CN106569007B - Igbt关断电压和导通电压集成的测量电路 - Google Patents

Igbt关断电压和导通电压集成的测量电路 Download PDF

Info

Publication number
CN106569007B
CN106569007B CN201610992491.1A CN201610992491A CN106569007B CN 106569007 B CN106569007 B CN 106569007B CN 201610992491 A CN201610992491 A CN 201610992491A CN 106569007 B CN106569007 B CN 106569007B
Authority
CN
China
Prior art keywords
igbt
resistance
diode
voltage
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201610992491.1A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106569007A (zh
Inventor
胡亮灯
肖飞
孙驰
艾胜
楼徐杰
熊又星
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Naval University of Engineering PLA
Original Assignee
Naval University of Engineering PLA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Naval University of Engineering PLA filed Critical Naval University of Engineering PLA
Priority to CN201610992491.1A priority Critical patent/CN106569007B/zh
Publication of CN106569007A publication Critical patent/CN106569007A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106569007B publication Critical patent/CN106569007B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R19/00—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof
    • G01R19/0084—Arrangements for measuring currents or voltages or for indicating presence or sign thereof measuring voltage only

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Abstract

本发明提供了一种IGBT关断电压和导通电压集成的测量电路，其特征在于：它包括涉及二极管D1～D3，高输入阻抗差分放大器U1，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，R1、R2高精度限流电阻，IS1～IS2为同型号电流源；其中，电流源IS1通过电阻R1、为二极管D1注入电流、电流源IS2通过电阻R2为二极管D3注入电流，二极管D1、D3阴极分别与IGBT集电极、发射极相连，二极管D1、D3阳极分别与高输入阻抗差分放大器U1同相端和反向端相连，IGBT集电极和发射极间并联了相互串联的电阻RH、RL以及相互串联的电容CH、CL，二极管D2阳极与放大器U1同相端相连；门驱动器的输出端经电阻RG与IGBT的基极连接；本发明实现IGBT开关暂态集电极电压的高带宽测量及导通低压高精度测量。

Description

IGBT关断电压和导通电压集成的测量电路
技术领域
本发明属于电信号高精度测量领域，具体涉及一种IGBT关断电压和导通电压集成的测量电路。
背景技术
目前，电力电子变流技术的一个很重要的发展方向是智能化、中高压、大容量、高功率密度、高可维护性和高可靠性。其中，高可靠性是电力电子变流系统需要达到的最基本也是最重要的一个性能指标。据工业界的调查显示，近三分之一的电力电子变流系统故障是由电力电子功率器件的损坏引起的，尤其是由过电压击穿引起的器件失效，因而对功率器件电压在线监控非常重要。
IGBT是目前应用最为广泛的中大功率、全控型电力电子器件，其直接相关的门级驱动器是影响IGBT器件及其组成的变流系统发挥最优性能的关键因素。目前，传统的模拟式无源门极驱动器采用固定的开通和关断电阻切换来实现IGBT驱动控制，存在着固有的开关损耗和开关性能之间的矛盾，无法实现集电极电压、电流变化率的解耦控制，限制了功率器件的安全运行区间。有源门极驱动技术利用有源器件实现向IGBT门极注入所需要的门极电流或施加特定的门极电压，可实现IGBT的开关损耗与开关性能的较好折中，然而仍存在着一些固有的缺点：①利用大量的模拟器件实现较复杂的控制功能，驱动器内部器件数目多，降低了驱动器的可靠性；②模拟驱动器无法全面实现对IGBT端口电气变量和运行状态的记录和存储，不便于系统控制器对IGBT的运行状态和故障行为进行很好的监控与诊断。
数字门极驱动控制器以数字电路为核心，以部分模拟电路为辅助，其中模拟电路主要对IGBT端口电量信号(uCE、duCE/dt、uGe、iC和diC/dt)检测调理，此后经高速A/D采集后送入FPGA处理、存储和上传。此后通过电压源或电流源实现IGBT驱动分级控制及以硬件比较器为核心的IGBT快速保护功能。其中与数字式IGBT驱动技术直接相关的便是功率器件的端口电气量，其中直接对IGBT可靠运行构成威胁的有IGBT集电极电压VCE。当IGBT承受的集电极电压超过IGBT最大耐压时，很容易造成IGBT电击穿损坏，甚至IGBT爆炸，给整个变流系统造成巨大的破坏，故结合数字驱动器实现IGBT集电极电压在线监控非常必要。
IGBT关断暂态集电极电压的测量是数字式驱动器实现IGBT驱动反馈控制和过电压保护的基础，IGBT导通时饱和电压高精度的测量，对IGBT短路、过电流等故障保护以及IGBT状态识别有着重要的参考作用。此外，通过数字驱动器上传的IGBT集电极电压数据为实现变流器直流母线电压估计及变流器少传感器控制奠定基础。结合集电极电流，可进行IGBT结温在线估计及寿命预测，并对可能出现的故障进行提前保护，实现变流系统可靠性提高。但IGBT关断时的阻断电压和导通时的饱和电压相差很大，两种状态下对测量电路精度要求也不相同。目前，IGBT关断电压常达数千伏，这就要求IGBT集电极高压测量电路能耐压相应电压等级；IGBT导通时，导通饱和压降只有几伏，要求测量精度十毫伏级，以便依据饱和压降来判断IGBT是否过流等故障，实现对IGBT状态识别、寿命预测以及结温的在线估计。由上可知，IGBT集电极电压测量电路需突破测量范围宽，低压测量精度高的难点。
目前，IGBT集电极电压主要应用在模拟式IGBT驱动器中，如CONCEPT公司驱动器基于退饱和电路检测饱和压降来判断IGBT是否短路，利用有源箝位电路来判断IGBT是否过压，InPower公司、Amantys公司部分驱动器通过阻容分压电路实现IGBT集电极电压检测，这些应用对集电极电压检测精度要求不高。利用大电阻分压电路实现IGBT集电极电压测量，由于测量电路系统误差较大，只能测量阻断高电压，IGBT开关暂态测量需考虑电阻寄生参数影响，且不能用于饱和压降的精确测量。通过继电器快速开关来实现IGBT饱和压降测量，但继电器开关速度仍无法满足IGBT饱和压降在线测量要求。通过二极管钳位来测量IGBT饱和压降，但二极管在高温下其饱和压降将变化从而导致测量精度不高。通过二极管和稳压管来测量IGBT饱和压降，稳压管非常有利于功率IGBT热补偿，但稳压管增加了在高压下测量的限制。此外，IGBT开通关断暂态时间短，要求IGBT集电极电压测量电路具有高带宽测量能力，因而设计时需考虑测量电路中电阻、二极管等寄生参数的影响，并设计相应的补偿电路。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种IGBT关断电压和导通电压集成的测量电路，实现IGBT开关暂态集电极电压的高带宽测量及导通低压高精度测量。
本发明提供了一种IGBT关断电压和导通电压集成的测量电路，其特征在于：它包括二极管D1～D3，高输入阻抗差分放大器U1，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，R1、R2高精度限流电阻，IS1～IS2为同型号电流源；其中，电流源IS1通过电阻R1、为二极管D1注入电流、电流源IS2通过电阻R2为二极管D3注入电流，二极管D1、D3阴极分别与IGBT集电极、发射极相连，二极管D1、D3阳极分别与高输入阻抗差分放大器U1同相端和反向端相连，IGBT集电极和发射极间并联了相互串联的电阻RH、RL以及相互串联的电容CH、CL，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，与二极管D2阴极连接于电阻RH、RL之间，二极管D2阳极与放大器U1同相端相连；门驱动器的输出端经电阻RG与IGBT的基极连接；门驱动器的接地端接地；IGBT的发射极接地。所述CL取值满足CL＝RHCH/RL
本发明根据IGBT关断和开通时的集电极电压跨度大、开通低压测量精度要求不同的特点，利用二极管的反向阻断能力，集成了两个测量支路分别实现了IGBT关断电压和导通压降的精确测量。在IGBT开关暂态及关断稳态时，关断电压电路通过电阻分压、电容补偿实现了IGBT开关暂态电压的高带宽测量，测量精度达10V。
附图说明
图1是本发明结构示意图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种IGBT关断电压和导通电压集成的测量电路，其特征在于：它包括二极管D1～D3，高输入阻抗差分放大器U1，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，R1、R2高精度限流电阻，IS1～IS2为同型号电流源；其中，电流源IS1通过电阻R1、为二极管D1注入电流、电流源IS2通过电阻R2为二极管D3注入电流，二极管D1、D3阴极分别与IGBT集电极、发射极相连，二极管D1、D3阳极分别与高输入阻抗差分放大器U1同相端和反向端相连，IGBT集电极和发射极间并联了相互串联的电阻RH、RL以及相互串联的电容CH、CL，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，与二极管D2阴极连接于电阻RH、RL之间，二极管D2阳极与放大器U1同相端相连；门驱动器的输出端经电阻RG与IGBT的基极连接；门驱动器的接地端接地；IGBT的发射极接地。
图中T1为待测IGBT，二极管D1～D3为同型号高压二极管，为降低其反向恢复影响及提高耐压等级，其由多个二极管串联而成，D4～D5为低漏电流稳压管，U1为高输入阻抗差分放大器，其输出电压uOUT为所测量的集电极电压，电阻R1、R2为同型号精密电阻，IS1～IS2为同型号电流源，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，其中电阻RH由多个高耐压大阻值电阻串联而成。为降低电阻寄生电感在IGBT开关暂态时导致的滞后性，在电阻上并联了补偿电容CH。注意：CL、CH取值需合适，取值太大将影响IGBT动态性能，CH值太小则难以实现较好的补偿效果(电阻RH、RL本身还存在寄生电容)，一般选取原则为远大于电阻自身寄生电容，CLCH/(CL+CH)远小于IGBT输出电容。此外，要求电容CL取值满足CL＝RHCH/RL，原因分析如下：
设图1中阻容分压支路上下阻抗分别为ZH(RH、CH并联支路)和ZL(RL、CL并联支路)，其表达式分别如式(1)、式(2)所示：
ZH＝(1/sCH)||RH＝RH/(1+sRHCH) (1)
ZL＝(1/sCL)||RL＝RL/(1+sRLCL) (2)
据电路基本原理有式(3)成立：
uout＝ZL·uCE/(ZL+ZH) (3)
代入式(1)、式(2)后可化为：
化简即
由式(5)知，若有式(6)成立，则式(5)可简化为式(8)，图1中uout正是借助式(8)来实现IGBT开关暂态及关断稳态电压测量，故要求电阻RL、RH和电容CL、CH取值需满足式(7)。
RHCH＝(CH+CL)RHRL/(RH+RL) (6)
式(6)化简即
RLCL＝RHCH (7)
uout＝RL·uCE/(RH+RL) (8)
IGBT集电极电压测量原理如下：
当IGBT导通时，二极管D1～D3均将导通，但由于电阻RL阻值远大于IGBT导通电阻，相比二极管D1正向导通电流，二极管D2正向导通电流几乎为零。由于电流源IS1、IS2为相同电流源，故可认为在IGBT导通时，二级管D1、D3将流过相同电流。二极管的导通压降主要由导通电流和温度决定，考虑到测量电路二级管D1、D3位置相近，可近似认为结温相同，在通以相同电流下，可认为其正向导通压降相等，即VD1＝VD3。
据上述分析，当IGBT导通时，下式成立：
Vo1＝uCE+VD1 (9)
Vo2＝VD3 (10)
VD1＝VD3 (11)
据差分放大器原理有：
uout＝Vo1-Vo2 (12)
结合式(9)～(12)知，在IGBT导通时有式(13)成立：
uCE＝uout (13)
当IGBT关断时，二极管D1反偏截止，而此时二极管D2、D3仍将继续导通，且流过相同电流，同理，二极管D2、D3正向压降VD2、VD3几乎相等。注意，此时电阻RL流过电流由两部分组成，一是IGBT集电极电压uCE经分压后流经其电流和电流源IS1流过其电流，从而有式(14)、(15)成立。
Vo1＝Vo3+VD2 (14)
Vo3＝RLuCE/(RH+RL)+RH RLIS1/(RH+RL) (15)
结合式(10)、(12)、(14)和(15)知，在IGBT关断时有式(16)成立：
uCE＝(RH+RL)uout/RL-RHIS1 (16)
本发明用比较简单的方式是将IGBT导通电压和关断电压于一体，可实现IGBT导通和关断电压准确测量。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (2)

1.一种IGBT关断电压和导通电压集成的测量电路，其特征在于：它包括二极管D1～D3，高输入阻抗差分放大器U1，电阻RH、RL和电容CH、CL构成电阻分压电容补偿网络，R1、R2高精度限流电阻，IS1～IS2为同型号电流源；其中，电流源IS1通过电阻R1、为二极管D1注入电流、电流源IS2通过电阻R2为二极管D3注入电流，二极管D1、D3阴极分别与IGBT集电极、发射极相连，二极管D1、D3阳极分别与高输入阻抗差分放大器U1同相端和反向端相连，IGBT集电极和发射极间并联了相互串联的电阻RH、RL以及相互串联的电容CH、CL；二极管D2阴极连接于电阻RH、RL之间以及电容CH、CL之间，二极管D2阳极与放大器U1同相端相连；门驱动器的输出端经电阻RG与IGBT的基极连接；门驱动器的接地端接地；IGBT的发射极接地。
2.根据权利要求1所述的IGBT关断电压和导通电压集成的测量电路，其特征在于电容CL取值满足CL＝RHCH/RL。
CN201610992491.1A 2016-11-11 2016-11-11 Igbt关断电压和导通电压集成的测量电路 Active CN106569007B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610992491.1A CN106569007B (zh) 2016-11-11 2016-11-11 Igbt关断电压和导通电压集成的测量电路

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201610992491.1A CN106569007B (zh) 2016-11-11 2016-11-11 Igbt关断电压和导通电压集成的测量电路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106569007A CN106569007A (zh) 2017-04-19
CN106569007B true CN106569007B (zh) 2019-05-03

Family

ID=58541315

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201610992491.1A Active CN106569007B (zh) 2016-11-11 2016-11-11 Igbt关断电压和导通电压集成的测量电路

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106569007B (zh)

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107966641A (zh) * 2017-12-06 2018-04-27 珠海泰芯半导体有限公司 一种igbt寿命监测系统
CN111257792B (zh) * 2018-11-30 2022-06-07 中兴通讯股份有限公司 有源器件的检测和保护电路、供电电路及供电方法
CN111313876B (zh) * 2018-12-11 2024-05-31 中电普瑞科技有限公司 一种提高电力电子开关驱动器抗干扰性能的电路
CN111313881B (zh) * 2018-12-11 2024-04-12 中电普瑞科技有限公司 一种提高igbt驱动器抗干扰性能的方法
CN110174603A (zh) * 2019-05-13 2019-08-27 上海交通大学 功率半导体器件导通压降的在线测量电路
CN110133467B (zh) * 2019-05-24 2021-07-16 湖南银河电气有限公司 一种超宽动态范围信号的高精度测量方法
CN111060793B (zh) * 2019-11-13 2021-09-28 南京航空航天大学 直流固态功率控制器的功率管导通电压的在线测量电路
CN110726867B (zh) * 2019-11-14 2024-08-30 南方电网科学研究院有限责任公司 一种适用于桥式电路的管压降快速响应检测电路
CN111025118A (zh) * 2019-12-27 2020-04-17 电子科技大学 一种功率器件导通电压不停机测量电路
CN111929485A (zh) * 2020-08-18 2020-11-13 深圳青铜剑技术有限公司 一种igbt饱和导通电压测量电路
CN113589027B (zh) * 2021-07-30 2022-06-03 奇舍电子科技(上海)有限公司 一种电力电子器件瞬态过程时间信息检测装置

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004056980A (ja) * 2002-07-24 2004-02-19 Fuji Electric Holdings Co Ltd 半導体スイッチング素子の電圧検出回路
CN204536413U (zh) * 2015-02-17 2015-08-05 山东明大电器有限公司 一种igbt集电极电压测量电路
CN104833842A (zh) * 2014-02-07 2015-08-12 英飞凌科技股份有限公司 绝缘栅双极型晶体管集电极-发射极饱和电压测量
EP2933646A1 (en) * 2014-04-17 2015-10-21 Siemens Aktiengesellschaft Precision measurement of voltage drop across a semiconductor switching element

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004056980A (ja) * 2002-07-24 2004-02-19 Fuji Electric Holdings Co Ltd 半導体スイッチング素子の電圧検出回路
CN104833842A (zh) * 2014-02-07 2015-08-12 英飞凌科技股份有限公司 绝缘栅双极型晶体管集电极-发射极饱和电压测量
EP2933646A1 (en) * 2014-04-17 2015-10-21 Siemens Aktiengesellschaft Precision measurement of voltage drop across a semiconductor switching element
CN204536413U (zh) * 2015-02-17 2015-08-05 山东明大电器有限公司 一种igbt集电极电压测量电路

Also Published As

Publication number Publication date
CN106569007A (zh) 2017-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106569007B (zh) Igbt关断电压和导通电压集成的测量电路
CN106569014B (zh) Igbt集电极电压分立测量电路
CN105021967B (zh) 跨半导体开关元件的电压降的精确测量
CN105044581B (zh) 一种SiC IGBT串联阀组动态均压特性和反向恢复特性的测试方法及测试电路
CN107167676B (zh) 一种电力电子变换器直流母排杂散参数提取方法
CN206362890U (zh) 电力电子开关器件结温在线监测装置、检测电路
CN109917179A (zh) 基于功率器件寄生电感的电流检测系统及电流检测方法
CN114167252A (zh) 半导体器件的导通压降测量电路
Wang et al. Condition monitoring of SiC MOSFETs based on gate-leakage current estimation
CN115718247A (zh) 一种非接触式晶闸管工作结温在线检测系统和方法
CN115267466A (zh) 一种氮化镓功率器件动态工况下特性研究的测试系统
CN109444621B (zh) 一种大功率npc三电平逆变器功率模块电流在线检测方法
CN221124697U (zh) 具有过压过流保护的采样电路、装置及其控制系统
Jiang et al. An experimental method for extracting stray inductance of bus bars without high bandwidth current measurement
CN110907797A (zh) 用于电路检测的方法和装置
CN107947771A (zh) 一种igbt保护电路
CN210109188U (zh) 电信息采样电路
CN109188177B (zh) 一种大功率npc三电平逆变器短路电流在线检测系统
CN208969188U (zh) 一种大功率npc三电平逆变器短路电流在线检测系统
CN104678161A (zh) 一种用于微小电流的线性测量电路
CN207249053U (zh) 并联igbt平均值过流检测电路
CN201637809U (zh) 一种直流接地故障检测电路
CN107167678B (zh) 一种多功能模拟信号采集电路
CN114609517A (zh) 一种弧后电流测量系统及其控制方法
Cai et al. Design of IGBT parameter automatic test system based on LabVIEW

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant