CN105510793B - 一种变流器igbt功率模块结温测量的自标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法，包括以下步骤：1)获取IGBT模块的三维温敏特性表，具体包括以下步骤：11)变流器自热：在关闭变流器冷却装置的条件下，控制变流器通过负载进行加载，使IGBT模块温度逐渐升高达到指令值；12)自热完成后，闭锁IGBT门极信号关断负载电流，使自热完成后的IGBT模块温度T_c缓慢下降至环境温度；13)在IGBT模块温度缓慢下降至环境温度的过程中，对IGBT模块进行双脉冲测试的电流扫描和温度扫描，获取IGBT模块基于电压变化率dv/dt的三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)；2)根据三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)以及待测IGBT模块实际测得的运行电流和电压数据计算IGBT模块的运行结温。与现有技术相比，本发明具有适用于工业现场、测量简便、测量准确等优点。

Description

一种变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件结温测量领域，尤其是涉及一种变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法。

背景技术

结温是IGBT功率模块中电力电子器件的重要状态变量，能直接反映器件安全裕量、健康状态以及运行性能等。然而由于模块封闭式结构、器件芯片尺寸小且温度分布不均以及变流器高电压、大电流、高频率运行等原因，IGBT模块的结温测量十分困难。作为变流器核心部件，研发简便、准确、安全的IGBT模块结温测量技术对变流器性能评估，优化设计以及状态监测与故障诊断都具有重要工程意义。

目前，对IGBT功率模块的结温测量技术主要分为两类：1)基于传感器的直接测量法，如：利用热电偶，光纤以及集成二极管等温度传感器进行测温的方法；2)基于温敏参数的间接测量法，如：利用通态压降，开关延迟时间，内部门极电阻等与器件结温直接相关的温敏参数进行测温的方法。直接测量法对传感器的安放位置有较高要求，此外还存在响应速度慢、硬件结构复杂以及绝缘安全等问题。温敏参数法则具有非侵入式测量的特点，无需改变被测系统的硬件结构，已成为结温测量技术发展的主要方向。使用温敏参数法的前提是能够准确建立温敏参数与器件结温间的函数关系，即温敏特性。现有技术都是在实验室中利用专业设备通过一系列标定实验对器件温敏特性进行测量。但由于器件特性的分散性，每个IGBT功率模块的温敏特性均不完全相同，这使得现有的结温测量技术很难直接应用于工程实际系统中。为克服现有技术的不足，本发明提出一种适用于在工业现场实施的变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法。

文献Online Junction Temperature Extraction with Turn-off Delay Timefor High Power IGBTs提出一种基于温敏参数“关断延迟时间”的IGBT结温测量方法。该方法根据IGBT的关断延迟时间、关断电压、电流与结温间的定量关系对IGBT结温进行测量。该方法对测量设备的精度要求高、测量难度大，因此温敏特性标定实验只能在实验室中进行，很难直接应用于工程实际系统。

文献Comparison of Junction Temperature Evaluations in a Power IGBTModule Using an IR Camera and Three Thermosensitive Electrical Parameters提出一种基于温敏参数“饱和压降”的IGBT结温测量方法。测温过程中，该方法向IGBT中注入一个恒定幅值的测量电流并测量IGBT饱和压降。由于测量电流会影响变流器正常运行且需要外加硬件电路实现，因此该方法只能在实验室中对温敏特性进行标定，很难直接应用于工程实际系统。

文献On-line Estimation of IGBT Junction Temperature Using On–stateVoltage Drop和Temperature measurement on series resistance and devices inpower packs based on on-state voltage drop monitoring at high current的方法与文献Comparison of Junction Temperature Evaluations in a Power IGBT ModuleUsing an IR Camera and Three Thermosensitive Electrical Parameters类似，提出了利用饱和压降对IGBT结温进行测量的方法。该方法同时监测IGBT饱和压降与变流器输出电流，并根据结温与它们间的定量关系获取IGBT运行结温的信息。该方法不影响系统正常运行，但也存在一定的局限性:首先，IGBT饱和压降在一定电流范围内对温度不敏感，因此该方法无法在所有运行区间内对器件结温进行标定测量；此外，由于IGBT饱和压降很小(通常在1～2V)而关断压降很大(通常在几百伏)，因此在变流器高频开关工作条件下对IGBT饱和压降进行精确标定测量十分困难。

文献Junction Temperature Measurement of IGBTs Using Short CircuitCurrent as a Temperature Sensitive Electrical Parameter for ConverterPrototype Evaluation提出了一种利用短路电流测量IGBT结温的方法。该方法通过标定IGBT短路电流与结温的定量关系间接获取IGBT结温信息。但该方法需要额外的测试电路，不能直接用于实际系统，且标定过程可能对变流器中IGBT模块的安全性能产生影响。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用于工业现场、测量简便、测量准确的变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法，用于工业现场标定IGBT模块的结温，包括以下步骤：

1)获取IGBT模块的三维温敏特性表，具体包括以下步骤：

11)变流器自热：在关闭变流器冷却装置的条件下，控制变流器通过负载进行加载，使IGBT模块温度逐渐升高达到指令值；

12)自热完成后，闭锁IGBT门极信号关断负载电流，使自热完成后的IGBT模块温度T_c缓慢下降至环境温度；

13)在IGBT模块温度缓慢下降至环境温度的过程中，对IGBT模块进行双脉冲测试的电流扫描和温度扫描，获取IGBT模块基于电压变化率dv/dt的三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)；

2)根据三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)以及待测IGBT模块实际测得的运行电流和电压数据计算IGBT模块的运行结温。

所述的电流扫描的具体步骤为：

131)选择一个设定的测试温度，等待模块温度T_c下降至该测试温度；

132)改变IGBT模块的脉冲宽度，使IGBT模块流过不同大小的电流，通过电压探头、电流探头以及示波器测量并记录IGBT模块的电压及电流波形，并根据电压和测试时间获取该测试温度下的电压变化率dv/dt，同时记录模块温度T_c。

所述的温度扫描的具体步骤为：

重新设定测试温度，重复电流扫描，汇总不同模块温度下IGBT模块的电压变化率dv/dt的三维温敏特性，最终得到IGBT模块基于电压变化率dv/dt的三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)。

所述的步骤2)具体包括以下步骤：

根据三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)以及待测IGBT模块实际测得的运行电流和电压数据通过插值法计算IGBT模块的运行结温。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)适用于工业现场自标定测量：相比于现有技术，本发明方法不仅可用于实验室，同样可对工业现场变流器系统中的IGBT功率模块进行自标定测量。

(2)测量简便：与现有技术必需采用额外硬件电路进行标定实验相比，本发明方法仅需通过控制改变IGBT门极触发信号即可进行自标定实验，有效降低了标定实验的成本与技术难度。

(3)测量准确：本发明由于采用IGBT模块的电压变化率dv/dt作为温敏参数,在实际系统中通过测量IGBT模块的电压波形计算得到(量级为百伏至千伏)，与现有技术采用通态压降，内部门极电阻等温敏参数相比(量级为毫伏至伏),对测量设备的精度要求不高，因此本发明在相同精度的测量设备条件下，具有温敏参数灵敏度高、结温测量精度高的优点。

附图说明

图1为变频器IGBT模块结温测量的自标定实验系统结构示意图。

图2为IGBT模块电压变化率定义示意图。

图3为实施例中IGBT电压随温度变化曲线图。

图4为实施例中IGBT模块的电压变化率dv/dt的三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)。

图5为变频器IGBT运行结温测量结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例：

检测对象：功率模块FF50R12RT4中的IGBT器件

自标定实验过程：

变频器IGBT模块结温测量的自标定实验系统如图1所示。

1)变频器自热：设待测器件为IGBT T₆，将变频器中的B、C相半桥与电机绕组构成H桥电路，通过控制相应IGBT(T₃、T₄、T₅、T₆)的门极触发信号产生一定的直流负载电流加热IGBT功率模块使其温度达到指定值(如135℃)。为确保变频器安全，负载直流电流值应低于变频器额定电流。保持一段时间(约1s～10s)，待功率模块内部达到热平衡后闭锁门极信号关断负载电流，让变频器处于停机冷却状态。

2)双脉冲实验：控制IGBT触发脉冲对待测IGBT T₆进行双脉冲实验。具体过程为：首先保持T₃管导通而其余IGBT管(T₁，T₂，T₄，T₅)处于关断状态，然后对T₆施加双脉冲进行测试。

3)电流扫描：改变脉冲宽度，控制待测器件IGBT T₆流过不同大小的电流。利用电压、电流探头与示波器测量并记录C相电压及电流波形，同时记录IGBT模块温度T_c。

4)温度扫描:当IGBT模块温度降低至不同温度时(如100℃、80℃、60℃等)，重复步骤3)，获得不同温度、不同电流及对应的电压波形。

5)分析测得的电压、电流与温度数据，令待测器件结温等于IGBT模块温度T_j＝T_c，获得待测IGBT T₆电压变化率dv/dt的三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)。实验结果如图5所示。

根据自标定测得的IGBT三维温敏特性，通过测量变频器运行电压与电流，可计算IGBT运行结温，实验结果如图5所示。实验结果验证了利用本发明方法能在变频器现场对IGBT运行结温进行准确测量。

图2对实施例中的IGBT电压变化率的计算方法进行了定义，即:IGBT电压变化率等于IGBT关断时变流器输出相电压从直流电压10％上升到90％过程中对应的电压变化率。对应的IGBT关断电流i等于IGBT关断前一时刻变流器的输出相电流。

图3说明IGBT电压变化率随温度的上升而下降。

图4说明通过自标定实验现场测得的变频器IGBT电压变化率的温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)。

利用温敏系数可以衡量某一温敏参数对温度的敏感性，其中温敏系数等于单位温度变化时温敏参数相对125℃时温敏参数值变化的比例。根据被测功率模块FF50R12RT4的数据手册，在电流为15A与30A时IGBT饱和压降的温敏系数分别等于0与0.15％/℃，而实测得到的IGBT电压变化率的温敏系数分别等于0.41％/℃与0.32％/℃。对比IGBT饱和压降，实施例中采用IGBT电压变化率作为温敏参数，具温度敏感性高的优点。

Claims (1)

1.一种变流器IGBT功率模块结温测量的自标定方法，用于工业现场标定IGBT模块的结温，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取IGBT模块的三维温敏特性表，具体包括以下步骤：

11)变流器自热：在关闭变流器冷却装置的条件下，控制变流器通过负载进行加载，使IGBT模块温度逐渐升高达到指令值；

12)自热完成后，闭锁IGBT门极信号关断负载电流，使自热完成后的IGBT模块温度T_c缓慢下降至环境温度；

13)在IGBT模块温度缓慢下降至环境温度的过程中，对IGBT模块进行双脉冲测试的电流扫描和温度扫描，获取IGBT模块基于电压变化率dv/dt的三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)，IGBT模块的电压变化率dv/dt为IGBT模块关断时变流器输出相电压从直流电压10％上升到90％过程中对应的电压变化率，IGBT模块关断电流i为IGBT模块关断前一时刻变流器的输出相电流；

所述的电流扫描的具体步骤为：

131)选择一个设定的测试温度，等待模块温度T_c下降至该测试温度；

132)改变IGBT模块的脉冲宽度，使IGBT模块流过不同大小的电流，通过电压探头、电流探头以及示波器测量并记录IGBT模块的电压及电流波形，并根据电压和测试时间获取该测试温度下的电压变化率dv/dt，同时记录模块温度T_c；

所述的温度扫描的具体步骤为：

重新设定测试温度，重复电流扫描，汇总不同模块温度下IGBT模块的电压变化率dv/dt的三维温敏特性，最终得到IGBT模块基于电压变化率dv/dt的三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)；

2)根据三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)以及待测IGBT模块实际测得的运行电流和电压数据计算IGBT模块的运行结温，具体包括以下步骤：

根据三维温敏特性表dv/dt＝f(T_j,i)以及待测IGBT模块实际测得的运行电流和电压数据通过插值法计算IGBT模块的运行结温。