CN105572558A - 一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及其检测方法 - 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其检测方法，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其检测方法

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其检测方法。

背景技术

在实际的变流器应用工况中，功率模块不仅需经受内部芯片由于导通和关断引起的自热结温变化，另一方面还要经历外部的例如季节与昼夜的环境温度变化的双重影响。根据大量的试验数据与失效机理分析，学术界与工业界发现模块在失效前所经历的温度循环周期数是由结温摆幅、最高结温、平均结温、最低外壳温度及模块周期导通时间等因素共同决定。因此，大功率器件的在线芯片温度检测与监控是实施极限运行、寿命预测与过温保护的必要条件。

如何提高大容量功率器件的容量输出能力，并进一步降低功率器件的失效风险，是打破传统粗放式、大裕量的经验化设计准则，提升我国大容量变流器装备可靠性与竞争力的关键。而其中行之有效的方法就是在确保功率器件芯片结温在安全可控的工作范围以内，通过对功率器件芯片实际结温的在线检测，做到前提过温保护、降额冷却等有效措施。其次，大功率器件的结温检测技术是发展和完善电力变换装备在线测量方法的首要目标，也是反映和评估变流器在线运行状况的重要指标。由于功率芯片在模块内部具有难以直接观测、不易直接接触等特点，国内外学者在半导体芯片的结温检测技术方面做了大量的研究工作。现有的功率器件内部芯片的结温检测技术可大致分为如下四种方法：物理接触式测试法，光学非接触测试法，热阻模型预测法与热敏感电参数法。

以热敏电阻法为代表的物理接触式测量法是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。该方法需要外部电源激励，且对随温度变化的响应较慢。利用热敏电阻对功率器件模块进行内部温度的检测需要对模块封装进行改造。由于封装类型和应用场合不同，现有大部分商用的功率器件模块内部仍没有安置热电阻测温元件，而仅仅在某些特定应用场合得到了有限程度的应用。以红外热成像仪为代表的光学非接触式测量法具有全局检测温度分布并迅速将温度分布成像的功能，已被引入功率器件模块芯片结温的测量研究。然而现有的商用红外热成像仪的最高采样率帧数较低，远不能满足动态变化的结温检测要求。因此，该方法也仅见于实验室研究使用，未见对功率器件内部芯片结温检测的现场应用案例。热阻抗模型预测法需要同时获取功率器件的实时损耗以及热阻网络才可对功率器件的结温进行实时预测。在变流器长期的运行过程中，衬底板下面的焊料层与导热硅脂均会出现不同程度的老化现象。经过测量的热阻网络由于老化原因将会变成未知的热阻网络，从而带来结温预测的误差。

由于半导体物理器件内部物理参数与温度有着一一对应的关系。因此这种半导体材料受温度影响的特性将会使得功率器件的工作电气特性呈现单调变化的趋势。这种受温度影响而变化的电气特征参数称之为热敏感电参数。该方法可以检测出μs级的开关功率器件的结温变化，因而热敏感电参数法被认为是最有可能成为对功率器件瞬态温度变化进行现场检测的方法。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，而较少涉及于二极管功率器件为代表的无源功率器件。

大功率二极管模块在开通和关断运行当中需要同时经历高电压和大电流应力的冲击。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。然而这种方式所使用的电压传感器需要在二极管阻断状态下承受很高母线电压。其次，在高压和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其检测方法，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直流电压源V的电压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正半部分的持续时间t_rf并计算电压信号V_Ee在该持续时间t_rf段内的定积分S_rf；所述的结温检测单元内存有各种运行工况下关于电压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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf的数据表格以及函数模型，其中Q_rf＝t_rf*S_rf/2L_Ee，L_Ee为IGBT模块功率发射极与驱动发射极之间的杂散电感；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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf，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：

过零检测积分模块，用于采集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正半部分的持续时间t_rf并计算电压信号V_Ee在该持续时间t_rf段内的定积分S_rf；

隔离模块，用于对持续时间t_rf和定积分S_rf进行隔离转换；

结温计算模块，其通过隔离模块与过零检测积分模块连接，且内部存有各种运行工况下关于电压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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf的数据表格以及函数模型；结温计算模块首先根据公式Q_rf＝t_rf*S_rf/2L_Ee计算出二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf，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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf，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。

所述的过零检测积分模块包括十五个电阻R1～R15、三个电容C1～C3、三个二极管D1～D3、五个运算放大器U1～U5、一个NPN型的三极管Q和三个双向模拟开关H1～H3；其中：双向模拟开关H1的输入端接IGBT模块的功率发射极，输出端与电阻R6的一端相连；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模块的驱动发射极，运算放大器U1的反相输入端与电阻R5的一端、电阻R2的一端以及电容C3的一端相连，电阻R5的另一端接IGBT模块的驱动发射极，电阻R2的另一端与电容C3的另一端、运算放大器U1的输出端以及运算放大器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的另一端以及电阻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、运算放大器U4的反相输入端以及运算放大器U4的输出端相连，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的一端以及运算放大器U4的正相输入端相连，电阻R4的另一端产生定积分S_rf；电阻R12的一端接IGBT模块的门极，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的另一端以及电阻R13的另一端相连并接IGBT模块的驱动发射极；双向模拟开关H2的输入端接IGBT模块的驱动发射极，控制端接IGBT模块的门极，输出端与运算放大器U5的反相输入端相连；双向模拟开关H3的输入端接IGBT模块的功率发射极，控制端接IGBT模块的门极，输出端与运算放大器U5的正相输入端相连；运算放大器U5的输出端与电阻R14的一端和电阻R15的一端相连，电阻R14的另一端接电源电压Vcc，电阻R15的另一端与双向模拟开关H1的控制端相连并生成持续时间t_rf。

所述的隔离模块包含两个隔离子电路，所述的隔离子电路包括九个电阻R16～R24、四个电容C4～C7、两个运算放大器U6～U7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U7的正相输入端相连并接收持续时间t_rf或定积分S_rf，电阻R19的另一端与电阻R20的一端和电容C7的一端相连并接IGBT模块的驱动发射极，电阻R20的另一端与运算放大器U7的反相输入端、电容C5的一端以及线性光耦P的4号引脚相连，电容C7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模块的驱动发射极，运算放大器U7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R23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R23的另一端与电容C6的一端、电阻R16的一端以及运算放大器U6的正相输入端相连，电容C6的另一端与电阻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R24的一端和运算放大器U6的输出端相连，电阻R24的另一端为隔离子电路的输出端。

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电压源V的电压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正半部分的持续时间t_rf并计算电压信号V_Ee在该持续时间t_rf段内的定积分S_rf，进而根据公式Q_rf＝t_rf*S_rf/2L_Ee计算出二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf；

依此遍历所有运行工况，获得每一运行工况对应的二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf；进而建立各运行工况下关于电压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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf的数据表格和函数模型；

(2)在线检测；

采集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正半部分的持续时间t_rf并计算电压信号V_Ee在该持续时间t_rf段内的定积分S_rf，进而根据公式Q_rf＝t_rf*S_rf/2L_Ee计算出二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf；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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf，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只会受到直流电压源电压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，实时监控直流电压源电压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为本发明在线检测系统的结构示意图。

图2为过零检测积分模块的结构示意图。

图3为隔离子电路的结构示意图。

图4为本发明系统各测试信号的时序图；其中，V_g为IGBT模块的门极控制信号，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i_d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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf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电压源V的电压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；同时记录直流电压源V的电压值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，利用过零检测和积分电路提取并计算出二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf；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，不同的存储电荷Q_rf。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存储电荷Q_rf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存储电荷Q_rf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存储电荷Q_rf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，存储电荷Q_rf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模块温度的情况下存储电荷Q_rf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电压源电压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，与存储电荷Q_rf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存储电荷Q_rf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，以及存储电荷Q_rf，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过零检测积分模块、隔离模块和结温计算模块；其中：

过零检测积分模块的功能是通过检测电压V_Ee的幅值变化，提取电压信号V_Ee正半部分持续时间t_rf和电压信号V_Ee在时间段t_rf内的定积分S_rf；如图2所示，该模块包括十五个电阻R1～R15、三个电容C1～C3、三个二极管D1～D3、五个运算放大器U1～U5、NPN型的三极管Q和三个双向模拟开关H1～H3；其中：双向模拟开关H1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R15的一端相连并接收过零检测输出信号；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的一端以及电容C3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的另一端和电容C3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在时间段t_rf内的定积分S_rf，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，负向输入端通过电阻R12与IGBT模块的驱动门极相连，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；双向模拟开关H2的输入端和IGBT模块的驱动发射极相连，控制端和IGBT模块的驱动门极相连，输出端与运算放大器U5的负向输入端相连；双向模拟开关H3的输入端和IGBT模块的功率发射极相连，控制端和IGBT模块的驱动门极相连，输出端与运算放大器U5的正向输入端相连；运算放大器U5的输出端通过电阻R14与电源V_cc相连；R15一端与运算放大器U5的输出端相连，另一端输出电压信号V_Ee正半部分持续时间t_rf。运算放大器U5为V_Ee电压信号过零检测电路，其信号输出高电平的是时间为电压信号V_Ee正半部分持续时间t_rf。运算放大器U1为V_Ee的积分保持电路，积分输出为电压信号V_Ee在时间段t_rf内的定积分S_rf。运算放大器U2、D1、D2、D3、R1、R3、C1、C2组成了积分保持电路。运算放大器U4为电压跟随电路，其输出值为电压信号V_Ee在时间段t_rf内的定积分S_rf。由于功率二极管模块的每一次开关都会感应出一个电压信号V_Ee在时间段t_rf内的定积分S_rf，因此在当次电压信号V_Ee在时间段t_rf内的定积分S_rf被采集以后，需要将C2电容的电量进行泄放控制，以便对下一次电压信号V_Ee在时间段t_rf内的定积分S_rf进行检测。

隔离模块的功能是将峰值检测模块采集的电压信号V_Ee正半部分持续时间t_rf和电压信号V_Ee在时间段t_rf内的定积分S_rf通过隔离传输至结温计算模块；本实施方式中隔离模块包含两个隔离子电路，如图3所示，隔离子电路包括九个电阻R16～R24、四个电容C4～C7、两个运算放大器U6～U7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U7的正相输入端相连并接收持续时间t_rf或定积分S_rf，电阻R19的另一端与电阻R20的一端和电容C7的一端相连并接IGBT模块的驱动发射极，电阻R20的另一端与运算放大器U7的反相输入端、电容C5的一端以及线性光耦P的4号引脚相连，电容C7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模块的驱动发射极，运算放大器U7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R23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R23的另一端与电容C6的一端、电阻R16的一端以及运算放大器U6的正相输入端相连，电容C6的另一端与电阻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R24的一端和运算放大器U6的输出端相连，电阻R24的另一端为隔离子电路的输出端。

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中电压信号V_Ee正半部分持续时间t_rf和电压信号V_Ee在时间段t_rf内的定积分S_rf送入运算放大器U7，运算放大器U7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直流电压源V的电压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正半部分的持续时间t_rf并计算电压信号V_Ee在该持续时间t_rf段内的定积分S_rf；所述的结温检测单元内存有各种运行工况下关于电压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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf的数据表格以及函数模型，其中Q_rf＝t_rf*S_rf/2L_Ee，L_Ee为IGBT模块功率发射极与驱动发射极之间的杂散电感；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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf，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：

过零检测积分模块，用于采集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正半部分的持续时间t_rf并计算电压信号V_Ee在该持续时间t_rf段内的定积分S_rf；

隔离模块，用于对持续时间t_rf和定积分S_rf进行隔离转换；

结温计算模块，其通过隔离模块与过零检测积分模块连接，且内部存有各种运行工况下关于电压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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf的数据表格以及函数模型；结温计算模块首先根据公式Q_rf＝t_rf*S_rf/2L_Ee计算出二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf，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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf，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：所述的过零检测积分模块包括十五个电阻R1～R15、三个电容C1～C3、三个二极管D1～D3、五个运算放大器U1～U5、一个NPN型的三极管Q和三个双向模拟开关H1～H3；其中：双向模拟开关H1的输入端接IGBT模块的功率发射极，输出端与电阻R6的一端相连；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模块的驱动发射极，运算放大器U1的反相输入端与电阻R5的一端、电阻R2的一端以及电容C3的一端相连，电阻R5的另一端接IGBT模块的驱动发射极，电阻R2的另一端与电容C3的另一端、运算放大器U1的输出端以及运算放大器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的另一端以及电阻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、运算放大器U4的反相输入端以及运算放大器U4的输出端相连，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的一端以及运算放大器U4的正相输入端相连，电阻R4的另一端产生定积分S_rf；电阻R12的一端接IGBT模块的门极，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的另一端以及电阻R13的另一端相连并接IGBT模块的驱动发射极；双向模拟开关H2的输入端接IGBT模块的驱动发射极，控制端接IGBT模块的门极，输出端与运算放大器U5的反相输入端相连；双向模拟开关H3的输入端接IGBT模块的功率发射极，控制端接IGBT模块的门极，输出端与运算放大器U5的正相输入端相连；运算放大器U5的输出端与电阻R14的一端和电阻R15的一端相连，电阻R14的另一端接电源电压Vcc，电阻R15的另一端与双向模拟开关H1的控制端相连并生成持续时间t_rf。

4.根据权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于：所述的隔离模块包含两个隔离子电路，所述的隔离子电路包括九个电阻R16～R24、四个电容C4～C7、两个运算放大器U6～U7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U7的正相输入端相连并接收持续时间t_rf或定积分S_rf，电阻R19的另一端与电阻R20的一端和电容C7的一端相连并接IGBT模块的驱动发射极，电阻R20的另一端与运算放大器U7的反相输入端、电容C5的一端以及线性光耦P的4号引脚相连，电容C7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模块的驱动发射极，运算放大器U7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R23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R23的另一端与电容C6的一端、电阻R16的一端以及运算放大器U6的正相输入端相连，电容C6的另一端与电阻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R24的一端和运算放大器U6的输出端相连，电阻R24的另一端为隔离子电路的输出端。

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电压源V的电压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正半部分的持续时间t_rf并计算电压信号V_Ee在该持续时间t_rf段内的定积分S_rf，进而根据公式Q_rf＝t_rf*S_rf/2L_Ee计算出二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf；

依此遍历所有运行工况，获得每一运行工况对应的二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf；进而建立各运行工况下关于电压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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf的数据表格和函数模型；

(2)在线检测；

采集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正半部分的持续时间t_rf并计算电压信号V_Ee在该持续时间t_rf段内的定积分S_rf，进而根据公式Q_rf＝t_rf*S_rf/2L_Ee计算出二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf；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二极管反向恢复下降时刻存储电荷Q_rf，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。