CN104090224A - 一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及检测方法，其通过控制有源开关器件的通断，使得功率二极管模块在开通和关断状态之间切换，当功率二极管模块由导通切换至关断时，流经功率二极管模块的电流将换流至互补的开关管，功率二极管模块的反向恢复电流会在换流回路的杂散电感上产生相应的感应电压，该感应电压不仅与二极管模块的反向恢复电流有关同时还包含二极管模块的温度信息。本发明使用一个低压的幅值检测电路就可以将包含温度信息的反向恢复电流变化情况在互补开关管上测量出来，且不需要额外的高压无源辅助元件，在驱动电路发送控制信号的同时，捕获反向恢复电流引起的变化电压，具有较高的精度和实时性。

Description

一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及检测方法

技术领域

本发明属于电力电子器件检测技术领域，具体涉及一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及检测方法。

背景技术

功率器件在运行工况中的结温是电力电子装置中最重要的参数。随着功率器件运行结温的不同，功率器件的损耗、运行轨迹、峰值电压和峰值电流等重要的电气参数都会随之变化。功率器件的最高运行结温限制不仅影响了电力电子装置的极限运行工况，而且还影响散热器的设计裕量和设计准则。因此，获取电力电子器件在运行工况下的结温变化情况，可以确保电力电子装置运行在安全工作区域，进一步更可以为装置的运行寿命提供重要信息。

通常检测功率器件结温的方法主要分为四类：(1)利用高速红外热成像仪对功率器件进行热扫面，获取整个模块的温度分布信息；(2)在功率器件封装内部或者散热器附近安装热电阻或者热电偶间接测量功率芯片的结温变化情况，这属于直接接触式温度检测方法；(3)利用漏电流、饱和电流下的压降、固定小电流下的压降、驱动阈值等与热敏感的电参数等方法获取功率器件的结温，这种通过测量对温度敏感的电气参数来获取芯片的测量方法称为热敏感电参数法；(4)热阻网络法，即通过测量功率模块基板的平均温度，并通过功率器件模块的内部的热阻网络可以反推出功率模块内部芯片的结温。

由于高速热红外成像仪价格昂贵且温度数据的提取速度很慢，只适用于稳态温度的测量，且需要对功率器件做特殊处理，不适合电力电子装置在运行过程中的结温提取；而安装热电偶或者热电阻的间接测试方法，只能测试器件基板或者芯片附近的温度，而不能准确的反映功率器件在运行中的实际结温情况，且温度测试响应时间较长，不适合开关速度在μs级的大功率器件的结温测试。此外热阻网络法需要对功率器件模块内部的热传导路径及热阻网络测量具有高分辨率和精确度，然而二极管模块功率模块内部芯片处温度传导至模块外部基板具有延迟时间，因此该技术不适用于功率模块工作结温的在线监测。热敏感电参数法被认为是最有效的检测功率器件瞬态温度变化的方法，该方法可以检测出μs级的开关功率器件的结温变化，然而现有大多数热敏感电参数法只适用于以IGBT为代表的有源开关器件，而没有实用于大功率二极管模块等无源器件。

大功率二极管模块在实际的运行工作中往往需要在高压，大电流的环境下不断的开通和关断。常规的检测方法是测量不同温度下二极管的正向压降，利用正向电压降与芯片温度的对应关系来确定运行中二极管的芯片结温。然而这种方式所需要用到的电压传感器需要很高的耐压需求，其次在高压，大电流的开关环境下，所测试的导通压降值很小，非常容易受到干扰。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及检测方法，能够以较高的精确度和分辨率实时检测功率二极管模块的工作结温。

一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统，包括：

主电路单元，与功率二极管模块连接；所述的主电路单元包括直流电压源V、电容C、电感L和IGBT模块；其中，直流电压源V的正极与电容C的一端、电感L的一端和功率二极管模块的阴极相连，电感L的另一端与功率二极管模块的阳极和IGBT模块的集电极相连，IGBT模块的功率发射极与直流电压源V的负极和电容C的另一端相连；

温控单元，用于调控功率二极管模块和IGBT模块的环境温度；

采样单元，用于在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间采集电容C两端的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流以及IGBT模块的工作结温；

驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，以控制功率二极管模块由导通状态切换至关断状态，进而调控功率二极管模块的正向导通电流；

结温检测单元，用于采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号V_Ee，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；所述的结温检测单元内存有各种运行工况下关于直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温、功率二极管模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}的数据表格以及函数模型；进而根据功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}，通过查表或函数模型计算得到功率二极管模块的工作结温。

所述的结温检测单元包括：

峰值检测模块，用于采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号V_Ee，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；

隔离模块，用于对电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}进行隔离转换；

结温计算模块，其内部存有各种运行工况下关于直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温、功率二极管模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}的数据表格以及函数模型；进而根据功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}，通过查表或函数模型计算得到功率二极管模块的工作结温。

所述的峰值检测模块包括十三个电阻R1～R13、两个电容C1～C2、三个二极管D1～D3、四个运算放大器U1～U4、NPN型的三极管Q和双向模拟开关H；其中：双向模拟开关H的输入端接IGBT模块功率发射极的电压，输出端与电阻R6的一端相连，控制端与电阻R12的一端相连并接收IGBT模块基极的开关控制信号；电阻R6的另一端与电阻R8的一端和运算放大器U1的正相输入端相连，电阻R8的另一端接IGBT模块驱动发射极的电压，运算放大器U1的反相输入端与电阻R5的一端和电阻R2的一端相连，电阻R5的另一端接IGBT模块驱动发射极的电压，电阻R2的另一端与运算放大器U1的输出端和运算放大器U2的正相输入端相连，运算放大器U2的反相输入端与电容C1的一端和二极管D1的阳极相连，运算放大器U2的输出端与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极、电容C1的另一端和电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电阻R3的一端、电阻R4的一端和运算放大器U4的反相输入端相连，电阻R3的另一端与二极管D2的阴极和二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与电阻R7的一端、电容C2的一端和运算放大器U4的正相输入端相连，电阻R4的另一端输出电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}，电阻R12的另一端与电阻R9的一端和运算放大器U3的反相输入端相连，运算放大器U3的正相输入端与电阻R13的一端相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和运算放大器U3的输出端相连，电阻R10的另一端与电阻R11的一端和三极管Q的基极相连，三极管Q的集电极与电阻R7的另一端相连，三极管Q的发射极与电阻R11的另一端、电容C2的另一端和电阻R13的另一端相连并接IGBT模块驱动发射极的电压。

所述的隔离模块包括九个电阻R14～R22、四个电容C3～C6、两个运算放大器U5～U6和型号为HCNR201的线性光耦P；其中：电阻R19的一端与运算放大器U5的正相输入端相连并接收电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}，电阻R19的另一端与电阻R20的一端和电容C3的一端相连并接地，电阻R20的另一端与运算放大器U5的反相输入端、电容C5的一端和线性光耦P的4号引脚相连，电容C3的另一端与线性光耦P的2号引脚相连并接电源电压VDD，线性光耦P的1号引脚接IGBT模块驱动发射极的电压，运算放大器U5的输出端与电容C5的另一端和电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与线性光耦P的3号引脚相连，线性光耦P的6号引脚与电容C4的一端相连并接电源电压VDD，线性光耦P的5号引脚与电阻R21的一端和电阻R14的一端相连，电阻R21的另一端与电容C4的另一端相连并接地，电阻R14的另一端与电容C6的一端、电阻R16的一端和运算放大器U6的正相输入端相连，电容C6的另一端和电阻R16的另一端相连并接地，运算放大器U6的反相输入端与电阻R17的一端和电阻R22的一端相连，电阻R17的另一端接地，电阻R22的另一端与电阻R15的一端和运算放大器U6的输出端相连，电阻R15的另一端为隔离模块的输出端。

所述的结温计算模块通过FPGA(现场可编程门阵列)实现。

本发明作为被测的功率二极管模块，可以为独立的功率二极管模块，也可以为IGBT模块中的反并二极管。

为了便于实现IGBT模块工作结温的在线检测，结温检测单元与驱动单元可以集成在一起。

上述在线检测系统的检测方法，包括如下步骤：

(1)建立数据模型；

在不超过功率二极管模块最大工作电压、最大工作电流以及最大工作结温的条件下设定运行工况；对于任一运行工况，在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间，其对应一组关于直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流和功率二极管模块的工作结温的数据，采集在该运行工况下IGBT模块的工作结温以及IGBT模块功率发射极与驱动发射极两端的电压信号V_Ee，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；

依此遍历所有运行工况，获得每一运行工况对应的峰值U_{Ee_peak}；进而建立各运行工况下关于直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温、功率二极管模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}的数据表格和函数模型；

(2)在线检测；

采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号V_Ee，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；同时在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间采集直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流以及IGBT模块的工作结温；

进而根据功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}，通过查表或函数模型计算得到功率二极管模块的工作结温。

功率二极管模块的开通和关断往往伴随着开关模块的开通和关断，现有的大功率逆变器大多采用两电平斩波逆变器，且带电感性负载。在这类变流器运行工作时，通常是上管二极管模块的电流换流在下管IGBT开通时，换流至下管IGBT；或者在下管IGBT关断时，其电流换流至上管二极管模块中；以及下管二极管模块电流在上管IGBT开通时，换流至上管IGBT，或者在上管IGBT关断时，其电流换流至下管二极管模块中。当负载电流从二极管模块换流至大功率IGBT模块时，二极管模块的反向恢复电流会流过整个大功率IGBT以及整个换流回路中的杂散电感。根据半导体物理学相关知识，半导体功率器件内部的物理参数都与温度息息相关。诸如：载流子浓度和载流子寿命会随着温度的升高而增加，而电子与空穴的迁移率则会随着温度的升高而降低。由于二极管模块的反向恢复过程本质上是二极管内部载流子被扫除二极管内部的变化过程，也就是载流子浓度的变化过程。因而二极管反向恢复电流本身也是受芯片结温的影响，所以检测IGBT模块功率发射极和驱动发射极之间天然存在的杂散电压上的电压V_Ee，其实就是监测二极管模块的反向恢复电流变化情况。当变流器所在的应用环境相对明确的情况下，整个变流器的主功率回路，开关管驱动参数，负载对象是相对确定的。因此在IGBT模块的功率发射极和驱动发射极之间的杂散电压上感应的电压V_Ee只会受到直流母线电压V_dc、IGBT温度、二极管模块前向电流、二极管模块温度这四个与实时工况相关的物理量有关。值得注意的是，V_Ee已然包含了二极管模块的温度信息。因此，实时监控直流母线电压V_dc、IGBT温度、二极管模块前向电流、以及电压V_Ee这四个物理量，即可反推出二极管模块的工作结温。由于反向恢复电流在大功率IGBT模块功率发射极与驱动发射极之间感应的电压比较低，因此本发明使用一个低压的幅值检测电路就可以将包含温度信息的反向恢复电流的变化情况测量出来；同时本发明方法不需要额外的高压无源辅助元件，可以集成在驱动电路板当中，在驱动电路发送控制信号的同时，捕获反向恢复电流引起的变化电压；相对现有的功率二极管模块内部结温的监测技术，具有更高的精度和实时性。

附图说明

图1为本发明在线测试系统的结构示意图。

图2为峰值检测模块的结构示意图。

图3为隔离模块的结构示意图。

图4为本发明系统各测试信号的时序图；其中，V_g为IGBT模块的基极控制信号，I_L为电感L上的电流，V_d和I_c分别为功率二极管模块的电压和IGBT模块的电流。

图5为功率二极管模块在关断过程中的电压电流以及杂散电感L_Ee上的感应电压V_Ee的波形示意图。

图6为不同二极管模块温度下其反向恢复电流及其感应电压V_Ee的波形示意图。

图7为不同直流电压下且负载电流相同的情况下，功率二极管模块工作结温及感应电压V_Ee峰值U_{Ee_peak}的曲线拟合关系图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1所示了带感性负载的两电平半桥拓扑结构的功率二极管模块工作结温的测试平台示意图。整个测试平台主要包括大功率二极管模块D、大功率IGBT模块、驱动单元、直流电源V、直流储能电容C、续流电抗器L、温控单元、采样单元和结温检测单元，其中：二极管模块D的阴极端与直流储能电容C的正极和直流电源V的正极相连接；续流电抗器L的一端与大功率IGBT模块的输入端相连接，另一端与直流储能电容C的正极、直流电源V的正极和功率二极管模块的阴极相连接；大功率IGBT模块的输出端与直流储能电容C的负极和直流电源V的负极相连接；驱动单元连接至大功率IGBT模块的基极端和驱动发射极端，结温检测单元连接至大功率IGBT模块的功率发射极端和驱动发射极端；L_e为大功率IGBT模块驱动发射极引线的杂散电感，L_Ee为大功率IGBT模块功率发射极与驱动发射极之间的杂散电感。

温控单元用于控制二极管模块D和IGBT模块的环境温度，温控单元可以采用温控加热板也可以采用恒温控制装置(包括温度传感器，加热板与温控仪)；采样单元利用电压/电流/温度传感器采集直流母线电压V_dc、负载电流I_c、温控仪所设定的二极管温度以及IGBT模块温度。

驱动单元提供大功率IGBT模块的控制信号时序如图4所示；基于上述功率二极管模块在线测试系统的测试方法步骤如下，由温控单元将功率二极管模块D的环境温度设定在第一额定温度，且将IGBT模块也设置为第一额定温度，假设第一额定温度为25摄氏度；同时记录直流母线电压值V_dc；

(1)在t₀至t₁时刻内，大功率IGBT模块在t₀时刻开通，直流电源V通过大功率IGBT模块对续流电抗器L进行充电，通过对t₀至t₁时间段的控制，将流经大功率IGBT模块的电流调节至第一额定负载电流，并在t₁时刻将大功率IGBT模块关断，假设第一额定负载电流为300安培；

(2)在t₁至t₂时刻内，第一额定负载电流在续流电抗器L和功率二极管模块D组成的回路中续流，直至t₂时刻驱动单元开通再次开通大功率IGBT模块；

(3)在t₂时刻的开通过程，功率二极管模块D的反向恢复电流将流经下管大功率IGBT模块，反向恢复电流将在大功率IGBT模块功率发射极和驱动发射极感应出相应的电压V_Ee，利用幅值检测电路捕获并提取电压V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；图5所示了二极管模块关断过程中的电压电流波形以及反向恢复电流在杂散电感L_eE上感应的电压V_Ee波形。由图5可知，电压V_Ee与二极管特性有关。

(4)在t₃时刻将大功率IGBT模块关断，测试过程结束；

(5)调节温控单元重新设置二极管模块D的环境温度，从第一额定温度为起点以一定的温度间隔逐步增长到最高设置温度，最高设置温度不超过二极管模块D的允许的最高工作温度，同时保持直流电压第一额定电压和第一额定负载电流不变，重复(1)至(4)步骤，记录不同二极管模块D的温度下，在第一额定电压和第一额定电流下，不同的峰值U_{Ee_peak}。在保持IGBT结温度为第一额定温度不变的情况下，以此建立在第一额定电压和第一额定电流情况下，二极管模块D不同温度情况下对应的不同峰值U_{Ee_peak}的数据库；图6显示了直流电压V为1600V，额定负载电流为600A情况下，IGBT模块温度为第一额定温度25摄氏度，二极管模块结温在25、75和125摄氏度时，其反向恢复电流在电感L_Ee所感应的不同电压波形；

(6)改变直流源的输出电压，以第一额定电压为起点，以一定的电压间隔逐步增长到最高输出电压，最高输出电压不超过二极管模块D和IGBT模块的最高允许工作电压，重复(1)至(5)步骤，从而可以获取在第一额定电流不变，IGBT模块温度不变，而额定电压变化的情况下，建立二极管模块D不同温度对应的不同峰值U_{Ee_peak}的数据库；图7显示了负载电流固定的情况下，不同的电压下，二极管模块芯片温度与峰值U_{Ee_peak}的数据库。

(7)由温控单元将二极管模块D和IGBT模块的环境温度设定在第一额定温度，同时设置直流电压源的输出电压为第一额定电压，通过控制t₀至t₁的时间，以第一额定电流为起点，调节不同的额定负载电流逐步增长到最高额定电流，最高额定电流不超过二极管模块D和IGBT模块的最高工作电流，重复(1)至(6)步骤，获得在第一额定电压不变，而额定电流变化情况下，峰值U_{Ee_peak}与二极管模块温度的对应关系，建立不同额定电流在相同额定电压，相同IGBT模块温度的情况下峰值U_{Ee_peak}与二极管模块结温的数据库；

(8)由温控单元将IGBT模块温度从第一额定温度为起点，以一定的温度间隔逐步增长到最高设置温度，最高设置温度不超过IGBT模块的允许的最高工作温度，重复(1)至(7)步骤，建立并完善不同直流母线电压V_dc、不同二极管模块温度，不同IGBT模块温度以及不同负载电流情况下，与峰值UE_{e_peak}的数据库。

通过上述测试过程，可以建立在二极管模块在不同额定电压，不同额定电流的情况下，其不同的二极管模块温度，不同IGBT模块温度对应不同的电压峰值U_{Ee_peak}数据库；在二极管模块的实际运行中，利用通过结温与电气参数存储单元里的数据库，通过监测直流侧母线电压，负载电流以及IGBT模块温度，以及峰值U_{Ee_peak}，即可以通过数据库利用查表或函数拟合模型即可此时二极管模块内部的芯片结温。

本实施方式中结温检测单元包括峰值检测模块、隔离模块和结温计算模块；其中：

峰值检测模块的功能是通过检测电压V_Ee的幅值变化，提取电压V_Ee的峰值U_{Ee_peak}并保持其峰值电压；如图2所示，该模块包括十三个电阻R1～R13、两个电容C1～C2、三个二极管D1～D3、四个运算放大器U1～U4、NPN型的三极管Q和双向模拟开关H；其中：双向模拟开关H的输入端接IGBT模块功率发射极的电压，输出端与电阻R6的一端相连，控制端与电阻R12的一端相连并接收IGBT模块基极的开关控制信号；电阻R6的另一端与电阻R8的一端和运算放大器U1的正相输入端相连，电阻R8的另一端接IGBT模块驱动发射极的电压，运算放大器U1的反相输入端与电阻R5的一端和电阻R2的一端相连，电阻R5的另一端接IGBT模块驱动发射极的电压，电阻R2的另一端与运算放大器U1的输出端和运算放大器U2的正相输入端相连，运算放大器U2的反相输入端与电容C1的一端和二极管D1的阳极相连，运算放大器U2的输出端与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极、电容C1的另一端和电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电阻R3的一端、电阻R4的一端和运算放大器U4的反相输入端相连，电阻R3的另一端与二极管D2的阴极和二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与电阻R7的一端、电容C2的一端和运算放大器U4的正相输入端相连，电阻R4的另一端输出电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}，电阻R12的另一端与电阻R9的一端和运算放大器U3的反相输入端相连，运算放大器U3的正相输入端与电阻R13的一端相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和运算放大器U3的输出端相连，电阻R10的另一端与电阻R11的一端和三极管Q的基极相连，三极管Q的集电极与电阻R7的另一端相连，三极管Q的发射极与电阻R11的另一端、电容C2的另一端和电阻R13的另一端相连并接IGBT模块驱动发射极的电压。运算放大器U1为v_eE电压信号的跟随电路，其信号比例可以由R2、R5、R6、R8电阻之间的比值进行调节。运算放大器U2、D1、D2、D3、R1、R3、C1、C2组成了峰值提取并保持电路。变化的电压信号V_Ee对电容C2进行充电，当V_Ee达到其最大值时，C2的电压将与最大的V_Ee相等。运算放大器U4为电压跟随电路，其输出值为电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}。由于功率二极管模块的每一次开关都会感应出一个电压V_Ee的最大值，因此在当次电压V_Ee的最大值被采集以后，需要将C2电容的电量进行泄放控制，以便对下一次电压V_Ee的最大值进行检测。

隔离模块的功能是将峰值检测模块采集的峰值电压U_{Ee_peak}通过隔离传输至结温计算模块；如图3所示，该模块包括九个电阻R14～R22、四个电容C3～C6、两个运算放大器U5～U6和型号为HCNR201的线性光耦P；其中：电阻R19的一端与运算放大器U5的正相输入端相连并接收电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}，电阻R19的另一端与电阻R20的一端和电容C3的一端相连并接地，电阻R20的另一端与运算放大器U5的反相输入端、电容C5的一端和线性光耦P的4号引脚相连，电容C3的另一端与线性光耦P的2号引脚相连并接电源电压VDD，线性光耦P的1号引脚接IGBT模块驱动发射极的电压，运算放大器U5的输出端与电容C5的另一端和电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与线性光耦P的3号引脚相连，线性光耦P的6号引脚与电容C4的一端相连并接电源电压VDD，线性光耦P的5号引脚与电阻R21的一端和电阻R14的一端相连，电阻R21的另一端与电容C4的另一端相连并接地，电阻R14的另一端与电容C6的一端、电阻R16的一端和运算放大器U6的正相输入端相连，电容C6的另一端和电阻R16的另一端相连并接地，运算放大器U6的反相输入端与电阻R17的一端和电阻R22的一端相连，电阻R17的另一端接地，电阻R22的另一端与电阻R15的一端和运算放大器U6的输出端相连，电阻R15的另一端为隔离模块的输出端。

由于电压信号V_Ee取自于高压大功率装置，因此信号的提前与采集必须经过隔离。图3中电压V_Ee的峰值U_{Ee_peak}送入运算放大器U5，运算放大器U2的输出端将信号送至对光耦HCNR201，对光耦HCNR201可以将输入输出信号进行隔离。对光耦HCNR201副边的输出信号经过运算放大器U6输出，最终的输出信号为Vinput。Vinput信号可以直接送至FPGA(结温计算模块)进行转换。通过读取和分析Vinput的最终值即可建立二极管模块芯片结温与电压峰值的对应数据库，便于功率二极管模块芯片结温的在线检测。

Claims (7)

1.一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统，其特征在于，包括：

主电路单元，与功率二极管模块连接；所述的主电路单元包括直流电压源V、电容C、电感L和IGBT模块；其中，直流电压源V的正极与电容C的一端、电感L的一端和功率二极管模块的阴极相连，电感L的另一端与功率二极管模块的阳极和IGBT模块的集电极相连，IGBT模块的功率发射极与直流电压源V的负极和电容C的另一端相连；

温控单元，用于调控功率二极管模块和IGBT模块的环境温度；

采样单元，用于在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间采集电容C两端的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流以及IGBT模块的工作结温；

驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，以控制功率二极管模块由导通状态切换至关断状态，进而调控功率二极管模块的正向导通电流；

结温检测单元，用于采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号V_Ee，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；所述的结温检测单元内存有各种运行工况下关于直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温、功率二极管模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}的数据表格以及函数模型；进而根据功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}，通过查表或函数模型计算得到功率二极管模块的工作结温。

2.根据权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于：所述的结温检测单元包括：

峰值检测模块，用于采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号V_Ee，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；

隔离模块，用于对电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}进行隔离转换；

结温计算模块，其内部存有各种运行工况下关于直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温、功率二极管模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}的数据表格以及函数模型；进而根据功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}，通过查表或函数模型计算得到功率二极管模块的工作结温。

3.根据权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于：所述的峰值检测模块包括十三个电阻R1～R13、两个电容C1～C2、三个二极管D1～D3、四个运算放大器U1～U4、NPN型的三极管Q和双向模拟开关H；其中：双向模拟开关H的输入端接IGBT模块功率发射极的电压，输出端与电阻R6的一端相连，控制端与电阻R12的一端相连并接收IGBT模块基极的开关控制信号；电阻R6的另一端与电阻R8的一端和运算放大器U1的正相输入端相连，电阻R8的另一端接IGBT模块驱动发射极的电压，运算放大器U1的反相输入端与电阻R5的一端和电阻R2的一端相连，电阻R5的另一端接IGBT模块驱动发射极的电压，电阻R2的另一端与运算放大器U1的输出端和运算放大器U2的正相输入端相连，运算放大器U2的反相输入端与电容C1的一端和二极管D1的阳极相连，运算放大器U2的输出端与二极管D1的阴极、二极管D2的阳极、电容C1的另一端和电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电阻R3的一端、电阻R4的一端和运算放大器U4的反相输入端相连，电阻R3的另一端与二极管D2的阴极和二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与电阻R7的一端、电容C2的一端和运算放大器U4的正相输入端相连，电阻R4的另一端输出电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}，电阻R12的另一端与电阻R9的一端和运算放大器U3的反相输入端相连，运算放大器U3的正相输入端与电阻R13的一端相连，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和运算放大器U3的输出端相连，电阻R10的另一端与电阻R11的一端和三极管Q的基极相连，三极管Q的集电极与电阻R7的另一端相连，三极管Q的发射极与电阻R11的另一端、电容C2的另一端和电阻R13的另一端相连并接IGBT模块驱动发射极的电压。

4.根据权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于：所述的隔离模块包括九个电阻R14～R22、四个电容C3～C6、两个运算放大器U5～U6和型号为HCNR201的线性光耦P；其中：电阻R19的一端与运算放大器U5的正相输入端相连并接收电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}，电阻R19的另一端与电阻R20的一端和电容C3的一端相连并接地，电阻R20的另一端与运算放大器U5的反相输入端、电容C5的一端和线性光耦P的4号引脚相连，电容C3的另一端与线性光耦P的2号引脚相连并接电源电压VDD，线性光耦P的1号引脚接IGBT模块驱动发射极的电压，运算放大器U5的输出端与电容C5的另一端和电阻R18的一端相连，电阻R18的另一端与线性光耦P的3号引脚相连，线性光耦P的6号引脚与电容C4的一端相连并接电源电压VDD，线性光耦P的5号引脚与电阻R21的一端和电阻R14的一端相连，电阻R21的另一端与电容C4的另一端相连并接地，电阻R14的另一端与电容C6的一端、电阻R16的一端和运算放大器U6的正相输入端相连，电容C6的另一端和电阻R16的另一端相连并接地，运算放大器U6的反相输入端与电阻R17的一端和电阻R22的一端相连，电阻R17的另一端接地，电阻R22的另一端与电阻R15的一端和运算放大器U6的输出端相连，电阻R15的另一端为隔离模块的输出端。

5.根据权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于：所述的结温计算模块通过FPGA实现。

6.根据权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于：所述的结温检测单元与驱动单元集成于一起。

7.一种如权利要求1～6任一权利要求所述的在线检测系统的检测方法，包括如下步骤：

(1)建立数据模型；

在不超过功率二极管模块最大工作电压、最大工作电流以及最大工作结温的条件下设定运行工况；对于任一运行工况，在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间，其对应一组关于直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流和功率二极管模块的工作结温的数据，采集在该运行工况下IGBT模块的工作结温以及IGBT模块功率发射极与驱动发射极两端的电压信号V_Ee，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；

依此遍历所有运行工况，获得每一运行工况对应的峰值U_{Ee_peak}；进而建立各运行工况下关于直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温、功率二极管模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}的数据表格和函数模型；

(2)在线检测；

采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号V_Ee，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；同时在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间采集直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流以及IGBT模块的工作结温；

进而根据功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}，通过查表或函数模型计算得到功率二极管模块的工作结温。