CN106443405A - 多igbt模块综合老化特征量测量装置 - Google Patents

多igbt模块综合老化特征量测量装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供的多IGBT模块多老化特征量提取装置，包括待测IGBT模块、老化特征量测量主板和驱动电路，所述驱动电路设置于老化特征量测量主板，所述待测IGBT模块为多个，多个待测IGBT模块并联设置在老化特征量测量主板的测量工位，通过老化特征量测量主板获取待测IGBT模块的老化特征量参数；本发明中的多IGBT模块多老化特征量提取装置，可以在同一恒温环境下，对多个IGBT的多个老化特征量进行快速测量，最大限度的减少了测量时间和保证了测量环境的一致性，本发明通过饱和导通压降、传输特性曲线、寄生电容和IGBT开关暂态波形多种老化特征量共同进行判断，保证了测量结果的准确度。

Description

多IGBT模块综合老化特征量测量装置
技术领域
本发明涉及电子领域，尤其涉及一种多IGBT模块综合老化特征量测量装置。
背景技术
功率变流器作为电能转换和存储的装置，被广泛应用于新能源发电、电力机车牵引、航空电源、电动汽车等领域，而IGBT器件广泛应用于大功率变流装置中，随着IGBT工作时间的推进，其工作性能不断降低，IGBT的工作寿命与可靠性将影响到整个装置或系统的正常运行,对于IGBT可靠性研究具有十分重要的意义，如何实现IGBT老化状态的监测是目前提高IGBT可靠性的关键技术之一，IGBT老化特征量测量技术的研究对提高功率变流器的可靠性有着至关重要的意义。目前对IGBT老化特征量测量主要存在三个不足，一是特征量单一化，IGBT模块是由IGBT芯片、续流二极管、焊料层和键合线多部分组成的复杂结构，单一特征量只能反映IGBT模块某一部分的老化情况，如要对其整体老化状态进行评估，需要多特征量进行综合评估；二是测量条件非一致化，特别是IGBT结温的恒定，由于IGBT老化特征量会随结温的变化而变化，所以在恒温环境下测量老化特征量是很有必要的；三是样本数据单一，单个模块的老化数据不足以说明IGBT模块的老化趋势，因此，亟需一种新的IGBT老化测试技术，以实现多IGBT同时老化并同时采集老化数据，使得获取的结果更加准确可靠。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种多IGBT模块综合老化特征量测量装置，以解决 上述问题。
本发明提供的多IGBT模块多老化特征量提取装置，包括
待测IGBT模块、老化特征量测量主板和驱动电路，所述驱动电路设置于老化特征量测量主板，所述待测IGBT模块为多个，多个待测IGBT模块并联设置在老化特征量测量主板的测量工位，通过老化特征量测量主板获取待测IGBT模块的老化特征量参数。
进一步，所述老化特征量参数包括饱和导通压降、传输特性曲线、门极寄生电容和IGBT开关暂态波形，通过所述IGBT开关暂态波形提取密勒平台、寄生电感和开关时间。
进一步，老化特征量测量主板设置有脉冲测试电路，所述脉冲测试电路包括单脉冲测试电路和双脉冲测试电路，所述单脉冲测试电路用于测量IGBT的传输特性曲线和饱和导通压降，所述双脉冲测试电路用于测量IGBT的常规开关暂态波形和门极寄生电容。
进一步，还包括数字信号处理器，所述数字信号处理器与脉冲测试电路连接，用于发送单脉冲信号或双脉冲信号，通过数字信号处理器使脉冲测试电路输出双脉冲信号，采集待测IGBT模块的基极与发射极之间的电压与集电极电流的关断暂态波形，获取双脉冲回路等效电感，老化前后的待测IGBT模块寄生电感通过如下公式获取：
其中，LE+LC为IGBT模块的寄生电感，LS为母线等效电感，ΔVCE为待测IGBT模块集-射极电压的关断超调部分，ΔIC为Δt时间内集电极电流的变化量。
进一步，所述老化特征量测量主板设置有对多个待测IGBT模块同时测量的多路测量工位，所述测量工位，以并联方式连接，每路测量工位包括常规驱动模块、寄生电容测量驱动模块和传输特性曲线测量驱动模块、多路驱动切换开关和测量端口模块，采集与测量端口模块连接的待测IGBT模块的各个端口，寄生电容测量驱动模块通过如下公式获取门极寄生电容：
其中，CGE为门-射极间寄生电容，CGC为门-集极间寄生电容，COXD为交叠氧化层电容，CGDJ为耗尽层电容，CGC由交叠氧化层电容COXD和耗尽层电容CGDJ串联构成。
进一步，所述驱动电路包括常规驱动电路、多电平驱动电路和恒流源驱动电路，驱动电路与待测IGBT门极之间通过多路切换开关进行切换，所述驱动电路为多路，并与每个待测IGBT模块一一对应连接。
进一步，将所述多路驱动选择开关置于多电平驱动电路，通过数字信号处理器使脉冲测试电路输出单脉冲信号，采集待测IGBT模块的集电极电流与门极与发射极之间的电压变化波形，通过传输特性曲线测量驱动模块获取传输特性曲线，通过所述传输特性曲线对待测IGBT进行老化状态评估，并通过IGBT键合线脱落对所述传输特性曲线的影响变化，对IGBT的老化状态进行判定。
进一步，还包括直流电源和用于提供恒温环境的恒温箱，所述脉冲测试电路外接于恒温箱中的待测IGBT模块，所述直流电源接入恒温箱中。
进一步，将所述多路驱动选择开关置于多电平驱动电路，通过数字信号处理器使脉冲测试电路输出单脉冲信号，采集待测IGBT模块导通阶段的集-射极饱和导通压降，通过恒温箱改变设定温度，重复采集饱和导通压降。
进一步，测量端口模块中老化特征量测量主板、驱动电路与待测IGBT模块连接的端子一端为圆孔，另一端为U型端口，所述老化特征量测量主板的平台地板为金属平板，通过绝缘塑料端子支撑固定并联主电路母排，主电路母排与连接端子连接处设有螺纹孔。
本发明的有益效果：本发明中的多IGBT模块多老化特征量提取装置，可以在同一恒温环境下，对多个IGBT的多个老化特征量进行快速测量，最大限度的减少了测量时间和保证了测量环境的一致性，本发明通过饱和导通压降、传输 特性曲线、寄生电容、寄生电感和IGBT开关暂态波形多种老化特征量共同进行判断，保证了测量结果的准确度。
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IGBT模块并联老化特征量测量主电路示意图。
图2是本发明的IGBT模块老化特征量测量驱动主板示意图。
图3是本发明的老化串联主电路示意图。
图4是本发明的母排连接端子示意图。
图5是本发明的双脉冲测试电路示意图。
图6是本发明的测量的老化前后集-射极关断暂态波形示意图。
图7是本发明的测量的门极开通暂态波形示意图。
图8是本发明的测量的IGBT结温与饱和导通压降波形示意图。
图9是本发明的测量的IGBT传输特性曲线示意图。
图10是本发明的恒流源驱动电路示意图。
图11是本发明的带寄生电容的IGBT模块等效电路示意图。
图12是本发明的恒流源驱动下门极开通暂态波形示意图。
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IGBT模块并联老化特征量测量主电路示意图，图2是本发明的IGBT模块老化特征量测量驱动主板示意图，图3是本发明的老化串联主电路示意图，图4是本发明的母排连接端子示意图，图5是本发明的双脉冲测试电路示意图，图6是本发明的测量的老化前后集-射极关断暂态波形示意图，图7是本发明的测量的门极开通暂态波形示意图，图8是本发明的测量的IGBT结温与饱和导通压降波形示意图。 图9是本发明的测量的IGBT传输特性曲线示意图，图10是本发明的恒流源驱动电路示意图，图11是本发明的带寄生电容的IGBT模块等效电路示意图，图12是本发明的恒流源驱动下门极开通暂态波形示意图。
如图1所示，本实施例中的多IGBT模块多老化特征量提取装置，包括待测IGBT模块、老化特征量测量主板和驱动电路，所述驱动电路设置于老化特征量测量主板，所述待测IGBT模块为多个，多个待测IGBT模块并联设置在老化特征量测量主板的测量工位，测量工位，以并联方式依次连接,通过老化特征量测量主板获取待测IGBT模块的老化特征量参数。在本实施例中，将测量驱动主板、母排连接端子和各个IGBT模块的发射极与集电极固定在一起，在此后的老化与测量过程中，所述集电极与发射极固定的位置不再有任何触碰或改变。母排连接端子的另一端可使用蝶形螺丝固定在老化串联主电路或者测量并联主电路中，母线连接端子如图4所示,主电路连接端子一端采用圆孔，易于使用螺丝使其固定在驱动测量主板与IGBT模块之间，一端采用U型端口，易于串并联电路切换连接,测量并联主电路平台地板采用金属平板，采用绝缘塑料端子支撑固定并联主电路母排，主电路母排与连接端子相连之处攻螺纹孔用于连接端子与主电路母排的连接。将IGBT模块、母排连接端子、测量驱动主板固定在测量并联主电路后，将整个测量平台放入恒温箱中，在所述老化主电路转测量主电路过程中，IGBT模块的各个端口并不会改变，这可保证测量的一致性。
测量平台联合测量驱动主板，待测IGBT模块一起放入恒温箱中，主电路电源输入线从恒温箱左侧接入，数据采集线与主板控制线从恒温箱右侧接触/接入，在本实施例中测量驱动主板上集成了4路IGBT模块，每一路包括常规驱动模块、寄生电容测量驱动模块、夸导阈值测量驱动模块、多路驱动切换开关与IGBT模块老化特征量测量端口模块，测量端口采用标准SMA端口，所述SMA端口连接SMA屏蔽线可以保证高频信号的有效采集。本实施例采用英飞凌的FF50R12RT型号IGBT模块，安装完成后，通过恒温箱设定恒温环境。
在本实施例中，多驱动电路主要包括三种驱动电路：常规驱动电路、多电平驱动电路和恒流源驱动电路，三种驱动电路可用于测量的老化特征量参数， 老化特征量参数包括饱和导通压降、传输特性曲线、门极寄生电容IGBT开关暂态波形，通过所述IGBT开关暂态波形提取密勒平台、寄生电感和开关时间，老化特征量测量主板设置有脉冲测试电路，所述脉冲测试电路包括单脉冲测试电路和双脉冲测试电路，所述单脉冲测试电路用于测量IGBT的传输特性曲线和饱和导通压降，所述双脉冲测试电路用于测量IGBT的常规开关暂态波形和门极寄生电容，通过DSP(数字信号处理器)使脉冲测试电路输出双脉冲信号，采集与测量端口模块连接的待测IGBT模块的各个端口(包括门极、主发射极和集电极)，获取双脉冲回路等效电感,多模块测量电路采用多模块并联的方式置于恒温环境中，并且多模块并联电路可以在不触碰IGBT端口的情况下快速改变成多模块串联电路，用于多模块串联功率循老化试验。所述老化特征量的测量端口可直接用示波器或者数据采集装置进行特征量采集，本实施例中的双脉冲电路如图5所示，双脉冲测试电路中待测模块的位置通过电源线接入恒温箱中的待测模块，多路驱动选择开关置于常规驱动，通过DSP给待测模块一个双脉冲信号，此时通过示波器采集待测IGBT模块的集-射集电压与集电极电流的关断暂态波形，如图6所示，根据关断暂态波形可计算出双脉冲回路等效电感LH＝LS+LE+LC，其中LS为母线等效电感，LE+LC为IGBT模块寄生电感。根据公式(1)
可计算出LH的值，ΔVCE为待测IGBT模块的集-射极电压的关断超调部分，ΔIC为Δt时间内集电极电流的变化量，当IGBT模块老化后，其寄生电感LE+LC会发生变化，老化前后IGBT模块寄生电感的计算值如表1所示；
老化前 老化后
LS+LE+LC 970nH 1357nH
表1
在本实施例中，通过示波器采集待测IGBT模块的门-射集电压与门极电流的开通暂态波形，如图7所示，恒温箱外电源线直接连接直流电源，多路驱动 选择开关置于常规驱动，通过DSP给待测模块一个单脉冲信号，此时通过示波器采集待测IGBT模块导通阶段的集-射极饱和导通压降，通过恒温箱改变设定温度，重复采集饱和导通压降如图8所示，恒温箱外电源线直接连接直流电源，多路驱动选择开关置于多电平驱动，通过DSP给出一个单脉冲信号，此时通过示波器采集待测IGBT模块的集电极电流与门-射极电压变化波形，通过集电极电流与门-射极电压波形即可得到传输特性曲线如图9所示，恒温箱外电源线直接连接直流电源，多路驱动选择开关置于恒流源驱动，恒流源驱动如图10所示，前级为推挽电路，后级为恒流源电路，带门极寄生电容的IGBT模块等效电路如图11所示，门极寄生电容可作为老化参数。通过DSP给出一个脉冲信号，此时通过示波器采集待测IGBT模块的门极电压电流的开通暂态波形如图12所示。根据图12，门极寄生电容可由公式(2)(3)得到，其中CGC＝CGDJ+COXD，计算结果如表2所示
老化前 老化后
CGC(nF) 7.10 7.92
CGE(nF) 3.95 3.56
表2
在本实施例中，通过IGBT键合线脱落对所述传输特性曲线的影响变化，对IGBT的老化状态进行判定。由于IGBT模块的老化会使其内部的键合线断裂，因此，本实施例通过逐渐剪断IGBT的键合线来模拟IGBT模块的老化情况，随着键合线脱落数的增加，传输特性曲线会向下偏移。在本实施例中，通过门极寄生电容判断门极的老化情况；通过传输特性曲线和饱和导通压降判断键合线的老化情况；通过寄生电感可判断集电极与发射极的老化情况。
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 (10)

1.一种多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：包括
待测IGBT模块、老化特征量测量主板和驱动电路，所述驱动电路设置于老化特征量测量主板，所述待测IGBT模块为多个，多个待测IGBT模块并联设置在老化特征量测量主板的测量工位，通过老化特征量测量主板获取待测IGBT模块的老化特征量参数。
2.根据权利要求1所述的多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：所述老化特征量参数包括饱和导通压降、传输特性曲线、门极寄生电容和IGBT开关暂态波形，通过所述IGBT开关暂态波形提取密勒平台、寄生电感和开关时间。
3.根据权利要求2所述的多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：老化特征量测量主板设置有脉冲测试电路，所述脉冲测试电路包括单脉冲测试电路和双脉冲测试电路，所述单脉冲测试电路用于测量IGBT的传输特性曲线和饱和导通压降，所述双脉冲测试电路用于测量IGBT的常规开关暂态波形和门极寄生电容。
4.根据权利要求3所述的多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：还包括数字信号处理器，所述数字信号处理器与脉冲测试电路连接，用于发送单脉冲信号或双脉冲信号，通过数字信号处理器使脉冲测试电路输出双脉冲信号，采集待测IGBT模块的基极与发射极之间的电压与集电极电流的关断暂态波形，获取双脉冲回路等效电感，老化前后的待测IGBT模块寄生电感通过如下公式获取：
( L S + L C + L E ) ΔI C Δ t = ΔV C E
其中，LE+LC为IGBT模块的寄生电感，LS为母线等效电感，ΔVCE为待测IGBT模块集-射极电压的关断超调部分，ΔIC为Δt时间内集电极电流的变化量。
5.根据权利要求3所述的多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：所述老化特征量测量主板设置有对多个待测IGBT模块同时测量的多路测量工位，所述测量工位，以并联方式连接，每路测量工位包括常规驱动模块、寄生电容测量驱动模块和传输特性曲线测量驱动模块、多路驱动切换开关和测量端口模块，采集与测量端口模块连接的待测IGBT模块的各个端口，寄生电容测量驱动模块通过如下公式获取门极寄生电容：
C G E ΔV g e 1 Δt 1 = I g - p e k
( C G E + C G C ) ΔV g e 2 Δt 2 = I g - p e k
其中，CGE为门-射极间寄生电容，CGC为门-集极间寄生电容，COXD为交叠氧化层电容，CGDJ为耗尽层电容，CGC由交叠氧化层电容COXD和耗尽层电容CGDJ串联构成。
6.根据权利要求5所述的多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：所述驱动电路包括常规驱动电路、多电平驱动电路和恒流源驱动电路，驱动电路与待测IGBT门极之间通过多路切换开关进行切换，所述驱动电路为多路，并与每个待测IGBT模块一一对应连接。
7.根据权利要求6所述的多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：将所述多路驱动选择开关置于多电平驱动电路，通过数字信号处理器使脉冲测试电路输出单脉冲信号，采集待测IGBT模块的集电极电流与门极与发射极之间的电压变化波形，通过传输特性曲线测量驱动模块获取传输特性曲线，通过所述传输特性曲线对待测IGBT进行老化状态评估，并通过IGBT键合线脱落对所述传输特性曲线的影响变化，对IGBT的老化状态进行判定。
8.根据权利要求5所述的多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：还包括直流电源和用于提供恒温环境的恒温箱，所述脉冲测试电路外接于恒温箱中的待测IGBT模块，所述直流电源接入恒温箱中。
9.根据权利要求8所述的多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：将所述多路驱动选择开关置于多电平驱动电路，通过数字信号处理器使脉冲测试电路输出单脉冲信号，采集待测IGBT模块导通阶段的集-射极饱和导通压降，通过恒温箱改变设定温度，重复采集饱和导通压降。
10.根据权利要求7所述的多IGBT模块多老化特征量提取装置，其特征在于：测量端口模块中老化特征量测量主板、驱动电路与待测IGBT模块连接的端子一端为圆孔，另一端为U型端口，所述老化特征量测量主板的平台地板为金属平板，通过绝缘塑料端子支撑固定并联主电路母排，主电路母排与连接端子连接处设有螺纹孔。
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