路模拟信号选择开关和模数转换模块II构成；其中，所述底板温度采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的底板温度信号，其输出端连接温度变送模块的输入端；所述多路模拟信号选择开关的输入端接收温度变送模块送出的温度信号，将其输出到模数转换模块II中；所述模数转换模块II的输出端连接控制器单元的输入端；

9.一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤：

10.根据权利要求9所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的工作方法，其特征在于所述步骤（1）的第③步中判别IGBT芯片故障的模式包括以下16种，设定当温度传感器所测温度值高于理想温度值时，定义为状态“1”；反之，定义为状态“0”；则：