CN105910730A - 一种大功率igbt模块运行结温的在线检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大功率IGBT模块运行结温的在线检测系统及其检测方法，其利用具有近似线性负温度依耐性的IGBT模块最大集电极电流下降率作为器件的结温传感参量，并结合目前主流大功率IGBT模块的开尔文发射极封装概念，在IGBT模块的关断过程中，将大集电极电流变化信息转化成器件内部杂散电感上的感应电压信息。本发明不需要额外的高压无源辅助元件，在驱动电路发送关断信号的同时，开始捕获IGBT模块集电极电流变化率引起的感应电压，并提取其峰值，具有较高的精度和实时性。

Description

一种大功率IGBT模块运行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，具体涉及一种基于最大集电极电流下降率的大功率IGBT模块运行结温的在线检测系统及其检测方法。

背景技术

近年来，以IGBT为代表的大容量全控型功率器件发展迅速，逐步成为大功率变流系统中的主流器件。而由相关研究报告可知，功率器件是变流系统中的主要疲劳失效部件，且约占55％的功率器件失效是由温度因素引起。因而为了避免IGBT模块的严重性能退化甚至是灾难性损坏，IGBT模块的最高运行结温以及结温波动应受到密切的监测。具体而言，IGBT模块的热击穿失效和热疲劳失效分别是由其的最高运行结温和结温波动触发的。所以，IGBT模块运行结温的在线提取与检测对大功率变流系统的安全运行及健康管理具有重要的意义。

目前，可用于IGBT模块在线结温检测的方法主要分为两类：(1)物理接触式测量法；(2)热敏感电参数提取法。虽然，成本低且易操作的封装内集成热敏电阻方法，作为典型的物理接触式测量法，被器件厂商广泛接受。但其相对较低的动态响应速度和精度却制约了该类测量方法在实际工业场合中的应用。而与前一类方法相比，热敏感电参数提取法则巧妙地借助功率器件内部物理参数与温度的相关性，把器件芯片本身作为温度传感器，其具有较快的响应速度和精度，成为颇具应用前景的大容量IGBT模块运行结温在线检测手段。

通俗而言，热敏感电参数法实际上是通过测量对热源敏感性强的器件外部电气参数(即热敏感电参数，Temperature Sensitive Electrical Parameter)来逆向预估内部芯片的平均温度。且目前的研究热点也逐步由应用器件的静态电气参数向应用器件的动态电气参数过渡，即动态热敏感电参数法(Dynamic Temperature Sensitive Electrical Parameter Based Method)。其中，与IGBT模块集电极-发射极电压V_ce上升过程相关的关断特性参数受到了广泛的关注。具体而言，IGBT模 块关断过程中的集电极-发射极电压上升率dV_ce/dt和关断延迟时间t_doff都被作为可行的动态热敏感电参数用于在线提取IGBT模块的运行结温。但是该类方法在实际工业应用中的可行性和普适性往往会受到器件本身结构和工艺特性的影响。实际上，不同的器件结构和工艺会影响上述动态热敏感电参数在给定应用场合中的温度灵敏度。因而，实际应用中往往需考虑特定的动态热敏感电参数法与器件结构以及运行环境之前的匹配程度。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种基于最大集电极电流下降率的大功率IGBT模块运行结温的在线检测系统及其检测方法，其利用对温度变化敏感的IGBT模块最大集电极电流下降率作为器件的温度传感参量，能够以较高的精确度和分辨率实时检测IGBT模块的运行结温。

一种基于最大集电极电流下降率的大功率IGBT模块运行结温的在线检测系统，包括：

主电路单元，与IGBT模块连接；其包括直流电压源、母线电容、负载电感和续流二极管模块；其中，直流电压源的正极与母线电容的一端、负载电感的一端以及续流二极管模块的阴极相连，负载电感的另一端与续流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的负极以及母线电容的另一端相连；

驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，控制IGBT模块由导通状态切换至阻断状态，进而触发IGBT模块与续流二极管模块之间的换流过程，即IGBT模块集电极电流的下降过程；

温控单元，用于调控IGBT模块的运行结温；

采样单元，用于在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中采集由直流电压源所给定的直流母线电压、IGBT模块的正向导通电流以及由温控单元所设定的IGBT模块运行结温；

结温检测单元，用于采集IGBT模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号的峰值电压；结温检测单元内存有各种运行工况下该峰值电压与直流母 线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的相关性函数模型和数据表格；进而在实际检测时根据IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及峰值电压，即可通过函数模型计算或查表反推得到IGBT模块的运行结温。

所述的结温检测单元包括：

峰值检测模块，用于采集IGBT模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在功率IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号的峰值电压；

隔离模块，用于对电压信号的峰值电压进行隔离转换；

结温计算模块，其内部存有各种运行工况下峰值电压与直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的相关性函数模型和数据表格；进而在实际检测时根据IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及峰值电压，即可通过函数模型计算或查表反推得到IGBT模块的运行结温。

所述结温检测单元内存的相关性函数模型由各直流母线电压下峰值电压关于IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数组成；对于任一直流母线电压，则该直流母线电压下关于峰值电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数如下：

V_{Ee_peak}＝a₀+a₁T_j+a₂I_load+a₃T_jI_load

其中：V_{Ee_peak}为峰值电压，I_load为IGBT模块的正向导通电流，T_j为IGBT模块的运行结温，a₀～a₃均为多项式系数。

所述的峰值检测模块包括三个电阻R1～R3、两个电容C1～C2、两个运算放大器U2～U3、一个快速比较器U1和一个双向模拟开关H；其中：双向模拟开关H的输入端与IGBT模块的功率发射极相连，控制端与IGBT模块的基极相连，输出端与快速比较器U1的反相输入端相连；快速比较器U1的输出端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、电容C1的一端以及运算放大器U2的反相输入端相连，电阻R2的另一端与电容C1的另一端、电阻R3的一端、运算放大器U2的输出端以及快速比较器U1的同相输入端相连，电阻R3 的另一端与运算放大器U3的同相输入端以及电容C2的一端相连，电容C2的另一端与运算放大器U2的同相输入端以及IGBT模块的开尔文发射极相连，运算放大器U3的反相输入端和输出端共连并生成所述的峰值电压。

所述的隔离模块包括九个电阻R4～R12、四个电容C3～C6、两个运算放大器U4～U5和型号为HCNR201的线性光耦P；其中：电阻R9的一端与运算放大器U4的同相输入端相连并接峰值检测模块生成的峰值电压，电阻R9的另一端与电阻R10的一端以及电容C3的一端相连并接IGBT模块的开尔文发射极，电阻R10的另一端与运算放大器U4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模块的开尔文发射极，运算放大器U4的输出端与电容C5的另一端以及电阻R8的一端相连，电阻R8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R11的一端以及电阻R4的一端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端相连并接地，电阻R4的另一端与电容C6的一端、电阻R6的一端以及运算放大器U5的同相输入端相连，电容C6的另一端与电阻R6的另一端相连并接地，运算放大器U5的反相输入端与电阻R7的一端以及电阻R12的一端相连，电阻R7的另一端接地，电阻R12的另一端与电阻R5的一端以及运算放大器U5的输出端相连，电阻R5的另一端为隔离模块的输出端，其接地电压即为隔离转换后的峰值电压并提供给结温计算模块。

所述的结温计算模块通过FPGA(现场可编程门阵列)实现。

为了便于实现IGBT模块运行结温的在线检测，所述的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IGBT模块最大工作电压、最大工作电流以及最大运行结温的条件下设定运行工况；对于任一运行工况，其对应一组关于直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的数据，采集该运行工况下IGBT模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在IGBT模块由导通状态切 换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号的峰值电压；

依此遍历所有可能的运行工况，获得每一运行工况下对应的峰值电压；进而建立各种运行工况下峰值电压与直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的数据表格，或建立各种运行工况下峰值电压与直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的相关性函数模型；

(2)在线检测；

采集IGBT模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取该电压信号的峰值电压；同时在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中采集直流母线电压和IGBT模块正向导通电流；

进而根据IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及峰值电压，通过函数模型计算或查表反推得到IGBT模块的运行结温。

所述的相关性函数模型由各直流母线电压下峰值电压关于IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数组成；对于任一直流母线电压，则该直流母线电压下关于峰值电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数如下：

V_{Ee_peak}＝a₀+a₁T_j+a₂I_load+a₃T_jI_load

其中：V_{Ee_peak}为峰值电压，I_load为IGBT模块的正向导通电流，T_j为IGBT模块的运行结温，a₀～a₃均为多项式系数。

本发明利用具有近似线性负温度依耐性的IGBT模块最大集电极电流下降率作为器件的结温传感参量，并结合目前主流大功率IGBT模块的开尔文发射极封装概念，在IGBT模块的关断过程中，将大集电极电流变化信息转化成器件内部杂散电感上的感应电压信息。本发明利用一个低压的幅值检测电路就可以将包含温度信息的最大集电极电流下降率变化情况在IGBT模块的杂散电感上测量出来，且不需要额外的高压无源辅助元件，在驱动电路发送关断信号的同时，开始捕获IGBT模块集电极电流变化率在杂散电感上引起的感应电压，并提取其 峰值，具有较高的精度和实时性。同时本发明弥补了现存基于动态热敏感电参数结温提取法的普适性限制问题，扩充基于动态热敏感电参数提取法的方法库，使为不同结构的IGBT模块以及不同的应用场合匹配最佳的动态热敏感电参数成为可能。

附图说明

图1为本发明在线测试系统的结构示意图。

图2为正向导通状态下IGBT模块内部的存储载流子浓度分布图。

图3为关断过程中外部运行工况特性对IGBT模块集电极电流下降过程的作用路径图。

图4为基于理论分析模型的IGBT模块最大集电极电流密度下降率随结温的变化关系图。

图5为基于理论分析模型的IGBT模块最大集电极电流密度下降率随正向导通电流的变化关系图。

图6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_C为流过IGBT模块的电流，V_ce为IGBT模块集电极-发射极两端之间的电压。

图7(a)为IGBT模块在关断过程中电压V_ce和电流I_C的波形示意图。

图7(b)为杂散电感L_Ee上的感应电压V_Ee波形示意图。

图8为IGBT模块在不同运行温度下其集电极电流下降率在杂散电感L_Ee上感应电压V_Ee的波形示意图。

图9(a)为直流母线电压V_DC＝700V不同正向导通电流I_load情况下杂散电感L_Ee上的感应电压峰值V_{Ee_peak}关于IGBT模块运行温度的拟合关系图。

图9(b)为直流母线电压V_DC＝1000V不同正向导通电流I_load情况下杂散电感L_Ee上的感应电压峰值V_{Ee_peak}关于IGBT模块运行温度的拟合关系图。

图10为直流母线电压V_DC为700V时，关断过程中的电压峰值V_{Ee_peak}关于IGBT模块正向导通电流I_load和运行结温T_j的三维数据库图。

图11为直流母线电压V_DC为1000V时，关断过程中的电压峰值V_{Ee_peak}关于IGBT模块正向导通电流I_load和运行结温T_j的三维数据库图。

图12为峰值检测模块的结构示意图。

图13为隔离模块的结构示意图。

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为基于箝位感性负载半桥拓扑结构的IGBT模块运行结温测试平台示意图。整个测试平台主要包括大功率IGBT模块、续流二极管模块D、直流电压源V、母线电容C、负载电感L、驱动单元、温控单元、采样单元和结温检测单元，其中：直流电压源V的正极与母线电容C的一端、负载电感L的一端以及续流二极管模块D的阴极相连，负载电感L的另一端与续流二极管模块D的阳极和IGBT模块的集电极端相连，而IGBT模块的功率发射极端与直流电压源V的负极以及母线电容C的另一端相连；驱动单元连接至IGBT模块的基极端g和开尔文发射极端e，结温检测单元连接至IGBT模块的功率发射极端E和开尔文发射极端e；L_Ee为IGBT模块功率发射极与开尔文发射极之间的本征杂散电感。

温控单元用于控制IGBT模块的运行温度，其采用恒温控制装置(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所给定的直流母线电压V_DC、IGBT模块的正向导通电流I_load和温控单元所设定的IGBT模块的运行温度；驱动单元用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，控制IGBT模块由导通状态切换至阻断状态，进而触发IGBT模块与续流二极管模块D之间的换流过程，即IGBT模块集电极电流的下降过程。

在测试平台的拓扑结构、IGBT模块的驱动参数以及负载参数确定的情况下，任一可能的IGBT模块运行工况均可由3个特征参数来定义，即直流母线电压V_DC、IGBT模块正向导通电流I_load和IGBT模块运行温度T_j。而感应电压峰值V_{Ee_peak}(即IGBT模块的最大集电极下降率-dI_C/dt_max)关于该3个特征参数的数据表格或函数模型的建立是本发明结温检测系统正常运行的前提。

实际上对于IGBT模块而言，其外部端口上可测的电特性，例如集电极-发射极电压上升率dV_ce/dt、关断延迟时间t_doff以及最大的集电极电流下降率-dI_C/dt_max，本质上都是受控于IGBT模块内部存储载流子的静态和动态行为。特 别是对于IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的关断瞬态过程，存储载流子的抽取行为和复合行为控制着器件的瞬态关断特性。而这些典型的存储载流子行为往往具有很强的温度敏感性，因而这些随器件结温变化的载流子行为最终会引起IGBT模块外部端口上的可测电特性跟随结温变化，即IGBT模块的关断特征参数也会随着器件结温的变化而变化，例如IGBT模块关断过程中的最大集电极下降率-dI_C/dt_max就具有很强的结温敏感性。同时其它的运行工况参数，例如直流母线电压V_DC和IGBT模块的正向导通电流I_load，是会影响着模块内部存储载流子的行为对器件温度变化的响应灵敏度，而这种影响的外部表征即为最大集电极下降率-dI_C/dt_max的温度灵敏性会有较强的运行工况依耐性。因而通过对存储载流子的行为进行分析和模拟就可以建立起外部运行工况(直流母线电压V_DC、IGBT模块的正向导通电流I_load和IGBT模块运行结温T_j)与IGBT模块关断过程中的最大集电极下降率-dI_C/dt_max之间的响应关系。对于目前主流的沟槽栅/场截止结构IGBT模块，依据起主导作用的存储载流子行为差异，其关断过程中的集电极电流下降过程通常可以划分为两个阶段：阶段一和阶段二。其中，在阶段一内IGBT模块的集电极电流下降过程主要受控于存储载流子的抽取行为，通过模拟存储载流子的抽取行为，器件在该阶段内的集电极电流密度J_C1(t)瞬态表达式可表示成：

$J_{C1}\left(t\right)=\sqrt{\frac{1}{\frac{1}{{J_{load}}^2}+\frac{10t}{7D_a{\left({\mathrm{qp}}_0\frac{b}{1+b}\right)}^2}}}---\left(1\right)$

其中，J_load为IGBT模块的正向导通电流密度，J_load＝I_load/A，I_load为IGBT模块的正向导通电流，A为IGBT模块的有效面积；t为时间变量；D_a为IGBT模块的双极扩散系数，是一个与IGBT模块的工艺特性以及温度有关的系数，但当器件生产出厂后其只是一个与器件结温T_j相关的系数；q为电荷常量，其取值为1.6×10^-19C；b是与存储载流子迁移率有关的常量，取值为0.75；p₀为IGBT模块正向导通时其n^--基区边沿的载流子浓度，如图2所示，其是与IGBT模块结构、工艺特性以及运行工况特性有关的量。考虑到沟槽栅/场截止IGBT模块的特性，p₀可以由下式计算得到：

$p_0=p_{FS}\left(0\right)\frac{\sinh \[w_b/L_a\]}{\sinh \[(w_b+w_{FS})/L_a\]}---\left(2\right)$

其中，w_b是IGBT模块n^--基区的宽度，当IGBT模块生产出厂后，其是一个常量，通常对于1700V等级的IGBT模块，w_b的取值在120μm左右；而w_FS是IGBT模块n型-场截止层的宽度，通常对于1700V等级的IGBT模块，w_FS的取值在10μm左右；L_a为IGBT模块的双极扩散长度，也是一个与IGBT模块的工艺特性以及温度有关的系数，但当器件生产出厂后其只是一个与器件结温T_j相关的系数；p_FS(0)为IGBT模块正向导通时其n型-场截止层边沿的载流子浓度，如图2所示，其也是与IGBT模块结构、工艺特性以及运行工况特性有关的量，而p_FS(0)可以由下式计算得到：

$p_{FS}\left(0\right)=\frac{-b+\sqrt{b^2-4ac}}{2a}---\left(3\right)$

其中，a、b、c是与IGBT模块工艺、结构特性以及运行工况特性有关的常量。 D_n、D_p分别为电子和空穴的扩散系数，是与IGBT模块运行结温T_j有关的系数；μ_n、μ_p分别为电子和空穴的迁移率，也是与IGBT模块运行结温T_j有关的系数；L_np为p型-发射极层中电子的扩散长度，当器件生产出厂后其也只会受IGBT模块运行结温T_j的影响；N_Ap是p型-发射极层的掺杂浓度，对于1700V等级的IGBT模块，N_Ap的取值在5×10¹⁶cm^-3左右。

而对于阶段二内的IGBT模块集电极电流下降过程，其主要受控于场截止层中的载流子复合行为，通过模拟存储载流子的复合行为，器件在该阶段内的集电极电流密度J_C2(t)瞬态表达式可表示成：

$J_{C2}\left(t\right)=J_{C\_PT}{e}^{-2t/{\mathrm{\τ}}_{HL\_FS}}---\left(4\right)$

其中，t是时间变量；τ_{HL_FS}是n型-场截止层中的电子寿命，是与IGBT模块运行结温T_j有关的量；而J_{C_PT}是阶段二开始时的初始集电极电流密度，其可由下 式计算得到：

$\sqrt{\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{si}{V}_{DC}}{q(N_{Dn}+\frac{J_{C\_PT}}{{\mathrm{qv}}_{psat}})}}+\frac{1+b}{b}{\mathrm{qD}}_a\frac{2p_0}{J_{C\_PT}}=w_b---\left(5\right)$

其中，ε₀为真空中的介电常数，其取值为8.85×10^-12F/m；而ε_si为硅材料的相对介电常数，其取值为11.9；N_Dn是n^--基区中的掺杂浓度，对于1700V等级的IGBT模块，N_Dn的取值在5×10¹³cm^-3左右；v_past为空穴在强场中的饱和速度，其也只会受到IGBT模块运行结温T_j的影响。

式(1)～(5)中与IGBT模块运行结温T_j相关的物理量及其随运行结温T_j变化的关系式如表1所示。

表1

因而结合式(1)～(5)以及表1所示的结温关系式，任一给定运行工况(即对应一组直流母线电压V_DC、IGBT模块正向导通电流I_load以及IGBT模块运行结温T_j组合)下，IGBT模块在关断瞬态过程中的集电极下降规律均可获得，即最大的集电极电流下降率-dI_C/dt_max(也即最大的集电极电流密度下降率-dJ_C/dt_max)可以依此计算获得，如图3所示，即为通过存储载流子行为建模而建立起的外部运行 环境参数对IGBT模块集电极电流下降过程的作用路径。据此可得，IGBT模块关断过程中的最大集电极电流下降率-dI_C/dt_max(也即最大的集电极电流密度下降率-dJ_C/dt_max)具有近似线性的负温度相关性和近似线性的正通态电流相关性，分别如图4和图5所示。从而可知，IGBT模块关断过程中的最大集电极电流下降率-dI_C/dt_max的确是一可行的动态热敏感电参数，且当该最大集电极电流下降率-dI_C/dt_max关于IGBT模块运行结温T_j、直流母线电压V_DC以及IGBT模块正向导通电流I_load的关系模型或关系表格获得后，其可用于IGBT模块的运行结温在线检测，且最大集电极电流下降率-dI_C/dt_max近似线性的负温度相关性和正通态电流相关性大大简化了上述关系模型的复杂度，并提高了结温在线检测的精确度。

同时，对于现有的大功率IGBT模块，其封装中引入了开尔文发射极e的概念，以实现器件驱动可靠性的增强。除此之外，存在于器件功率发射极E和开尔文发射极e之间的本征杂散电感L_Ee也被集成进了器件封装内部的功率回路。因而在IGBT模块的关断过程中，该杂散电感L_Ee可以作为转换媒介，成功的将大集电极电流变化率信息-dI_C/dt转换成低的感应电压信息，即杂散电感L_Ee上的感应电压V_Ee(＝L_Ee×-dI_C/dt)。从而可以使得IGBT模块关断过程中的集电极电流下降率特性随器件结温的变化规律更加容易的被揭示和利用。即，在IGBT模块的关断过程中，杂散电感L_Ee上感应的电压V_Ee(＝L_Ee×-dI_C/dt)包含有器件集电极电流下降率-dI_C/dt的信息，且感应电压V_Ee的峰值电压V_{Ee_peak}(＝L_Ee×-dI_C/dt_max)表征着IGBT模块关断过程中的最大集电极电流下降率-dI_C/dt_max。所以，对于IGBT模块关断过程中的最大集电极电流下降率-dI_C/dt_max而言，IGBT模块本身就可以作为其的传感器，不在需要额外的大电流传感器。如前所述，当变流器所在的应用环境相对明确的情况下，关断过程中IGBT模块的最大集电极下降率-dI_C/dt_max，也即杂散电感L_Ee上感应的电压峰值V_{Ee_peak},只会受到直流母线电压V_DC、IGBT模块正向导通电流I_load以及IGBT模块运行结温T_j这三个与实时工况相关物理量的影响。因此，实时监控直流母线电压V_DC、IGBT正向导通电流I_load以及IGBT模块的最大集电极下降率-dI_C/dt_max(即杂散电感L_Ee上感应的电压峰值V_{Ee_peak})这三个物理量，并依据事前建立的关系模型或关系表格，就可反推出IGBT模块的运行结温。

由此，结合如图6所示的IGBT模块控制信号时序，基于上述IGBT模块在 线测试系统的数据表格或数据模型建立步骤如下(假设第一种给定的运行工况为：V_DC1、I_load1、T_j1)：(注：直流母线电压V_DC可由直流电压源V来调节，正向导通电流I_load可由直流母线电压V_DC以及充电时间ΔT₁来调节，而IGBT模块运行温度T_j可有温控单元来调节。)

(1)依据给定的运行工况，设定直流电压源V的电压为V_DC1；利用温控单元设定IGBT模块的运行温度为T_j1。

(2)利用IGBT模块在线测试系统进行测试，提取出给定运行工况(即：V_DC1、I_load1、T_j1)下杂散电感L_Ee上所的感应电压峰值V_{Ee_peak1}。结合图6所示的时序图，具体测试步骤如下：

t₀时刻，IGBT模块的驱动单元给出开通信号，IGBT模块开通；然后直流电压源V通过IGBT模块给负载电感L充电，通过控制t₀至t₁时间段ΔT₁的长短，将流经IGBT模块的电流调节至给定电流值I_load1。

t₁时刻，驱动单元发出关断信号，采样单元动作，采样并记录下此时的直流母线电压V_DC1、IGBT模块的正向导通电流I_load1以及温控单元所设定的IGBT模块的运行温度T_j1；同时IGBT模块开始关断，器件集电极-发射极电压V_ce由通态电压值上升至直流母线电压值V_DC，然后IGBT模块开始了与续流二极管D的换流过程，流经IGBT模块的电流不断下降，且该电流下降率在IGBT模块的本征杂散电感L_Ee上感应出电压V_Ee；在该阶段内利用幅值检测电路捕获并提取出感应电压V_Ee的峰值电压V_{Ee_peak1}。如图7所示为IGBT模块关断过程中的电压电流波形以及集电极电流下降率在杂散电感L_Ee上感应的电压V_Ee波形。由图7可知，感应电压V_Ee的波形中包含有IGBT模块关断过程中的最大集电极电流下降率-dI_C/dt_max信息，即感应电压峰值V_{Ee_peak}，因而杂散电感L_Ee可直接作为IGBT模块最大集电极电流下降率的传感器。

在t₂时刻驱动单元再次发出开通信号，IGBT模块再次导通，输运负载电流I_load1。

在t₃时刻驱动单元发出关断信号，将IGBT模块关断，测试过程结束。

(3)调节温控单元重新设置IGBT模块的运行温度T_j，即以一定的温度间隔逐步改变IGBT模块的运行温度T_j直至达到IGBT模块的最高允许运行结温；然后，在保持设定的直流母线电压V_DC1和IGBT模块正向导通电流I_load1不变的 情况下，依次重复步骤(2)内的各测试步骤，测试并记录下IGBT模块在不同的运行温度下，保持给定直流母线电压为V_DC1和IGBT模块正向导通电流为I_load1时的不同感应电压峰值V_{Ee_peak}。图8显示了直流母线电压V_DC为900V，IGBT模块正向导通电流I_load为1100A情况下，IGBT模块结温分别设定在25、50、75和125摄氏度时，其集电极电流下降率在杂散电感L_Ee所感应的电压波形；且感应电压峰值V_{Ee_peak}(即IGBT模块的最大集电极下降率-dI_C/dt_max)随着结温的增加明显减小，具有较强的负温度系数。

(4)改变直流母线电压V_DC，即以一定的电压间隔逐步改变直流电压源的电压V_DC直至达到IGBT模块的最高允许运行电压；同理，在保持设定的IGBT模块正向导通电流I_load1和运行温度T_j1不变的情况下，依次重复步骤(2)内的各测试步骤，测试并记录下IGBT模块在不同的直流母线电压V_DC下，保持给定IGBT模块正向导通电流为I_load1和运行温度为T_j1时的不同感应电压峰值V_{Ee_peak}。

(5)改变IGBT模块正向导通电流I_load，即以一定的时间间隔逐步改变直流母线电压V_DC给负载电感L的充电时间，从而达到调整I_load的目的直至达到IGBT模块的最高允许运行电流；同理，在保持设定的直流母线电压V_DC1和运行温度T_j1不变的情况下，依次重复步骤(2)内的各测试步骤，测试并记录下IGBT模块在不同的正向导通电流I_load下，保持直流母线电压为V_DC1和运行温度为T_j1时的不同感应电压峰值V_{Ee_peak}。

通过上述5步，即可获得各种运行工况下，峰值电压V_{Ee_peak}关于直流母线电压V_DC、IGBT模块正向导通电流I_load以及IGBT模块的运行结温T_j的测试数据点，如图9所示(以两个直流母线电压点、三个正向导通电流点为例)，在任一给定的直流母线电压V_DC和IGBT模块正向导通电流I_load的组合下，峰值电压V_{Ee_peak}(即IGBT模块的最大集电极下降率-dI_C/dt_max)具有近似线性的负温度依耐性，从而可知峰值电压V_{Ee_peak}(即IGBT模块的最大集电极下降率-dI_C/dt_max)的确是一可行的动态热敏感电参数。利用上述的测试数据点，结合相应的数学拟合方法，即可获得峰值电压V_{Ee_peak}关于直流母线电压V_DC、IGBT模块正向导通电流I_load以及IGBT模块的运行结温T_j的响应关系模型。然而考虑到目前大功率变流场合的主流拓扑结构为电压源型变流器(VSC)，在该类应用场合中直流母线电压V_DC往往是一个定值；因而，在实际的应用中，考虑利用峰值电压V_{Ee_peak}(即 最大集电极下降率-dI_C/dt_max)作为动态热敏感电参数来检测IGBT模块的运行结温T_j时，可以不用考虑峰值电压V_{Ee_peak}关于直流母线电压V_DC的依耐性；所以，在建立峰值电压V_{Ee_peak}关于运行工况特征参数的响应关系模型时，只用考虑IGBT模块正向导通电流I_load以及IGBT模块运行结温T_j变化时的影响，不用考虑直流母线电压V_DC变化所带来的影响，即只需建立起特定的直流母线电压下，峰值电压V_{Ee_peak}关于IGBT模块正向导通电流I_load以及IGBT模块运行结温T_j的三维关系模型V_{Ee_peak} ^@VDC＝f(I_load,T_j)；又由于峰值电压V_{Ee_peak}(即最大集电极下降率-dI_C/dt_max)具有近似线性的运行结温T_j依耐性和通态电流I_load依耐性，因而三维关系模型V_{Ee_peak} ^@VDC＝f(I_load,T_j)可以简化成多项式的形式，即V_{Ee_peak} ^@VDC＝a₀+a₁T_j+a₂I_load+a₃T_j I_load，其中a₀、a₁、a₂、a₃为依据前述测试数据点拟合得到的常系数。基于该响应关系模型，在IGBT模块的实际运行中，通过监测关断瞬态过程中的IGBT模块的正向导通电流I_load以及杂散电感L_Ee上的电压峰值V_{Ee_peak}，即可以反推得到此时IGBT模块内部的芯片结温T_j。

以1700V/3600A的大功率IGBT模块为例，对于1700V的IGBT模块而言，其常用的电压等级为700V～1000V左右。如图10和图11所示，分别为直流母线电压V_DC为700V和1000V时，关断过程中的电压峰值V_{Ee_peak}关于IGBT模块正向导通电流I_load和运行结温T_j的3维测试点数据库。

对如图10所示的测试数据点进行拟合，即可得到直流母线电压V_DC为700V时，峰值电压V_{Ee_peak}关于IGBT模块正向导通电流I_load和运行结温T_j的三维关系模型为：

V_{Ee_peak} ^@700V＝-1.667-0.00993T_j+0.01062I_load-1.024×10^-5T_jI_load

对如图11所示的测试数据点进行拟合，即可得到直流母线电压V_DC为1000V时，峰值电压V_{Ee_peak}关于IGBT模块正向导通电流I_load和运行结温T_j的三维关系模型为:

V_{Ee_peak} ^@1000V＝-0.7141+0.001573T_j+0.01389I_load-4.845×10^-5T_jI_load

借助上述响应关系模型，实际运行中即可通过监测关断瞬态过程中的IGBT模块正向导通电流I_load以及杂散电感L_Ee上的感应电压峰值V_{Ee_peak}，反推得到 IGBT模块的运行结温T_j。

由于关断过程中IGBT模块的最大集电极电流变化率在器件本征杂散电感L_Ee上感应的峰值V_{Ee_peak}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最大集电极电流变化率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，在驱动单元发送关断控制信号的同时，开始捕获集电极电流下降所引起的感应电压V_Ee，并提取出其电压峰值V_{Ee_peak}。本发明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感应电压V_Ee的幅值变化，提取出电压V_Ee的峰值电压V_{Ee_peak}并保持其峰值电压；如图12所示，该模块包括三个电阻R1～R3、两个电容C1～C2、两个运算放大器U2～U3、一个快速比较器U1和一个双向模拟开关H；其中：双向模拟开关H的输入端与IGBT模块功率发射极端E相接，控制端接收来自IGBT模块基极端的开关控制信号，而输出端连接到快速比较器U1的反向输入端；快速比较器UI的输出端与电阻R1的一端相连；运放U2的反向输入端与电阻R1的另一端相连，且同时连接到电阻R2和电容C1的一端，运放U2的正向输入端连接到IGBT模块开尔文发射极端e，而运放U2的输出端连接到电阻R2和电容C1的另一端及电阻R3的一端，并同时形成反馈回路连接到快速比较器U1的正向输入端；运放U3的反向输入端与电阻R3的另一端相连及电容C2的一端，而运放U3的正向输入端与其输出端相连构成电压跟随结构，且其输出信号即为峰值电压V_{Ee_peak}；电容C2的另一端连接到IGBT模块开尔文发射极端e。

隔离模块的功能是将峰值检测模块采集的峰值电压V_{Ee_peak}通过隔离传输至结温计算模块；如图13所示，该模块包括九个电阻R4～R12、四个电容C3～C6、两个运算放大器U4～U5和型号为HCNR201的线性光耦P；其中：电阻R9的一端与运算放大器U4的正相输入端相连并接收电压信号V_Ee的峰值电压V_{Ee_peak}，电阻R9的另一端与电阻R10的一端和电容C3的一端相连并接至IGBT模块的开尔文发射极端e，电阻R10的另一端与运算放大器U4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模块卡尔文发 射极端e，运算放大器U4的输出端与电容C5的另一端和电阻R8的一端相连，电阻R8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R11的一端和电阻R4的一端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端相连并接地，电阻R4的另一端与电容C6的一端、电阻R6的一端和运算放大器U5的正相输入端相连，电容C6的另一端和电阻R6的另一端相连并接地，运算放大器U5的反相输入端与电阻R7的一端和电阻R12的一端相连，电阻R7的另一端接地，电阻R12的另一端与电阻R5的一端和运算放大器U5的输出端相连，电阻R5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，因此信号的提取与采集必须经过隔离。图13中感应电压V_Ee的峰值电压V_{Ee_peak}送入运算放大器U4，运算放大器U4的输出端将信号送至光耦HCNR201，光耦HCNR201可以将输入输出信号进行隔离。光耦HCNR201副边的输出信号经过运算放大器U5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的最终值即可依据预先建立的IGBT模块芯片结温T_j与感应电压峰值V_{Ee_peak}以及IGBT模块正向通态电流I_load之间的关系模型，实现大功率IGBT模块芯片结温T_j的在线检测。

上述的对实施例的描述是为便于本技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对上述实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种大功率IGBT模块运行结温的在线检测系统，其特征在于，包括：

主电路单元，与IGBT模块连接；其包括直流电压源、母线电容、负载电感和续流二极管模块；其中，直流电压源的正极与母线电容的一端、负载电感的一端以及续流二极管模块的阴极相连，负载电感的另一端与续流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的负极以及母线电容的另一端相连；

驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，控制IGBT模块由导通状态切换至阻断状态，进而触发IGBT模块与续流二极管模块之间的换流过程，即IGBT模块集电极电流的下降过程；

温控单元，用于调控IGBT模块的运行结温；

采样单元，用于在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中采集由直流电压源所给定的直流母线电压、IGBT模块的正向导通电流以及由温控单元所设定的IGBT模块运行结温；

结温检测单元，用于采集IGBT模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号的峰值电压；结温检测单元内存有各种运行工况下该峰值电压与直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的相关性函数模型和数据表格；进而在实际检测时根据IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及峰值电压，即可通过函数模型计算或查表反推得到IGBT模块的运行结温。

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模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在功率IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号的峰值电压；

隔离模块，用于对电压信号的峰值电压进行隔离转换；

结温计算模块，其内部存有各种运行工况下峰值电压与直流母线电压、IGBT 模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的相关性函数模型和数据表格；进而在实际检测时根据IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及峰值电压，即可通过函数模型计算或查表反推得到IGBT模块的运行结温。

3.根据权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于：所述结温检测单元内存的相关性函数模型由各直流母线电压下峰值电压关于IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数组成；对于任一直流母线电压，则该直流母线电压下关于峰值电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数如下：

V_{Ee_peak}＝a₀+a₁T_j+a₂I_load+a₃T_jI_load

其中：V_{Ee_peak}为峰值电压，I_load为IGBT模块的正向导通电流，T_j为IGBT模块的运行结温，a₀～a₃均为多项式系数。

4.根据权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于：所述的峰值检测模块包括三个电阻R1～R3、两个电容C1～C2、两个运算放大器U2～U3、一个快速比较器U1和一个双向模拟开关H；其中：双向模拟开关H的输入端与IGBT模块的功率发射极相连，控制端与IGBT模块的基极相连，输出端与快速比较器U1的反相输入端相连；快速比较器U1的输出端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、电容C1的一端以及运算放大器U2的反相输入端相连，电阻R2的另一端与电容C1的另一端、电阻R3的一端、运算放大器U2的输出端以及快速比较器U1的同相输入端相连，电阻R3的另一端与运算放大器U3的同相输入端以及电容C2的一端相连，电容C2的另一端与运算放大器U2的同相输入端以及IGBT模块的开尔文发射极相连，运算放大器U3的反相输入端和输出端共连并生成所述的峰值电压。

5.根据权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于：所述的隔离模块包括九个电阻R4～R12、四个电容C3～C6、两个运算放大器U4～U5和型号为HCNR201的线性光耦P；其中：电阻R9的一端与运算放大器U4的同相输入端相连并接峰值检测模块生成的峰值电压，电阻R9的另一端与电阻R10的一端以及电容C3的一端相连并接IGBT模块的开尔文发射极，电阻R10的另一端与运 算放大器U4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模块的开尔文发射极，运算放大器U4的输出端与电容C5的另一端以及电阻R8的一端相连，电阻R8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R11的一端以及电阻R4的一端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端相连并接地，电阻R4的另一端与电容C6的一端、电阻R6的一端以及运算放大器U5的同相输入端相连，电容C6的另一端与电阻R6的另一端相连并接地，运算放大器U5的反相输入端与电阻R7的一端以及电阻R12的一端相连，电阻R7的另一端接地，电阻R12的另一端与电阻R5的一端以及运算放大器U5的输出端相连，电阻R5的另一端为隔离模块的输出端，其接地电压即为隔离转换后的峰值电压并提供给结温计算模块。

6.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。

7.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。

8.一种如权利要求1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IGBT模块最大工作电压、最大工作电流以及最大运行结温的条件下设定运行工况；对于任一运行工况，其对应一组关于直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的数据，采集该运行工况下IGBT模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号的峰值电压；

依此遍历所有可能的运行工况，获得每一运行工况下对应的峰值电压；进而建立各种运行工况下峰值电压与直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的数据表格，或建立各种运行工况下峰值电压与直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的相关性函数模型；

(2)在线检测；

采集IGBT模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在 IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取该电压信号的峰值电压；同时在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中采集直流母线电压和IGBT模块正向导通电流；

进而根据IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及峰值电压，通过函数模型计算或查表反推得到IGBT模块的运行结温。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于：所述的相关性函数模型由各直流母线电压下峰值电压关于IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数组成；对于任一直流母线电压，则该直流母线电压下关于峰值电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数如下：

V_{Ee_peak}＝a₀+a₁T_j+a₂I_load+a₃T_jI_load

其中：V_{Ee_peak}为峰值电压，I_load为IGBT模块的正向导通电流，T_j为IGBT模块的运行结温，a₀～a₃均为多项式系数。