CN106771945A - 一种igbt结温在线监测方法及其测量电路 - Google Patents

一种igbt结温在线监测方法及其测量电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种IGBT结温在线监测方法及其测量电路，该方法解决了现有的IGBT结温测量方法无法实现大电流工况下的结温在线监测问题，提出的通过饱和压降对IGBT的结温进行工作状态下在线监测的方法。基于本发明提出的方法，能够克服现有方法的不足，实现IGBT的高电压阻断，进行高精度的饱和压降测量。且本发明的测量电路能够同时监测逆变器中上下桥臂的两个IGBT和二极管芯片的温度；能够方便的集成到现有的IGBT的驱动电路中，对IGBT模块进行过温保护。

Description

一种IGBT结温在线监测方法及其测量电路
技术领域
本发明涉及一种IGBT结温在线监测方法及其测量电路。
背景技术
结温是IGBT模块运行中的一个重要参数，IGBT模块本身具有最高结温限制，一般为125～175℃，如果模块的工作结温超过最高结温限定值，则很可能引起模块过温烧毁，对系统运行的安全产生威胁。同时，IGBT的工作寿命受到温度的影响，温度越高，温度波动越大，IGBT模块的工作寿命越低。如果能对工作状态下的IGBT模块的结温进行实时监测，一方面能对IGBT进行更有效的过温保护，防止器件失效，另一方面，可以通过实际测量的运行结温，对IGBT的寿命损耗进行实时预计，实现寿命监测。
目前，IGBT的结温测量方法包括红外探测方法、热传感器法和电学方法。红外探测使用红外热成像仪正对芯片的发热区域，可以得到IGBT模块内部的温度分布，但需要破坏IGBT的封装结构，改变器件的状态，不能进行工作下的实时测量和保护。热传感器方法通过在IGBT内部放置热电偶、热电阻等对IGBT的芯片温度进行监测，对于封装和芯片安装空间有一定要求，目前部分IGBT厂商的模块内部集成有NTC即是利用模块内部的热电阻来对IGBT的内部温度进行监测，但是由于NTC温度与芯片温度有一定差异，同时其响应时间较长，IGBT模块的过温损坏常常是瞬间发生，难以利用其对IGBT模块的结温进行有效的实时保护。
电学方法即使利用IGBT模块的某些电学参数的温度敏感特性，事先对IGBT模块的热敏感电参数与芯片温度的关系进行标定，然后当IGBT处于工作状态下，通过测量热敏感电参数来间接测量芯片温度。电学方法具有实现难度小，可以集成在IGBT控制电路内，响应速度快等特点。能够进行工作状态下的IGBT实时结温监测。
IGBT的热敏感电参数包括：阈值电压、开关过程中的电压电流变化率、导通压降等。其中阈值电压与温度呈负线性关系，然而在实际运行过程中，该参数很难在高压强电环境下准确测量到，并且与IGBT的电压、电流均相关，可行性差；开关过程中的电压电流变化率等测量方法复杂，不同电压下的系数差别很大，且与温度呈现出非线性关系；饱和压降与温度的线性度最好，敏感度高，相关因素少(与IGBT的电压无关，仅与电流、温度相关)，标定方法和测试电路相对简单。
直接对IGBT的导通压降进行测量需要高耐压的传感器，所测量的导通压降相对于阻断电压来说较小，测量精度不高，非常容易受到干扰。因此，要实现具有实用性的IGBT结温在线监测，需要解决测量精度、电压阻断、与高压大电流隔离、抗干扰等问题。
申请号为201510245724.7的发明专利申请中提供了基于饱和压降测试IGBT结温的温度定标平台和方法，但是并没有给出在工作状态下对IGBT结温实时监测的电路和方法。
申请号为201410345265.5)的发明专利申请中提供了基于饱和压降对IGBT结温进行在线监测的电路和方法，然而该电路结构复杂，实现困难，且只能对单一IGBT芯片的温度进行监测。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种IGBT结温在线监测方法，该方法能够克服现有方法的不足，实现IGBT的高电压阻断，进行高精度的饱和压降测量；本发明的另一目的在于提供一种实现本发明方法的测量电路。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种IGBT结温在线监测方法，所述监测方法为：分别使用有温度控制的参数测试仪对待测的IGBT模块的上、下桥臂的IGBT和二极管在不同温度、正向电流下的压降进行测量，并拟合成压降关于温度、电流的函数，建立标定数据库；采用测量电路测量上、下桥臂的IGBT和二极管的压降，并根据时间信号分别提取出上、下桥臂的IGBT和二极管的压降，根据标定的压降与电流、温度的关系，通过查表将其转化为芯片温度。
一种IGBT结温的测量电路，所述测量电路包括上桥臂侧的导通压降测量电路、下桥臂侧的导通压降测量电路、ADC模块和数字信号处理单元；其中，所述上桥臂侧的导通压降测量电路和下桥臂侧的导通压降测量电路的电路结构相对称，分别用于测量待测IGBT上、下桥臂的导通压降和二极管的正向压降；所述上桥臂侧的导通压降测量电路包括电压阻断用二极管(D1)、二极管(D2)，所述二极管(D1)的阴极直接与上桥臂IGBT的集电极相连，所述二极管(D2)的阴极与二极管(D1)的阳极相连，二极管(D2)的阳极连接有电流源，二极管(D1)的阳极还连接有钳位二极管(D3)的阳极和运算放大器(U1)的正向输入端；所述钳位二极管(D3)的阴极连接有钳位二极管(D4)的阳极；所述钳位二极管(D4)的阴极连接有电源；所述运算放大器(U1)的负向输入端通过电阻(R1)与二极管(D2)的阳极连接，运算放大器(U1)的负向输入端通过电阻(R2)与运算放大器(U1)的输出端连接；运算放大器(U1)的输出端与所述ADC模块连接，所述ADC模块与所述数字信号处理单元连接。
进一步，所述ADC模块为14位的ADC模块。
进一步，所述二极管(D1)和所述二极管(D2)的特性一致。
进一步，所述电阻(R1)与所述电阻(R2)的阻值相同。
进一步，所述ADC模块和所述数字信号处理单元之间通过光耦连接。
进一步，所述数字信号处理单元为DSP。
进一步，所述数字信号处理单元连接有计算机。
本发明具有以下有益技术效果：
本发明的监测方法解决了现有的IGBT结温测量方法无法实现大电流工况下的结温在线监测问题，提出的通过饱和压降对IGBT的结温进行工作状态下在线监测的方法。基于本发明提出的方法，能够克服现有方法的不足，实现IGBT的高电压阻断，进行高精度的饱和压降测量；且能够同时监测逆变器中上下桥臂的两个IGBT和二极管芯片的温度；能够方便的集成到现有的IGBT的驱动电路中，对IGBT模块进行过温保护。本发明的测量电路简单易于实现，能够同时达到阻断高电压、测量饱和压降，实现测量与高电压大电流隔离的目的，并且能够达到极快的响应速度，可以对一个电流周期内的温度波动进行测量。
本发明的监测方法结合测量电路，通过对工作状态下的IGBT模块的各个桥臂的压降进行测量，能够实现对IGBT模块内部芯片的温度监测，特别适用于进一步集成进驱动电路中对IGBT模块进行过温保护，以及收集温度数据对IGBT模块的寿命损耗状态进行估计。
附图说明
图1为本申请的测量电路的结构示意图。
具体实施方式
下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。
本发明提供了一种IGBT结温在线监测方法，该监测方法为：分别使用有温度控制的参数测试仪对待测的IGBT模块的上、下桥臂的IGBT和二极管在不同温度、正向电流下的压降进行测量，并拟合成压降关于温度、电流的函数，建立标定数据库；采用测量电路测量上、下桥臂的IGBT和二极管的压降，并根据时间信号分别提取出上、下桥臂的IGBT和二极管的压降，根据标定的压降与电流、温度的关系，通过查表将其转化为芯片温度。
本发明还提供了一种IGBT结温的测量电路，该测量电路包括上桥臂侧的导通压降测量电路、下桥臂侧的导通压降测量电路、ADC模块和数字信号处理单元；其中，上桥臂侧的导通压降测量电路和下桥臂侧的导通压降测量电路的电路结构相对称，分别用于测量待测IGBT上、下桥臂的导通压降和二极管的正向压降；上桥臂侧的导通压降测量电路包括电压阻断用二极管D1、二极管D2，二极管D1的阴极直接与上桥臂IGBT的集电极相连，所述二极管D2的阴极与二极管D1的阳极相连，二极管D2的阳极连接有电流源，二极管D1的阳极还连接有钳位二极管D3的阳极和运算放大器U1的正向输入端；钳位二极管D3的阴极连接有钳位二极管D4的阳极；钳位二极管D4的阴极连接有电源；运算放大器U1的负向输入端通过电阻R1与二极管D2的阳极连接，运算放大器U1的负向输入端通过电阻R2与运算放大器U1的输出端连接；运算放大器U1的输出端与ADC模块连接，ADC模块与数字信号处理单元连接。
本申请的ADC模块为14位的ADC模块；二极管D1和二极管D2的特性一致；电阻R1与电阻R2的阻值相同。ADC模块和数字信号处理单元之间通过光耦连接。数字信号处理单元为DSP。数字信号处理单元连接有计算机。
本发明的测量电路工作过程为：IGBT阻断时，D1和D2阻断高压保护测量电路避免击穿；IGBT导通时，电流源使两个二极管D1和D2正向偏置，此时有：Vce1＝2Vb1-Va。二极管D3、D4与运算放大器U1相连，U1外接电阻R1和R2，且有R1＝R2，因此，U1的输出电压则为导通压降Vce1。当上桥臂IGBT导通时，该压降测量电路可以测得上桥臂IGBT的导通压降，当上桥臂IGBT关断后，二极管处于导通状态时，该压降测量电路可以测得上桥臂二极管的正向压降。下桥臂的导通压降测量电路与上桥臂对称，因此，该测量电路可以获得上、下桥臂IGBT的导通压降和二极管的正向压降。运算放大器的输出端连接到14位ADC，ADC对运算放大器输出的电压值进行采样，采用光耦将ADC的数据输入到DSP中，并通过DSP导入到计算机中进行处理。
上面所述只是为了说明本发明，应该理解为本发明并不局限于以上实施例，符合本发明思想的各种变通形式均在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种IGBT结温在线监测方法，其特征在于，所述监测方法为：分别使用有温度控制的参数测试仪对待测的IGBT模块的上、下桥臂的IGBT和二极管在不同温度、正向电流下的压降进行测量，并拟合成压降关于温度、电流的函数，建立标定数据库；采用测量电路测量上、下桥臂的IGBT和二极管的压降，并根据时间信号分别提取出上、下桥臂的IGBT和二极管的压降，根据标定的压降与电流、温度的关系，通过查表将其转化为芯片温度。
2.一种实现权利要求1中的监测方法的测量电路，其特征在于，所述测量电路包括上桥臂侧的导通压降测量电路、下桥臂侧的导通压降测量电路、ADC模块和数字信号处理单元；其中，所述上桥臂侧的导通压降测量电路和下桥臂侧的导通压降测量电路的电路结构相对称，分别用于测量待测IGBT上、下桥臂的导通压降和二极管的正向压降；所述上桥臂侧的导通压降测量电路包括电压阻断用二极管(D1)、二极管(D2)，所述二极管(D1)的阴极直接与上桥臂IGBT的集电极相连，所述二极管(D2)的阴极与二极管(D1)的阳极相连，二极管(D2)的阳极连接有电流源，二极管(D1)的阳极还连接有钳位二极管(D3)的阳极和运算放大器(U1)的正向输入端；所述钳位二极管(D3)的阴极连接有钳位二极管(D4)的阳极；所述钳位二极管(D4)的阴极连接有电源；所述运算放大器(U1)的负向输入端通过电阻(R1)与二极管(D2)的阳极连接，运算放大器(U1)的负向输入端通过电阻(R2)与运算放大器(U1)的输出端连接；运算放大器(U1)的输出端与所述ADC模块连接，所述ADC模块与所述数字信号处理单元连接。
3.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于，所述ADC模块为14位的ADC模块。
4.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于，所述二极管(D1)和所述二极管(D2)的特性一致。
5.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于，所述电阻(R1)与所述电阻(R2)的阻值相同。
6.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于，所述ADC模块和所述数字信号处理单元之间通过光耦连接。
7.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于，所述数字信号处理单元为DSP。
8.根据权利要求2所述的测量电路，其特征在于，所述数字信号处理单元连接有计算机。
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