CN105021967A

CN105021967A - 跨半导体开关元件的电压降的精确测量

Info

Publication number: CN105021967A
Application number: CN201510182934.6A
Authority: CN
Inventors: A.达斯; I.H.利斯弗约德
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Co.,Ltd.
Priority date: 2014-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2015-11-04
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: US9772369B2; JP6494392B2; BR102015008573A2; US20150301103A1; EP2933646B1; BR102015008573B1; CN105021967B; EP2933646A1; JP2015206792A

Abstract

描述了用于精确测量跨半导体开关元件的电压降的装置。装置包括（a）包括第一保护元件、第一阻抗元件和电压源的第一电路路径，其中第一电路路径被适配成连接在半导体开关元件的第一与第二端子之间；（b）形成在第一与第二输出端子之间的第二电路路径，第二电路路径包括第二保护元件和第二阻抗元件，其中第二保护元件等同于第一保护元件，并且其中第二阻抗元件等同于第一阻抗元件，和（c）用于调节第二电路路径中的电流使得第二电路路径中的电流等于第一电路路径中的电流的调节电路，其中半导体开关元件的第一与第二端子之间的电压降等于由电压源提供的电压与第一和第二输出端子之间的电压降之间的差。另外，描述海底设备、监控系统和方法。

Description

跨半导体开关元件的电压降的精确测量

技术领域

本发明涉及跨半导体开关元件的电压降的测量的领域，特别地涉及用于精确测量这样的电压降的装置。本发明还涉及包括前述装置的海底设备、用于监控海底设备的系统和精确测量跨半导体开关元件的电压降的方法。

背景技术

诸如用于与例如石油和天然气生产结合的海底应用的可调速驱动装置（ASD）之类的许多电动系统利用半导体开关元件，诸如绝缘栅双极型晶体管（IGBT）。例如，IGBT可以使用在DC-AC转换器中。在其中一旦已经将设备布置在海床处则IGBT和其它组件就不易接近的海底应用中，合期望的是可以获得关于IGBT状态中的改变（例如，由于老化效应）的信息，使得可以对预期寿命进行预测并且可以采取适当措施。

IGBT的开启状态电压是当其传导电流时从集电极到发射极的跨IGBT的电压（Vce），并且IGBT处于所谓的饱和模式，意味着其作为开关而操作。这是对于IGBT的正常操作。该电压取决于若干因素。动态（不由器件的物理构造决定）的主要因素是流过IGBT的电流。增加电流意味着增加电压。针对饱和的IGBT的典型值可以是从0.5V到2.5V。确定电压的另一因素是IGBT的老化。随着IGBT老化，开启状态电压Vce增加。由于老化所致的电压中的差异典型地为贯穿寿命的几百毫伏。

提供某种电压测量/估计电路以便能够确定IGBT是否在饱和之外是惯例。在IGBT的关断状态（IGBT不传导任何电流）中的Vce可以非常高，并且测量电路需要被保护以免受该电压。这通常通过插入保护测量电路的二极管来完成。然后通过二极管和IGBT发送电流，开启状态中在集电极与发射极之间的电压（Vce）可以通过测量二极管和Vce之上的总电压降来估计。二极管的电压可以被估计，并且然后被取出，并且Vce留下。

在图1中示出用于该目的的实际电路100。如所示，电流源与电压源Vs和串联电阻器R1交换。这具有两个原因，第一是当IGBT关断时，来自电流源的电流除了进入测量电路之外将会无处可去。测量电路本质上是高阻抗电路，并且因此电流源将设立高电压，这可能损坏测量电路。另一原因在于电压源更加可得到。当使用电压源Vs时，电压Vm的测量于是将替代地在电阻器R1之上，因此电压Vce可以通过公式Vs－Vm－V(D1)－Vce = 0来计算。

通过使用这样的电路100，二极管D1之上的电压降未被测量，并且因此是不确定的。二极管D1之上的电压降关于流过二极管D1的电流和环境温度二者都是非线性的。因此，基于电路100的Vce测量可能不提供用于确定IGBT的老化的足够精度。

因此可能存在对于测量跨半导体开关元件的电压降的经改进的方式的需要，其提供足够精度以确定半导体开关元件的老化。

发明内容

该需要可以通过根据独立权利要求的主题来满足。通过从属权利要求描述本发明的有利实施例。

根据本发明的第一方面，提供了一种用于精确测量半导体开关元件的第一端子与第二端子之间的电压降的装置。装置包括（a）包括第一保护元件、第一阻抗元件和电压源的第一电路路径，其中第一电路路径被适配成连接在半导体开关元件的第一端子与第二端子之间；（b）形成在第一输出端子与第二输出端子之间的第二电路路径，第二电路路径包括第二保护元件和第二阻抗元件，其中第二保护元件等同于第一保护元件，并且其中第二阻抗元件等同于第一阻抗元件，以及（c）用于调节第二电路路径中的电流使得第二电路路径中的所述电流等于第一电路路径中的电流的调节电路，其中半导体开关元件的第一端子与第二端子之间的电压降等于由电压源提供的电压与第一输出端子和第二输出端子之间的电压降之间的差。

本发明的该方面基于以下想法：第一电路路径被提供在半导体开关元件的第一与第二端子之间，而具有等同于第一电路路径中的对应第一元件的第二保护元件和第二阻抗元件的第二电路路径被提供在第一与第二输出端子之间。提供调节电路，其调节第二电路路径中的电流使得其等于第一电路路径中的电流。由此，第一与第二输出端子之间的电压等于跨第一电路路径中的第一保护元件和第一阻抗元件的电压降的总和。换言之，跨第一保护元件的电压被包括在测量中并且因此不必被估计。

第一保护元件、第一阻抗元件和电压源可以串联连接。特别地，第一保护元件的一个端子可以可连接至半导体开关元件的第一端子，而保护元件的另一端子可以连接至第一阻抗元件的一个端子。第一阻抗元件的另一端子可以连接至电压源的一个端子，并且电压源的另一端子可以可连接至半导体开关元件的第二端子。

第一保护元件被布置成当半导体开关元件正导通时允许电流在第一电路路径中流动并且当半导体开关元件不在导通时防止电流在第一电路路径中流动。

第二保护元件和第二阻抗元件可以在第一与第二输出端子之间串联连接。

第一阻抗元件和第二阻抗元件在以下意义上是等同的：它们是具有基本上等同的物理属性、特别是电学属性的两个分离的物理元件。类似地，第一保护元件和第二保护元件在以下意义上是等同的：它们是具有基本上等同的物理属性、特别是电学属性的两个分离的物理元件。

因此，由于在第二电路路径中流动的电流被调节成基本上等于在第一电路路径中流动的电流，因此应当预期到第一与第二输出端子之间的电压基本上等同于跨第一保护元件和第一阻抗元件的电压降的总和。

作为结果，半导体开关元件的第一端子与第二端子之间的电压降基本上等于由电压源提供的电压与第一输出端子和第二输出端子之间的电压降之间的差。

由此，根据第一方面的装置提供了一种获得半导体开关元件的第一与第二端子之间的电压的精确测量的简单方式。

根据本发明的实施例，调节电路包括（a）用于测量第一电路路径中的电流的第一测量单元，（b）用于测量第二电路路径中的电流的第二测量单元，以及（c）用于响应于由第一和第二测量单元所测量的电流之间的差而调节第二电路路径中的电流的调节器。

换言之，调节电路构成闭环调节器，其中第二电路路径中的电流基于相对于第一电路路径中的电流的所测量的差而被调节。

根据本发明另外的实施例，调节电路还包括用于计算由第一和第二测量单元所测量的电流之间的差的减法单元。

减法单元可以是能够数字地减去所表示的测量值的数字减法单元，或者减法单元可以是被设计成从第一电路路径中的电流减去第二电路路径中的电流以便生成用于调节电路的误差信号的模拟电路。

根据本发明另外的实施例，第一测量单元被适配成基于跨第一阻抗元件的电压而测量第一电路路径中的电流，并且第二测量单元被适配成基于跨第二阻抗元件的电压而测量第二电路路径中的电流。

换言之，第一和第二电路路径中的相应电流借助于被连接以测量跨相应阻抗元件的电压的简单但精确的电压测量单元来测量。

根据本发明另外的实施例，第一保护元件和第二保护元件是等同的二极管。

二极管在以下意义上是等同的：它们首先是相同类型的二极管，优选地来自相同的生产批次。另外，保证二极管的诸如电流-电压特性和温度相关性之类的电学属性在预定容差内是等同的。

根据本发明另外的实施例，第一阻抗元件和第二阻抗元件是等同的电阻器。

电阻器在以下意义上是等同的：他们首先是具有相同标称电阻的相同类型的电阻器，优选地来自相同生产批次。另外，保证电阻器的诸如温度相关性之类的电学属性在预定容差内是等同的。

根据本发明另外的实施例，第一保护元件、第二保护元件、第一阻抗元件和第二阻抗元件被布置成暴露于基本上等同的环境影响。

换言之，保护元件和阻抗元件被布置成足够靠近彼此使得它们将经历基本上相同的温度、湿度、压力和其它相关物理参数。

因此，由于第一和第二保护元件以及第一和第二阻抗元件分别基本上等同，暴露于基本上相同的电流和基本上相同的环境影响，因此将预期到相应元件将以高度类似（如果不等同的话）的方式进行操作。

因此，在第一和第二输出端子处测量的电压将为跨半导体开关元件的电压提供非常精确的值。

根据本发明的第二方面，提供了一种海底设备，包括（a）包括绝缘栅双极型晶体管的可调速驱动装置，以及（b）根据第一方面或以上实施例权利要求中任一个的装置，其中第一端子是倒栅（inverted-gate）双极型晶体管的集电极并且其中第二端子是绝缘栅双极型晶体管的发射极。

本发明的该方面本质上是基于与以上描述的第一方面相同的想法并且为海底设备提供有高精度测量IGBT的集电极-发射极电压的能力，从而允许IGBT的老化状态的有用分析。

根据本发明的实施例，海底设备还包括（a）用于测量绝缘栅双极型晶体管的集电极电流的电流测量单元，以及（b）用于基于装置的第一输出端子与第二输出端子之间的电压降而测量绝缘栅双极型晶体管的集电极-发射极电压的电压测量单元。

由于集电极-发射极电压取决于集电极电流，因此可以通过比较集电极-发射极电压和集电极电流的对应值来确定根据该实施例的海底设备的IGBT是否已经受老化影响。

因此，以容易和不昂贵的方式获得针对海底设备的剩余寿命的估计将是可能的。

根据本发明的第三方面，提供了一种用于监控根据第二方面的以上实施例的海底设备的系统，系统包括（a）用于与海底设备通信的通信单元，（b）存储器单元，以及（c）处理单元，其中处理单元被适配成从海底设备接收集电极电流和集电极-发射极电压的对应的测量值并且基于所接收的测量值和存储在存储器单元中的集电极电流和集电极-发射极电压的预定值的比较来确定绝缘栅双极型晶体管的老化状态。

根据本发明的该方面的系统能够处理集电极电流和集电极-发射极电压的对应值，特别地通过将这样的值与存储在存储器单元中的预定值相比较。

由此，系统可以向系统操作者提供关于老化的相关信息，使得可以在由于老化引起的海底设备误运转之前采取相关措施。

根据本发明的第四方面，提供了一种精确测量半导体开关元件的第一端子与第二端子之间的电压降的方法，方法包括（a）提供包括第一保护元件、第一阻抗元件和电压源的第一电路路径，其中第一电路路径被适配成连接在半导体开关元件的第一端子与第二端子之间，（b）提供形成在第一输出端子与第二输出端子之间的第二电路路径，第二电路路径包括第二保护元件和第二阻抗元件，其中第二保护元件等同于第一保护元件，并且其中第二阻抗元件等同于第一阻抗元件，以及（c）调节第二电路路径中的电流使得第二电路路径中的所述电流等于第一电路路径中的电流，其中半导体开关元件的第一端子与第二端子之间的电压降等于由电压源提供的电压与第一输出端子和第二输出端子之间的电压降之间的差。

第四方面本质上是基于与以上描述的本发明的第一方面相同的想法。

注意到，已经参考不同主题描述了本发明的实施例。特别地，已经参考方法类型权利要求描述了一些实施例，而已经参考装置类型权利要求描述了其它实施例。然而，本领域技术人员将从上文和以下描述中推断出，除非另行指示，否则除属于一种类型的主题的特征的任何组合之外，涉及不同主题的特征的任何组合，特别是方法类型权利要求的特征和装置类型权利要求的特征的组合也是本文档的公开内容的部分。

以上限定的方面和本发明另外的方面从以下将描述的实施例的示例显而易见并且参考实施例的示例而被解释。以下将参考实施例的示例更加详细地描述本发明。然而，明确指出的是，本发明不限于所描述的示例性实施例。

附图说明

图1示出根据现有技术的用于估计IGBT的集电极-发射极电压降的电路。

图2示出依照本发明的实施例的用于精确测量IGBT的集电极-发射极电压降的装置的原理电路图。

图3示出图2中所示的装置的实现的详细电路图。

具体实施方式

附图中的图示是示意性的。注意到，在不同图中，类似或等同的元件被提供有相同的参考标号或仅在第一数位内不同的参考标号。

图1示出根据现有技术的用于估计IGBT的集电极-发射极电压降的电路100。已经在引言中讨论了电路100并且因此将不在此进一步讨论。

图2示出依照本发明的实施例的用于精确测量IGBT的集电极-发射极电压降的装置201的原理电路图。如所示，IGBT的栅极端子连接至海底可调速驱动设备的驱动器电路205。IGBT被耦合以充当开关并且以200Hz与1200Hz之间的开关频率被驱动，其中标称频率为600Hz。当IGBT未导通时，集电极-发射极电压为大约1kV。注意到，装置201的原理对于如50V那样低的电压良好地起作用。在实践中，电压不太可能超过2.5kV，其为大多数半导体的限度。当IGBT导通时，集电极-发射极电压可以在0.5V与2.5V之间，这取决于集电极电流和IGBT。

如同在图1中所示的现有技术电路100中那样，第一二极管D1、第一电阻器R1和电压源Vs串联连接在IGBT的集电极与发射极之间。源Vs中的电压水平必须被选择使得其高于IGBT之上预期的电压降和电阻器R1之上的电压降。因而，电压源Vs和电阻器R1的值必须匹配。更具体地，D1的阴极连接至IGBT的集电极，Vs的较低电位连接至IGBT的发射极，并且R1连接在D1的阳极与Vs的较高电位之间。第一二极管D1、第一电阻器R1和电压源Vs构成本发明的术语中的第一电路路径。注意到，如果合期望的话，例如出于实现考虑的原因，D1、R1和Vs在第一电路路径内的次序可以改变。例如，Vs和R1可以互换，使得Vs布置在R1与D1之间。

装置201还包括在第一输出端子211与第二输出端子212之间的与第二二极管D2串联耦合的第二电阻器R2。第二电阻器R2和第二二极管D2构成本发明的术语中的第二电路路径。类似地，如以上关于第一电路路径所讨论的，D2和R2的次序可以互换，如果合期望的话。

在以下意义上第二电阻器R2等同于第一电阻器R1：R1和R2具有相同电阻，为相同类型的，并且优选地来自相同生产批次。类似地，在以下意义上第二二极管D2等同于第一二极管D1：D1和D2具有相同电流-电压特性，为相同类型的，并且优选地来自相同生产批次。另外，R1和R2以及D1和D2具有相同温度特性。组件全部被布置成如此靠近彼此使得它们在操作期间将经历基本上等同的环境影响，特别是温度。因此，如果在第一电路路径D1、R1、Vs中流动的电流与第二电路路径R2、D2中流动的电流相同，则跨D1和R1的总电压降将等同于跨R2和D2的总电压降，即等同于第一与第二输出端子211、212之间的输出电压Vm。

第一测量单元210被布置成测量跨第一电阻器R1的电压降。类似地，第二测量单元220被布置成测量跨第二电阻器R2的电压降。减法单元230耦合到第一和第二测量单元210、220以生成由第一测量单元210和第二测量单元220测量的电压之间的差或误差电压Verror。提供电压调节器240以响应于来自减法单元230的误差电压Verror而调节第一与第二输出端子211、212之间的电压Vm。更具体地，如果误差电压为正，则电压调节器增加输出端子211、212之间的电压。类似地，如果误差电压为负，则电压调节器降低输出端子211、212之间的电压。

换言之，第一测量单元210、第二测量单元220、减法单元230和电压调节器240构成闭环电压调节电路，其保证跨第二电阻器R2的电压跟随跨第一电阻器R1的电压。由于电阻器R1、R2等同，因此通过电阻器R1、R2的电流也等同。另外，由于二极管D1、D2也等同，即具有相同电流-电压特性和温度特性，因此跨D1和R1的总电压降将等同于跨R2和D2的总电压降，即等同于第一与第二输出端子211、212之间的输出电压Vm。因此，IGBT的集电极-发射极电压Vce由Vce = Vs－Vm给出。

由于考虑（而不是如在现有技术中那样估计）跨第一二极管D1的实际电压，装置201能够提供处于导通状态的IGBT的集电极-发射极电压Vce的高精度测量。由此，通过同样考虑IGBT的集电极电流，可以通过比较集电极-发射极电压Vce与对应预定值来监控IGBT的老化。这些预定值可以存储在监控系统（未示出）的存储器中，或者可以作为表而被提供给系统操作者。

图3示出图2中所示的装置的实现的详细电路图301。标记为Vce的端子将连接到IGBT的集电极。相比于图2，注意到，第二电阻器标记为R10（而不是如图2中的R2）并且第一测量单元210、第二测量单元220、减法单元230和电压调节器240全部由标准模拟组件（即电阻器、电容器和运算放大器）实现。电路301提供快速且精确的测量输出Vout。更具体地，在10mV内稳定的时间为近似27μs。因此，电路301能够提供IGBT的集电极-发射极电压的非常精确的测量，当后者以如20kHz那样高的频率而开关的时候。在海底可调速驱动装置中的典型应用中，其中开关频率在200Hz与1200Hz之间，电路301将提供极好的性能。对于更高频率，可以使用更快的运算放大器，尽管这些通常不太准确。

注意到，术语“包括”不排除其它元件或步骤，并且冠词“一”或“一个”的使用不排除多个。而且，与不同实施例相关联地描述的元件可以组合。还注意到，权利要求中的参考标记不要被解释为限制权利要求的范围。

Claims

1.一种用于精确测量半导体开关元件的第一端子与第二端子之间的电压降的装置，所述装置包括

包括第一保护元件、第一阻抗元件和电压源（Vs）的第一电路路径，其中第一电路路径被适配成连接在半导体开关元件的第一端子与第二端子之间，

形成在第一输出端子（211）与第二输出端子（212）之间的第二电路路径，第二电路路径包括第二保护元件和第二阻抗元件，其中第二保护元件等同于第一保护元件，并且其中第二阻抗元件等同于第一阻抗元件，以及

用于调节第二电路路径中的电流使得第二电路路径中的所述电流等于第一电路路径中的电流的调节电路，

其中半导体开关元件的第一端子与第二端子之间的电压降（Vce）等于由电压源（Vs）提供的电压与第一输出端子（211）和第二输出端子（212）之间的电压降（Vm）之间的差。

2.根据前项权利要求的装置，其中调节电路包括

用于测量第一电路路径中的电流的第一测量单元（210），

用于测量第二电路路径中的电流的第二测量单元（220），以及

用于响应于由第一和第二测量单元所测量的电流之间的差而调节第二电路路径中的电流的调节器（240）。

3.根据前项权利要求的装置，其中调节电路还包括用于计算由第一（210）和第二（220）测量单元所测量的电流之间的差的减法单元（230）。

4.根据权利要求2或3的装置，其中

第一测量单元（210）被适配成基于跨第一阻抗元件的电压而测量第一电路路径中的电流，并且

第二测量单元（220）被适配成基于跨第二阻抗元件的电压而测量第二电路路径中的电流。

5.根据前述权利要求中任一项的装置，其中第一保护元件和第二保护元件是等同的二极管（D1，D2）。

6.根据前述权利要求中任一项的装置，其中第一阻抗元件和第二阻抗元件是等同的电阻器（R1，R2）。

7.根据前述权利要求中任一项的装置，其中第一保护元件、第二保护元件、第一阻抗元件和第二阻抗元件被布置成暴露于等同的环境影响。

8.一种海底设备，包括

包括绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的可调速驱动装置，以及

根据前述权利要求中任一项的装置（201,301），其中第一端子是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的集电极并且其中第二端子是绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的发射极。

9.根据前项权利要求的海底设备，还包括

用于测量绝缘栅双极型晶体管的集电极电流的电流测量单元，以及

用于基于装置的第一输出端子（211）与第二输出端子（212）之间的电压降（Vm）而测量绝缘栅双极型晶体管的集电极-发射极电压的电压测量单元。

10.一种用于监控根据前项权利要求的海底设备的系统，所述系统包括

用于与海底设备通信的通信单元，

存储器单元，以及

处理单元，

其中处理单元被适配成从海底设备接收集电极电流和集电极-发射极电压的对应测量值并且基于所接收的测量值和存储在存储器单元中的集电极电流和集电极-发射极电压的预定值的比较来确定绝缘栅双极型晶体管的老化状态。

11.一种精确测量半导体开关元件的第一端子与第二端子之间的电压降的方法，所述方法包括

提供包括第一保护元件、第一阻抗元件和电压源的第一电路路径，其中第一电路路径被适配成连接在半导体开关元件的第一端子与第二端子之间，

提供形成在第一输出端子与第二输出端子之间的第二电路路径，第二电路路径包括第二保护元件和第二阻抗元件，其中第二保护元件等同于第一保护元件，并且其中第二阻抗元件等同于第一阻抗元件，以及

调节第二电路路径中的电流使得第二电路路径中的所述电流等于第一电路路径中的电流，

其中半导体开关元件的第一端子与第二端子之间的电压降等于由电压源提供的电压与第一输出端子和第二输出端子之间的电压降之间的差。