CN105929316A - 多路igbt结温及热疲劳实时监控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统，该系统是基于FPGA实现的一种可靠性测试系统，适用于实时监控IGBT的结温。该系统选取栅极与集电极短路时的电压V_GE作为IGBT的温度敏感参数，在降温过程，测量该温度敏感参数，并对其采用线性拟合和最小二乘法方法，推导出结温与时间t的关系，进而反推结温。该系统不仅可以实时监控被测器件的结温，还可以利用PID自校准算法加速产品的失效进程，有效缩短实验时间，最终完成IGBT热疲劳实验。在此基础上，增加过流、过压、过温保护任务，通过报警并自动断电的方式，可以实时保护IGBT器件，完成热疲劳监控任务。本发明可根据实际应用需要对系统进行功能扩展和完善，进一步丰富IGBT结温及热疲劳实时监控系统的功能。

Description

多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统

技术领域

本发明是一种监控IGBT功率器件可靠性的系统，它是基于FPGA实现的多路实时监控，可用于监控IGBT的结温及热疲劳状态。它属于嵌入式测量技术领域，特别适用于IGBT器件可靠性分析和大功率器件寿命预测等。

背景技术

随着风电、太阳能光伏发电等新型技术的发展，对功率转换电路的要求越来越高，常见的转换电路是功率变流器，其容量越来越大，因此对功率器件的功率等级要求也就越来越高。由于IGBT具有驱动简单、功率等级高、功耗小、热稳定性好等优点，被广泛应用于中大功率电能转换装置中，在新能源发电等关键领域发挥重要作用。长时间在大功率模式下工作，IGBT会产生失效，它的可靠性及寿命预测，在过去的几十年里，一直是一个重要的研究课题。在高功率器件中，当IGBT重复开关，在热应力反复作用下会产生失效或疲劳效应，IGBT主要故障是由热疲劳引起的。与小电流IGBT比，大容量IGBT的故障损坏率更高，可靠性问题更严重。因此怎样对IGBT功率模块进行状态评估和故障诊断，提高其可靠性分析的准确性是一个亟待解决的问题。结温是影响IGBT寿命和评估其可靠性的重要参数，为了研究与IGBT热疲劳有关的可靠性问题，本发明设计了一款多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统，其可用于监测器件的结温及监控热疲劳状态。在不改变产品失效机理的前提下，该系统不仅可以实时监控被测器件的结温，还可以加速产品的失效进程，有效缩短实验时间，节约成本。本系统可满足8路及以上IGBT器件同时在高温大功率循环模式下工作，每五百个循环后，判断测试器件是否失效，直至器件完全失效后停止试验。该系统适用于评估可靠性，可在相同环境下，同时监测获取多个器件的结温实时数据及热疲劳状态，数据更为准确可靠，为分析、判断、选用器件提供可靠性方面依据。

发明内容

在电力电子器件中，可靠性问题日益突出，针对这一问题，本发明提供了一种多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统。该系统选取栅极与集电极短路时的电压V_GE作为IGBT的温度敏感参数，测量不同温度下的V_GE值，画出校准曲线，并对它进行线性拟合，得到结温T_J与V_GE关系。利用最小二乘法拟合出V_GE和时间t的关系，利用这一关系反推结温T_J。该系统通过PID自校准算法控制I_C大小，间接实现器件温度控制，其在恒温条件下完成热疲劳实验，满足在降温过程同时监测8路及以上被测器件的结温。通过监控被测器件的电流、电压值，可以监控被测器件的热疲劳状态，安全高效，能够准确有效预测器件的可靠性。

本发明采用如下技术方案：

多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统，该系统由多组控制单元组成，各控制单元并列布置，每个控制单元的硬件包括核心控制板模块、数据采集模块、信号监测模块、电流源模块、开关切换模块、通讯模块、电源模块、PC机主控模块。各组控制单元的通讯模块、PC机主控模块通过HUB接口连接，电流源模块、开关切换模块、数据采集模块、信号监测模块、通讯模块分别与核心控制板模块连接，电流源模块与开关切换模块连接。电源模块、信号监测模块分别与电源模块连接。电流源模块、信号监测模块、数据采集模块分别与DUT连接。

整个测试系统的各个功能指标如下：

所述核心控制板模块：该模块配置有多个存储芯片，使其拥有足够的程序运行空间和数据存储空间，能够满足通用性的要求。它能够对各模块发送指令并接收传输的数据。

所述数据采集模块：在时序模块控制下，对实时测试的电学信号进行采集，并存入下位机中，AD采样频率最高可达到10MHz。

所述信号监测模块：该模块用于监控IGBT的管壳温度，测试电流以及V_GE电压参数，将各参数信号传送给数据采集卡,实现监测功能。所采用的温度传感器是四线法连接的铂电阻PT100。采样定值电阻电压，得到被测器件加热电流。通过窗口电压电路设计，提高了V_GE数据采集精度并保护了电路。

所述电流源模块：该部分主要提供测试电流和加热电流。其中测试电流用于获得敏感参数电压V_CE。加热电流为IGBT施加功率。

所述开关切换模块：通过开关切换，控制加热电流和测试电流通断，仅有测试电流通过时，得到被测器件的热敏感参数，进而推断器件的结温。

所述通讯模块：本模块通过特定的通信协议使上下位机之间进行通信，各通讯模块之间通过LAN进行数据传输。

所述电源模块：系统的供电电源采用各模块独立的设计方法。设计中使用AC/DC电源给整个系统供电，而内部电路则采用DC/DC隔离电源给系统的各个独立模块供电。

所述PC机主控模块：主控模块为一台PC机，通过控制各个功能模块完成系统监控任务。

本系统提供的多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统，以核心控制板模块为控制核心，外接开关切换模块、电流源模块、数据采集模块、信号监测模块、通信模块硬件模块。本系统采用FPGA作为核心控制板模块的核心芯片，它能够支持同时控制多个功能模块，满足实时监控八路及以上IGBT器件的要求。通过对开关切换模块的控制，切换测试电流和加热电流，加热电流保证器件在较高结温下工作，测试电流用于测定热敏感参数。通过高速数据采集模块采集IGBT的热敏感参数变化的数据，利用K系数反推结温，并在PC端显示实时数据。信号监测模块监测IGBT的管壳温度，测试电流以及电压V_GE，并将采集到的数据传输至核心控制板模块。由于FPGA是一种可编程使用的信号处理芯片，具有可编程、高集成度、高可靠性等优点，可根据实际应用需要对系统进行功能扩展和完善，进一步丰富IGBT结温实时监控系统的功能，应用范围更加广阔。

多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统对IGBT器件在正向导通条件下进行测量，测量过程如下：

1)实时监控IGBT的结温。该系统选取栅极与集电极短路时的电压V_GE作为IGBT的温度敏感参数，在降温过程，测量该温度敏感参数，并对其采用线性拟合和最小二乘法方法，推导出结温与时间t的关系，进而反推结温。

2)完成对IGBT器件热疲劳实验：给器件加一个特定功率，使其温度在10s内上升到指定的温度，采用PID自校准算法使温度恒定在某个固定温度值，恒定1min到3min后，进行降温过程，此过程中需要通过温度敏感参数推到出器件的结温T_J。根据结温的大小，用PID自校准算法调节加热脉冲的脉宽使其恒定在某一个特定的值上，恒定一定时间后，关断加热电流，使器件进行降温，如此循环下去直到一个循环周期为止。

3)实时保护IGBT器件，完成热疲劳监控任务。测试过程全电脑控制，测试过程中实测数据实时显示，增加过流、过压、过温保护任务，通过报警并自动断电的方式，实时保护IGBT器件。

附图说明

图1：本发明的多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统硬件结构示意图；

图2：本发明的核心控制板模块结构示意图；

图3：本发明的数据采集模块结构示意图；

图4：本发明的电压V_GE监测电路示意图；

图5：本发明的电流源电路示意图；

图6：本发明的多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统软件结构示意图；

具体实施方式

本发明提供了一种基于FPGA实现的多路IGBT结温实时监控系统，可实现实时监测和调控结温两大功能，且具有精度高，稳定性好，测量范围大等优点。本发明提供的硬件结构如图1所示。

核心控制板模块采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C20F484C8芯片，可在线编程，为了能够满足该模块通用性的要求，除了FPGA之外，在核心板上还配备了SRAM、SDRAM、EPCS等，实现了多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统的监测和调控功能。如图2所示。

数据采集模块受上位机控制，针对不同型号的IGBT设置不同的采样频率。在结温测量过程中，关断加热电流，仅通测试电流，采集IGBT压降的敏感参数，最终将数据送入到FPGA进行处理。其中模数转换器采用的芯片是14位的ADC14L020芯片，经前端差分驱动电路处理后，以差分信号的形式输入到ADC14L020芯片。ADC14L020芯片转换结束后再经磁藕芯片ADUM1400和ADUM1402隔离后，将信号传入到FPGA内部进行处理并将数据存到SDRAM中。系统工作时，采集卡通过LAN接口与上位机建立连接并交换数据。如图3所示。

信号监测模块选用了PT100作为温度传感器，将其与被测模块紧贴在一起，它的阻值随被测器件壳温的变化而变化，可采集的温度范围是0℃到850℃，质量可靠。采用了四线制接法测量，可以有效地消除引线电阻，使壳温测量结果更加准确。另外采集采样电阻的电压，可以得到电路中的加热电流值。窗口电压电路设计采用型号为LM358-2.5的二极管提供基准电压，经功率放大器驱动后，对V_GE电压分压得到窗口电压。MP421高速采集模块对各电压参数进行采集，并传送到核心控制板模块。如图4所示。

电流源模块主要提供测试电流和加热电流。以测试电流为例，核心控制板模块给出的数字信号经TLV5616_DA数模转换芯片转换后，输出到测试电流源的输入端，改变输入电压的大小可以达到调整测试电流的目的。为避免大功率电流源对控制信号的干扰，对电路中的控制信号进行光耦隔离，所选用的芯片型号为6N137。加热电流采用和测试电流同样的设计方案，采用小的限流电阻，在相同电压下，可以获得更大的输出电流。如图5所示。

开关切换模块采用TC4420高速MOSFET驱动电路,选用型号为IRF530N的MOSFET来控制加热电流的通断。由于测试电流一直加在被测器件上，断开M2，同时打开M1，可以让加热电流流过假负载，保护电源，而当被测器件仅有测试电流时，则可对被测器件的热敏参数进行测量。

通讯模块采用局域网(Local Area Network，LAN)完成核心控制板模块与上位机之间的连接，实现通信，核心控制板模块通过I/O口控制各功能模块实现上位机对下位机的调控。该电路主要采用网络芯片DM9000A完成功能设计，通过相应的Nios II软核控制DM9000A芯片。

电源模块采用了各模块独立的设计方法。AC/DC电源给整个系统供电，而内部电路则采用了DC/DC隔离电源给系统的各个独立模块供电。由差模电感和电容组成的LC滤波电路，可以有效抑制外部信号对内部电路的电源噪声干扰以及EMI信号传入，同时还能衰减自身工作是产生的噪声干扰，较少内部噪声对外界传播。采用共模电感和电容组成的滤波电路，在对DC/DC电源的纹波抑制以及噪声干扰信号的滤波中起到了很大的作用。

PC机主控模块与其他所有模块都可以通过R485/LAN进行通讯，不仅可以完成对测试信号的控制，还具有存储、分析及管理测试数据等功能。

该系统采用上位机软件控制多路IGBT的工作，通过TCP/IP网络协议进行传输，使用集线器(HUB)进行转换，基于uC/OS-II的多任务性和实时性，可以实现8路及以上IGBT结温及热疲劳的实时监控。该系统的控制软件按照模块化设计，自顶向下划分多任务。系统的单路IGBT结温实时监控软件结构示意图如图6：主要包括实时操作系统、内存管理、主机接口、主控核心、算法模块和硬件驱动。实时操作系统提供了信号量，消息队列，时间管理等。主控核心包括任务管理，功率循环控制，主机接口，内存管理等逻辑实现。算法模块包括自校准PID算法，最小二乘法，校准算法等。自校准PID算法实现了温度恒定控制，最小二乘法用于线性拟合，校准算法对测量数据进行校准。硬件驱动包括数据采集模块缓存FIFO的控制、DMA数据传输控制、通信模块的实现、受控电流源驱动程序设计等，它们主要是通过SOPC Builder实现对FPGA中Nios II的内核进行设计和配置。其中数据采集模块缓存FIFO的控制使用了Quartus II软件自带的FIFO模块IP核，在FPGA内部实现数据的异步FIFO缓存。DMA数据传输控制实现了数据从FIFO接口到SDRAM的DMA传输。在Nios II的HAL中提供了两套驱动程序分别用来完成DMA的数据发送和接收通道驱动。发送通道负责把数据从源设备发送到目标设备上，而接收通道则负责把数据从源设备接收并存放于目标设备。在通信模块中采用的通信网卡芯片为DM9000A，基于avalon总线编写DM9000A Verilog总线适配接口以及网卡HAL驱动，实现底层的软硬件接口。受控电流源通过核心板控制TLV5616DA芯片来得到0-5V的电压，再对该电压进行放大或衰减后加载到电流采样电阻上，可以获得所需要的电流，其中DA芯片需要驱动程序使其正常工作。以上模块的软件设计程序都在搭载Nios II软核的核心板上运行，通过在Nios II中提供的各项相关通信协议实现相应功能。在此基础上，增加过流、过压、过温保护任务，通过报警并自动断电的方式，可以实时保护IGBT器件，完成热疲劳监控任务。

多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统对IGBT器件在正向导通条件下进行测量，主要可以实现以下功能：

1)实时监控IGBT的结温。该系统选取栅极与集电极短路时的电压V_GE作为IGBT的温度敏感参数，在降温过程，测量该温度敏感参数，并对其采用线性拟合和最小二乘法等方法，推导出结温与时间t的关系，进而反推结温。

2)完成对IGBT器件热疲劳实验：给器件加一个特定功率，使其温度在10s内上升到指定的温度，采用PID自校准算法使温度恒定在某个固定温度值(例如：100摄氏度),恒定1min到3min后，进行降温过程，此过程中需要通过温度敏感参数推到出器件的结温T_J。根据结温的大小，用PID自校准算法调节加热脉冲的脉宽使其恒定在某一个特定的值上，恒定一定时间后，关断加热电流，使器件进行降温，如此循环下去直到500次循环周期为止。

3)实时保护IGBT器件，完成热疲劳监控任务。测试过程全电脑控制，测试过程中实测数据实时显示，增加过流、过压、过温保护任务，通过报警并自动断电的方式，实时保护IGBT器件。

Claims (2)

1.多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统，其特征在于：

该系统选取栅极与集电极短路时的电压V_GE作为IGBT的温度敏感参数，测量不同温度下的V_GE值，画出校准曲线，并对它进行线性拟合，得到结温T_J与V_GE关系；利用最小二乘法拟合出V_GE和时间t的关系，利用这一关系反推结温T_J；该系统通过PID自校准算法控制I_C大小，间接实现器件温度控制，其在恒温条件下完成热疲劳实验，满足在降温过程同时监测8路及以上被测器件的结温；通过监控被测器件的电流、电压值，可以监控被测器件的热疲劳状态，安全高效，能够准确有效预测器件的可靠性；

本发明采用如下技术方案：

多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统，该系统由多组控制单元组成，各控制单元并列布置，每个控制单元的硬件包括核心控制板模块、数据采集模块、信号监测模块、电流源模块、开关切换模块、通讯模块、电源模块、PC机主控模块；各组控制单元的通讯模块、PC机主控模块通过HUB接口连接，电流源模块、开关切换模块、数据采集模块、信号监测模块、通讯模块分别与核心控制板模块连接，电流源模块与开关切换模块连接；电源模块、信号监测模块分别与电源模块连接；电流源模块、信号监测模块、数据采集模块分别与DUT连接；

整个测试系统的各个功能指标如下：

所述核心控制板模块：该模块配置有多个存储芯片，使其拥有足够的程序运行空间和数据存储空间，能够满足通用性的要求；它能够对各模块发送指令并接收传输的数据；

所述数据采集模块：在时序模块控制下，对实时测试的电学信号进行采集，并存入下位机中，AD采样频率最高可达到10MHz；

所述信号监测模块：该模块用于监控IGBT的管壳温度，测试电流以及V_GE电压参数，将各参数信号传送给数据采集卡,实现监测功能；所采用的温度传感器是四线法连接的铂电阻PT100；采样定值电阻电压，得到被测器件加热电流；通过窗口电压电路设计，提高了V_GE数据采集精度并保护了电路；

所述电流源模块：该部分主要提供测试电流和加热电流；其中测试电流用于获得敏感参数电压V_CE；加热电流为IGBT施加功率；

所述开关切换模块：通过开关切换，控制加热电流和测试电流通断，仅有测试电流通过时，得到被测器件的热敏感参数，进而推断器件的结温；

所述通讯模块：本模块通过特定的通信协议使上下位机之间进行通信，各通讯模块之间通过LAN进行数据传输；

所述电源模块：系统的供电电源采用各模块独立的设计方法；设计中使用AC/DC电源给整个系统供电，而内部电路则采用DC/DC隔离电源给系统的各个独立模块供电；

所述PC机主控模块：主控模块为一台PC机，通过控制各个功能模块完成系统监控任务；

本系统提供的多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统，以核心控制板模块为控制核心，外接开关切换模块、电流源模块、数据采集模块、信号监测模块、通信模块硬件模块。

2.根据权利要求1所述的多路IGBT结温及热疲劳实时监控系统，其特征在于：该系统对IGBT器件在正向导通条件下进行测量，测量过程如下：

1)实时监控IGBT的结温；该系统选取栅极与集电极短路时的电压V_GE作为IGBT的温度敏感参数，在降温过程，测量该温度敏感参数，并对其采用线性拟合和最小二乘法方法，推导出结温与时间t的关系，进而反推结温；

2)完成对IGBT器件热疲劳实验：给器件加一个特定功率，使其温度在10s内上升到指定的温度，采用PID自校准算法使温度恒定在某个固定温度值，恒定1min到3min后，进行降温过程，此过程中需要通过温度敏感参数推到出器件的结温T_J；根据结温的大小，用PID自校准算法调节加热脉冲的脉宽使其恒定在某一个特定的值上，恒定一定时间后，关断加热电流，使器件进行降温，如此循环下去直到500次循环周期为止；

3)实时保护IGBT器件，完成热疲劳监控任务；测试过程全电脑控制，测试过程中实测数据实时显示，增加过流、过压、过温保护任务，通过报警并自动断电的方式，实时保护IGBT器件。