CN105928637A - 一种igbt功率模块芯片温度标定装置及其温度修正方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及温度检测技术领域，特别涉及一种IGBT功率模块芯片温度标定装置及其温度修正方法。该新能源车用IGBT功率模块芯片温度标定装置，包括IGBT功率模块，该IGBT功率模块包括IGBT芯片，二极管芯片，NTC，散热基底；所述IGBT芯片和二极管芯片下端设有温度传感器；IGBT功率模块分别与负载、驱动器和数据采集仪相连；所述驱动器和数据采集仪分别与上位机相连；所述驱动器与电源相连。本发明将采集温度与NTC所测温度对比，基于NTC温度形成IGBT芯片和二极管芯片的温度修正曲线MAP，最终利用实时监测的NTC温度和标定的温度MAP，查表实时监测IGBT芯片和二极管芯片的工作结温，达到不消耗驱动系统计算资源的基础上，实现快速、准确、实时工作结温检测。

Description

一种IGBT功率模块芯片温度标定装置及其温度修正方法
（一）技术领域
本发明涉及温度检测技术领域，特别涉及一种IGBT功率模块芯片温度标定装置及其温度修正方法。
（二）背景技术
面对日益枯竭的石油资源以及环境保护的巨大压力，新能源汽车显示了巨大优势和广阔的发展前景。
新能源汽车的快速发展，带动了车用IGBT功率模块的快速应用，车用IGBT功率模块是具有一定拓扑构型的IGBT集成器件，这种集成器件的电路拓扑通常是单开关分立模块、双开关半桥模块、六开关全桥模块等，每个开关包括IGBT芯片和反并联的二极管芯片。模块中IGBT芯片和二极管芯片的结温是应用中的重要参数，当前主流的IGBT芯片和二极管芯片的非开关状态下的工作最高结温是175℃，开关状态下的工作最高结温是150℃，工作中需保证芯片结温不超过以上两值，否则芯片就会损坏。目前，没有较好的办法直接测量芯片结温，大多通过测量模块基板或是检测模块的散热器温度间接估计IGBT芯片和二极管芯片结温，这两种方式都不能准确反映芯片的结温，存在较大检测误差和延时。因此，为了安全、高效应用IGBT功率模块，更精确、实时的测量IGBT芯片和二极管芯片的结温就成为本领域需要解决的问题。专利ZL201110038568.9中描述了一种IGBT结温检测装置及其方法，通过设定测试装置测试IGBT工作频率和工作电流，然后基于数学模型计算IGBT的结温，实现IGBT结温的准确监测，但这种方法需要消耗计算资源，对于车用逆变器系统有限的计算资源带来不利影响。专利ZL201310009834.4中描述了一种用于实时监测IGBT器件的操作状态的系统和方法，这项专利与之前专利类似，也是通过实时监测IGBT工作参数，利用数学模型计算IGBT结温，进而实现实时监测。
针对上述问题，新能源汽车的逆变器中的IGBT功率器件中的IGBT芯片和二极管芯片结温实时监测成为迫切的需求。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种新能源车用IGBT功率模块芯片温度标定装置及其温度修正方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种IGBT功率模块芯片温度标定装置，其特征在于：包括IGBT功率模块，该IGBT功率模块包括IGBT芯片，二极管芯片和NTC热敏电阻；所述IGBT芯片，二极管芯片和NTC热敏电阻分别通过焊锡焊接固定在散热基底上；所述IGBT芯片，二极管芯片下端设有纵向贯穿散热基底的布传感器通孔；所述IGBT芯片和二极管芯片与布传感器通孔连接处分别设有温度传感器；IGBT功率模块分别与负载、驱动器和数据采集仪相连；所述驱动器和数据采集仪分别与上位机相连；所述驱动器与电源相连。
上述散热基底包括铜基板，该铜基板下表面设有导热层，导热层下设有散热器；所述铜基板上表面通过焊锡焊接有铜板层，铜板层上设有陶瓷层，陶瓷层上设有铜板布线层。
所述所诉IGBT功率模块可以是基于NTC热敏电阻进行模块内部芯片结温检测的单开关模块、双开关半桥模块、或六开关全桥模块。
所诉驱动器是用于驱动IGBT功率模块按指定控制指令执行功率变换的装置。
所诉数据采集仪用于采集IGBT功率模块工作中的温度、电压和电流等信息。
所诉上位机用于测试工况输入、测试指令下达以及采集信息的处理。
其中，导热层为导热硅脂或导热垫。
其中，铜板布线层上端通过焊锡焊接有IGBT芯片，二极管芯片和NTC热敏电阻。
其中，电源为高压电源。
其中，负载为电机负载或阻感负载。
IGBT功率模块芯片温度标定装置的温度修正方法包括以下步骤：（1）分别标定IGBT芯片和二极管芯片的实际温度：在相同电压，相同电流下，上位机一定控制下，通过温度传感器实时测定IGBT芯片和二极管芯片的温度，并通过数据采集仪采集温度数据，并存储在上位机内；
（2）标定NTC热敏电阻的温度：采用与步骤（1）相同的电压，相同电流下，上位机一定控制下，通过数据采集仪采集NTC热敏电阻的温度，并存储在上位机内；
（3）在相同的电压下，改变电流大小，重复步骤（1）和步骤（2），得到多组IGBT芯片和二极管芯片的实际温度与对应NTC热敏电阻温度的数据；
（4）将步骤（1）-（3）得到的数据绘制成一定电压下的采集IGBT芯片和二极管芯片的结温对应模块的NTC采集温度形成温度标定数据MAP；
（5）改变电压并重复步骤（1）-（4），绘制得到不同电压下的采集IGBT芯片和二极管芯片的结温对应模块的NTC采集温度形成温度标定数据MAP；
（6）改变上位机的控制条件，重复步骤（1）-（5）绘制得到不同条件下的采集IGBT芯片和二极管芯片的结温对应模块的NTC采集温度形成温度标定数据MAP。
IGBT功率模块芯片温度修正方法的应用：采集NTC热敏电阻的温度，查找相同条件下的温度标定数据MAP，经查表得到相应的IGBT芯片和二极管芯片的结温。
本方法适用于新能源车用IGBT功率模块芯片的温度修正。
本方法可以在不增加单片机计算消耗的基础上实现芯片结温的实时监测，能够快速、实时监测IGBT模块中IGBT芯片和二极管芯片的结温温度。
由于IGBT芯片和二极管芯片的温度无法在实际应用中直接采集，只能通过NTC热敏电阻进行间接评估，然而NTC热敏电阻存在较大检测误差和延时性，难以测定准确，而现在多数通过进行数学模型计算的方式评估IGBT芯片和二极管芯片的温度，但是需要强大的计算能力，对于车用逆变器系统有限的计算资源带来不利影响。
本发明通过IGBT功率模块芯片温度标定装置预先对IGBT功率模块芯片温度进行标定，并通过温度修正方法得到多组不同条件下的IGBT芯片和二极管芯片的结温对应模块的NTC采集温度形成温度标定数据MAP；通过查表的形式，可以根据NTC热敏电阻的温度评估出IGBT芯片和二极管芯片的结温，不需要占用新能源车的计算资源，同时可以快速、实时的得到IGBT芯片和二极管芯片的结温，消除基于损耗、热阻等计算带来的计算资源消耗，以及NTC温度评估芯片结温温度不准和延迟的问题。
本发明的有益效果是：本发明通过上位机设定IGBT功率模块工作在不同直流母线电压和相输出电流条件下工作，利用IGBT功率模块埋置的温度传感器采集IGBT功率模块中IGBT芯片和二极管芯片的温度，将采集温度与IGBT功率模块NTC所测温度对比，基于NTC温度形成IGBT功率模块中IGBT芯片和二极管芯片的温度修正曲线MAP，最终利用实时监测的NTC温度和标定的温度MAP，查表实时监测IGBT芯片和二极管芯片的工作结温，达到不消耗驱动系统计算资源的基础上，实现快速、准确、实时工作结温检测。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明散热基底的结构示意图。
图3为本发明电动运行条件下温度标定数据MAP示意图。
图4为本发明发电运行条件下温度标定数据MAP示意图。
图中，IGBT功率模块1，负载2，驱动器3，数据采集仪4，上位机5，电源6，散热基底7，IGBT芯片8，二极管芯片9，NTC热敏电阻10，焊锡11，布传感器通孔12，温度传感器13，铜基板14，导热层15，散热器16，铜板层17，陶瓷层18，铜板布线层19。
（五）具体实施方式
实施例1
包括IGBT功率模块，该IGBT功率模块1包括IGBT芯片8，二极管芯片9和NTC热敏电阻10；所述IGBT芯片8，二极管芯片9和NTC热敏电阻10分别通过焊锡11焊接固定在散热基底7上；所述IGBT芯片8，二极管芯片9下端设有纵向贯穿散热基底7的布传感器通孔12；所述IGBT芯片8和二极管芯片9与布传感器通孔12连接处分别设有温度传感器13；IGBT功率模块1分别与负载2、驱动器3和数据采集仪4相连；所述驱动器3和数据采集仪4分别与上位机5相连；所述驱动器3与电源6相连。上述散热基底7包括铜基板14，该铜基板14下表面设有导热层15，导热层15下设有散热器16；所述铜基板14上表面通过焊锡11焊接有铜板层17，铜板层17上设有陶瓷层18，陶瓷层18上设有铜板布线层19。导热层15为导热硅脂或导热垫。铜板布线层19上端通过焊锡11焊接有IGBT芯片8，二极管芯片9和NTC热敏电阻10。电源6为高压电源。负载2为电机负载或阻感负载。
使用时，IGBT功率模块1将驱动器3与其连接，同时将高压电源6与驱动器3连接，实现逆变器系统，同时将逆变器系统与负载2连接，该负载2可选阻感负载，或是电机负载，通过与负载2连接，实现逆变器的带载运行；通过数据采集仪4采集温度传感器13，以及逆变器工作的电压、电流等信息；上位机5进行试验工况设定，控制驱动器3驱动IGBT功率模块1，数据采集仪4采集传感器和逆变器工作信息，并将信息传给上位机5，上位机5进行数据存储和数据整理。
实施例2
通过实施例1所述装置，对IGBT功率模块芯片温度进行修正。
在一定测试条件，如一定供电电压，一定环境温度等，以及上位机5一定控制下，如一定控制频率，一定调制方式等，进行温度标定，如在母线供电电压300V，室温条件下，基于SVPWM调制方式，在10K控制频率下，记录逆变器不同相输出电流下IGBT功率模块1的NTC温度、温度传感器13采集IGBT芯片8的温度和温度传感器13采集二极管芯片9的温度；得到采集IGBT芯片和二极管芯片的结温对应模块的NTC采集温度形成温度标定数据MAP。
实施例3
更换供电电压，重复实施例2所述测试步骤，形成不同供电电压下，NTC温度与芯片温度的数据MAP。同理，可以形成不同控制频率下，NTC温度与芯片温度的数据MAP，具体可视实际应用进行设计。
在实际应用中，逆变器直接采集到IGBT功率模块1中NTC的温度，通过标定的温度数据MAP查表，得到IGBT芯片8和二极管芯片9的过温结温。

Claims (9)

1.一种IGBT功率模块芯片温度标定装置，其特征在于：包括IGBT功率模块，该IGBT功率模块包括IGBT芯片，二极管芯片和NTC热敏电阻；所述IGBT芯片，二极管芯片和NTC热敏电阻分别通过焊锡焊接固定在散热基底上；所述IGBT芯片，二极管芯片下端设有纵向贯穿散热基底的布传感器通孔；所述IGBT芯片和二极管芯片与布传感器通孔连接处分别设有温度传感器；IGBT功率模块分别与负载、驱动器和数据采集仪相连；所述驱动器和数据采集仪分别与上位机相连；所述驱动器与电源相连。
2.根据权利要求1所述的IGBT功率模块芯片温度标定装置，其特征在于：所述散热基底包括铜基板，该铜基板下表面设有导热层，导热层下设有散热器；所述铜基板上表面通过焊锡焊接有铜板层，铜板层上设有陶瓷层，陶瓷层上设有铜板布线层。
3.根据权利要求2所述的IGBT功率模块芯片温度标定装置，其特征在于：导热层为导热硅脂或导热垫。
4.根据权利要求2所述的IGBT功率模块芯片温度标定装置，其特征在于：所述铜板布线层上端通过焊锡焊接有IGBT芯片，二极管芯片和NTC热敏电阻。
5.根据权利要求1所述的IGBT功率模块芯片温度标定装置，其特征在于：所述电源为高压电源。
6.根据权利要求1所述的IGBT功率模块芯片温度标定装置，其特征在于：所述负载为电机负载或阻感负载。
7.根据权利要求1所述的IGBT功率模块芯片温度标定装置的温度修正方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）分别标定IGBT芯片和二极管芯片的实际温度：在相同电压，相同电流下，上位机一定控制下，通过温度传感器实时测定IGBT芯片和二极管芯片的温度，并通过数据采集仪采集温度数据，并存储在上位机内；
（2）标定NTC热敏电阻的温度：采用与步骤（1）相同的电压，相同电流下，上位机一定控制下，通过数据采集仪采集NTC热敏电阻的温度，并存储在上位机内；
（3）在相同的电压下，改变电流大小，重复步骤（1）和步骤（2），得到多组IGBT芯片和二极管芯片的实际温度与对应NTC热敏电阻温度的数据；
（4）将步骤（1）-（3）得到的数据绘制成一定电压下的采集IGBT芯片和二极管芯片的结温对应模块的NTC采集温度形成温度标定数据MAP；
（5）改变电压并重复步骤（1）-（4），绘制得到不同电压下的采集IGBT芯片和二极管芯片的结温对应模块的NTC采集温度形成温度标定数据MAP；
（6）改变上位机的控制条件，重复步骤（1）-（5）绘制得到不同条件下的采集IGBT芯片和二极管芯片的结温对应模块的NTC采集温度形成温度标定数据MAP。
8.根据权利要求7所述的IGBT功率模块芯片温度修正方法的应用，其特征在于：采集NTC热敏电阻的温度，查找相同条件下的温度标定数据MAP，经查表得到相应的IGBT芯片和二极管芯片的结温。
9.根据权利要求7所述的IGBT功率模块芯片温度修正方法的应用，其特征在于：适用于新能源车用IGBT功率模块芯片的温度修正。
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