CN105811944A - 用于igbt结温估计的驱动装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的用于IGBT结温估计的驱动装置及方法，装置包括待测IGBT模块、用于通过改变门极开通电流并从门极开通电压中提取温度感应电参数的恒流源驱动模块和用于在恒流源驱动下对IGBT结温进行估计的门极开通密勒平台；所述恒流源驱动模块包括推挽驱动电路和恒流源电路，当驱动脉宽信号为高电平时，恒流源驱动模块稳压在一个固定值；本发明中的用于IGBT结温估计的驱动装置及方法，可以使门极开通电流快速稳定在一个恒定值，进而使门极开通电压波形中的密勒平台的持续时间要比常规驱动中的密勒平台长，温敏感度与温线性度大幅提高，本发明可以在不破坏模块结构的前提下，对IGBT模块结温进行快速、准确的测量，相应速度快、测试过程简单。

Description

用于IGBT结温估计的驱动装置及方法
技术领域
本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种用于IGBT结温估计的驱动装置及方法。
背景技术
IGBT(InsulatedGateBipolarTransistor，绝缘栅双极型晶体管)，是能源变换与传输的核心器件，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广，IGBT模块是应用最广泛的功率器件，有着不可或缺的地位。随着应用行业的快速发展，对IGBT模块提出了大功率和耐高温环境的要求，然而器件的工作结温越高，其失效率越大，因此温度控制和热管理越来越受关注；另外准确结温的估计对IGBT模块的健康状态和寿命评估也具有重要意义；在IGBT模块出现故障失效时，很大一部分是由于热击穿所导致，所以过热保护也需要准确结温的估计。
目前，结温的测量方法已有很多，最直接的是用光导纤维和红外测温仪，这类方法并不适用于已经封装完整的模块，所以大多只是用于实验验证；传统的结温测量方法是在模块底部安装热敏电阻/热电偶，然后结合数据手册上的数据建立热网络模型或者有限元分析模型计算出结温，但是该方法的准确度依赖于准确模型的建立，建立模型所需的参数值并不容易获得并且不同的模块具有差异性，另外计算结温所需的功率损耗的计算在不同工作条件下也具有一定差异性。为了解决上述问题，研究人员提出温度感应电参数，该方法有很多优点，如响应速度快、测量过程简单和不需要破坏模块结构，但是该方法仍然存在一些问题，如采用饱和导通压降VCE-ON估计结温，但是只有在注入100mA小电流的情况下VCE-ON才与结温具有较好的线性度，在其他大电流情况下，测量误差较大，VCE-ON的温敏感度也较低，一般只有-2mV/℃，而一般母线电压可达到百伏千伏，所以测量的精度很难保证，因此，亟需一种新的途径，在不影响IGBT正常工作的前提下，对IGBT的结温进行快速、准确的估算。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于IGBT结温估计的驱动装置及方法，以解决上述问题。
本发明提供的用于IGBT结温估计的驱动装置，包括待测IGBT模块、用于通过改变门极开通电流并从门极开通电压中提取温度感应电参数的恒流源驱动模块和用于在恒流源驱动下对IGBT结温进行估计的门极开通密勒平台；
所述恒流源驱动模块包括推挽驱动电路和恒流源电路，所述推挽驱动电路和恒流源电路采用级联方式连接，用于对门极进行快速恒流充电；
当驱动脉宽信号为高电平时，恒流源驱动模块稳压在一个固定值。
进一步，所述推挽驱动电路包括驱动芯片、第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和双向稳压管；
所述驱动芯片的输出端与第一三极管的集电极连接，所述驱动芯片的输出端还通过第二电阻分别与第一三极管的基极和第二三极管的基极连接，所述第一三极管的发射极与第二三极管的集电极连接，所述驱动芯片的输入端与第三电阻连接，所述第一电阻的一端分别与第一三极管发射极和第二三极管的集电极连接，所述第一电阻的另一端与双向稳压管的一端连接，所述双向稳压管的另一端接地。
进一步，所述恒流源电路包括第三三极管、稳压管、第四电阻、第五电阻和第六电阻；
所述稳压二极管的正极通过第五电阻分别与双向稳压管的接地端和待测IGBT模块的发射极连接，所述稳压二极管的负极与双向稳压管的另一端连接，所述稳压二极管的负极还通过第四电阻与第三三极管的发射极连接，所述第三三极管的基极与稳压二极管的正极连接，所述第三三极管的集电极极通过第六电阻与待测IGBT模块的栅极连接。
进一步，所述门极开通密勒平台通过如下公式对待测IGBT模块结温进行实时估计：
Vg-p＝-0.00806Tj+7.56
其中，Vg-p为门极开通电压的米勒平台值，Tj为结温。
本发明还提供一种用于IGBT结温估计的方法，包括通过恒流源驱动模块改变门极开通电流并从门极开通电压中提取温度感应电参数，并在恒流源驱动下通过门极开通密勒平台对IGBT结温进行估计，所述恒流源驱动模块包括推挽驱动电路和恒流源电路，所述推挽驱动电路和恒流源电路采用级联方式连接，用于对门极进行快速恒流充电；
当驱动脉宽信号为高电平时，恒流源驱动模块稳压在一个固定值。
进一步，获取不同温度下的密勒平台的连续多个数据点的平均值作为米勒平台值，并进行线性拟合，通过对所述密勒平台值与温度进行校正，对待测IGBT模块工作结温进行实时估计。
进一步，：通过如下公式对待测IGBT模块结温进行实时估计：
Vg-p＝-0.00806Tj+7.56
其中，Vg-p为门极开通电压的米勒平台值，Tj为结温。
本发明的有益效果：本发明中的用于IGBT结温估计的驱动装置及方法，可以使门极开通电流快速稳定在一个恒定值，门极开通电压波形中的密勒平台的持续时间要比常规驱动中的密勒平台长，温敏感度与温线性度大幅提高，本发明可以在不破坏模块结构的前提下，对IGBT模块结温进行快速、准确的测量，相应速度快、测试过程简单。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明的原理示意图。
图2是本发明的恒流源驱动门极开通波形示意图。
图3是常规驱动门极开通波形示意图。
图4是本发明的IGBT双脉冲测试电路示意图。
图5是本发明的不同结温下的门极开通波形示意图。
图6是本发明的恒流源驱动下密勒平台与结温的线性拟合结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图2是本发明的恒流源驱动门极开通波形示意图，图3是常规驱动门极开通波形示意图，图4是本发明的IGBT双脉冲测试电路示意图，图5是本发明的不同结温下的门极开通波形示意图，图6是本发明的恒流源驱动下密勒平台与结温的线性拟合结果示意图。
如图1所示，本实施例中的用于IGBT结温估计的驱动装置，包括待测IGBT模块、用于通过改变门极开通电流并从门极开通电压中提取温度感应电参数的恒流源驱动模块和用于在恒流源驱动下对IGBT结温进行估计的门极开通密勒平台；所述恒流源驱动模块包括推挽驱动电路和恒流源电路，所述推挽驱动电路和恒流源电路采用级联方式连接，用于对门极进行快速恒流充电；当驱动脉宽信号为高电平时，恒流源驱动模块稳压在一个固定值。
如图1所示，在本实施例中，推挽驱动电路包括驱动芯片、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和双向稳压管；所述驱动芯片的输出端与第一三极管Q1的集电极连接，所述驱动芯片的输出端还通过第二电阻R2分别与第一三极管Q1的基极和第二三极管Q2的基极连接，所述第一三极管Q1的发射极与第二三极管Q2的集电极连接，所述驱动芯片的输入端与第三电阻R3连接，所述第一电阻R1的一端分别与第一三极管Q1发射极和第二三极管Q2的集电极连接，所述第一电阻R1的另一端与双向稳压管的一端连接，所述双向稳压管的另一端接地。恒流源电路包括第三三极管Q2、稳压管、第四电阻R4、第五电阻R5和第六电阻R6；所述稳压二极管的正极通过第五电阻分别与双向稳压管的接地端和待测IGBT模块的发射极连接，所述稳压二极管的负极与双向稳压管的另一端连接，所述稳压二极管的负极还通过第四电阻与第三三极管Q2的发射极连接，所述第三三极管Q2的基极与稳压二极管的正极连接，所述第三三极管Q2的集电极极通过第六电阻R6与待测IGBT模块的栅极连接。
如图1所示，当输入的驱动脉宽信号为高电平时，推挽驱动电路输出+15V电压，此时恒流源模块中的稳压管稳压在一个固定值，三极管Q3发射极产生一个恒定电流输出IGBT门极，三极管Q3导通，IGBT导通，门极是阴极和阳极之外的第三极，用于控制晶闸管的通断。当门极的电位达到一定的正电压时，晶闸管就导通；低于这个电位的时候，晶闸管就断开，本实施例中的三极管Q3的集电极通过R6与IGBT的栅极G连接，在本实施例中推挽驱动电路中，三极管Q1和Q2，其中一个在导通状态时，另一处于截止状态,当输入信号发生变化后，原先导通的三极管进入截止状态，而原来先截止的三极管进入导通状态，两个三极管中总有一个是导通的。
如图2所示，可以看出使用本实施例中的驱动装置后，门极开通电流可快速稳定在一个恒定值，门极开通电压波形中的密勒平台的持续时间要比常规驱动中的密勒平台长。在本实施例中，采用双脉冲测试电路进行测试，测试对象采用英飞凌FF50R12RT4模块，其电路如图4所示，待测IGBT模块放入恒温箱中，在不同温度下采集IGBT门极开通波形，分别采用本发明所提驱动与常规驱动，结果如图5所示，可以看出采用本实施例中的驱动装置进行驱动后，门极开通波形中的密勒平台持续时间变长，温敏感度和温线性度都得到了大幅提高，本实施例中提取不同温度下的密勒平台前20个数据点的平均值作为米勒平台值Vg-p进行线性拟合，拟合结果如图6所示，可以看出，本实施例中的温度感应电参数的温线性拟合度为0.9989，温敏感度为-8.06mV/℃。当通过恒温箱对本本实施例中的密勒平台值与温度进行校正后，即可通过校正后的公式在IGBT模块工作过程中对工作结温进行实时估计，在实际工作过程中对IGBT模块的门极开通电压VGE中的米勒平台值Vg-p进行实时采集，然后根据如下公式即可对结温Tj进行实时估计：
Vg-p＝-0.00806Tj+7.56
相应地，本实施例还提供了一种利用上述驱动装置的用于IGBT结温估计的方法，包括通过恒流源驱动模块改变门极开通电流并从门极开通电压中提取温度感应电参数，并在恒流源驱动下通过门极开通密勒平台对IGBT结温进行估计，所述恒流源驱动模块包括推挽驱动电路和恒流源电路，所述推挽驱动电路和恒流源电路采用级联方式连接，用于对门极进行快速恒流充电；当驱动脉宽信号为高电平时，恒流源驱动模块稳压在一个固定值。
在本实施例中，获取不同温度下的密勒平台的连续多个数据点的平均值作为米勒平台值，并进行线性拟合，通过对所述密勒平台值与温度进行校正，对待测IGBT模块工作结温进行实时估计。
本实施例中的驱动装置和方法，在对IGBT的工作结温进行估计时，可以在不影响IGBT正常工作的前提下，快速、准确的获取实时估计结果，能够显著的提高测量效率和测量精度。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种用于IGBT结温估计的驱动装置，其特征在于：
包括待测IGBT模块、用于通过改变门极开通电流并从门极开通电压中提取温度感应电参数的恒流源驱动模块和用于在恒流源驱动下对IGBT结温进行估计的门极开通密勒平台；
所述恒流源驱动模块包括推挽驱动电路和恒流源电路，所述推挽驱动电路和恒流源电路采用级联方式连接，用于对门极进行快速恒流充电；
当驱动脉宽信号为高电平时，恒流源驱动模块稳压在一个固定值。
2.根据权利要求1所述的用于IGBT结温估计的驱动装置，其特征在于：所述推挽驱动电路包括驱动芯片、第一三极管、第二三极管、第一电阻、第二电阻、第三电阻和双向稳压管；
所述驱动芯片的输出端与第一三极管的集电极连接，所述驱动芯片的输出端还通过第二电阻分别与第一三极管的基极和第二三极管的基极连接，所述第一三极管的发射极与第二三极管的集电极连接，所述驱动芯片的输入端与第三电阻连接，所述第一电阻的一端分别与第一三极管发射极和第二三极管的集电极连接，所述第一电阻的另一端与双向稳压管的一端连接，所述双向稳压管的另一端接地。
3.根据权利要求2所述的用于IGBT结温估计的驱动装置，其特征在于：所述恒流源电路包括第三三极管、稳压管、第四电阻、第五电阻和第六电阻；
所述稳压二极管的正极通过第五电阻分别与双向稳压管的接地端和待测IGBT模块的发射极连接，所述稳压二极管的负极与双向稳压管的另一端连接，所述稳压二极管的负极还通过第四电阻与第三三极管的发射极连接，所述第三三极管的基极与稳压二极管的正极连接，所述第三三极管的集电极极通过第六电阻与待测IGBT模块的栅极连接。
4.根据权利要求3所述的用于IGBT结温估计的驱动装置，其特征在于：对于本发明所述型号的IGBT模块，所述门极开通密勒平台通过如下公式对待测IGBT模块结温进行实时估计：
Vg-p＝-0.00806Tj+7.56
其中，Vg-p为门极开通电压的米勒平台值，Tj为结温。
5.一种用于IGBT结温估计的方法，其特征在于：包括
通过恒流源驱动模块改变门极开通电流并从门极开通电压中提取温度感应电参数，并在恒流源驱动下通过门极开通密勒平台对IGBT结温进行估计，所述恒流源驱动模块包括推挽驱动电路和恒流源电路，所述推挽驱动电路和恒流源电路采用级联方式连接，用于对门极进行快速恒流充电；
当驱动脉宽信号为高电平时，恒流源驱动模块稳压在一个固定值。
6.根据权利要求5所述的用于IGBT结温估计的方法，其特征在于：获取不同温度下的密勒平台的连续多个数据点的平均值作为米勒平台值，并进行线性拟合，通过对所述密勒平台值与温度进行校正，对待测IGBT模块工作结温进行实时估计。
7.根据权利要求6所述的用于IGBT结温估计的方法，其特征在于：通过如下公式对待测IGBT模块结温进行实时估计：
Vg-p＝-0.00806Tj+7.56
其中，Vg-p为门极开通电压的米勒平台值，Tj为结温。
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