CN106969851A - 基于饱和压降测量igbt功率模块结温的在线检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,该装置选取小电流下集电极和发射极的电压VCE作为温度敏感参数,其中所述的检测装置包括:温箱实验单元,确定在小电流下饱和压降VCE与结温Tj之间的函数关系;在功率循环条件下通过开关IGBT模块控制大电流关断,监测待测IGBT关断瞬间的VCE的变化,然后带入预先求出的函数关系得到结温Tj的变化过程。该装置可以实时地检测IGBT的结温。在此基础上,该装置增加过流、过温单元,通过自动断电的方式,实时保护IGBT器件,因此,本发明获得的IGBT的结温比现有技术中通过开盖或者改变电路结构得到的IGBT结温更加的简便快捷。
Description
技术领域
本发明涉及基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,属于温度检测装置领域,特别涉及一种IGBT模块结温在线检测装置。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件,它综合了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和巨型晶体管(GTR)的优点,具有高输入阻抗、易驱动、开关速度快、低导通压降及耐高压与大电流等特性,使其成为大功率电力电子装置的理想功率元件,在轨道交通、航空航天、新能源汽车、风力发电等反复加速减速、起动/停止的电能变换场合得到广泛应用。
在这些大功率电力电子装置的应用中,一方面IGBT模块的工作电压、电流很大,其功耗和芯片工作结温都很高;另一方面由于反复加热、冷却,IGBT模块的结温波动也很显著。随着功率的提升,IGBT模块过热的问题越来越严重,导致其服役寿命降低。为确保IGBT模块能够长期安全可靠地运行,需要对IGBT的结温进行在线监测。
IGBT模块本身具有一个最高工作结温限制,这可从数据手册中获知,如果模块的工作结温超过此限定值,则模块的安全会受到严重威胁,如果能在线测量出模块的结温,就能及时知道模块目前的结温波动状况,便于采取相应的控制措施来减小结温,增加模块的使用寿命。
目前,IGBT结温测量方法主要分为以下四种:物理接触法、光学法、热网络法和温敏参数法。物理接触法需要接触测量,易受封装材料(如硅胶)干扰;光学法:不适合全封装模块,只适合在实验室研究开封模块,而且整套设备价格昂贵。热网络法:IGBT模块焊料层老化后,热网络参数会发生变化,再用原来的热参数进行结温计算将产生较大误差。
温敏参数法:只需测量IGBT模块外部电参量,不需要改变模块封装结构,测量相对简单,且精度非常高。
本发明利用电气参数饱和压降VCE的温度敏感性来在线检测结温Tj。
发明内容
本发明提供一种基于饱和压降测量的IGBT功率模块结温在线检测方法,能够及时准确的在线检测IGBT的结温。
本发明采用的技术方案为基于饱和压降测量的IGBT功率模块结温的在线检测装置,该装置包括温箱实验单元101、功率循环实验单元106、驱动单元102、保护单元103、待测IGBT模块单元105、小电流测试单元104、数据采集单元107。温箱实验单元101、驱动单元102均与待测IGBT模块单元105连接,驱动单元102、保护单元103与功率循环实验单元106连接,小电流测试单元104、功率循环实验单元106和待测IGBT模块单元105连接,待测IGBT模块单元105与数据采集单元107连接。
所述的温箱实验单元101,温箱实验单元101中IGBT模块的栅极VGE常开,持续通入小电流,用于确定在小电流下不同结温Tj对应的饱和压降VCE,对所得数据采用线性拟合和最小二乘法方法,得到出饱和压降VCE与结温Tj的函数关系(如图3所示),以此函数关系为依据,计算功率循环实验条件下IGBT的结温。
所述的功率循环实验单元106,采用与待测IGBT模块相同型号的IGBT模块作为开关,控制大电流的开通和关断。该单元由被测IGBT2、控制开关IGBT1和负载电阻Ra组成,如图2所示。其中,LM317小电流恒流源电路中串联二极管IN5819使得该部分电路在加热过程中不导通在加热结束后导通。被测IGBT模块栅极控制信号一直连接15V使得被测模块在加热过程中一直处于导通状态。采用脉冲信号控制开关IGBT的驱动电路的开通和关断,当脉冲信号处于高电平时大电流的导通,被测IGBT模块加热直至最大结点温度,脉冲信号处于低电平,此时立即测量在该温度下待测IGBT模块的VCE值。
所述的驱动单元如图4所示,所述光耦隔离芯片HCPL2601包括电源脚VCC、第一输入脚A第二输入脚C、常闭脚NC、第一输出脚VO、使能端VE,及接地脚GND;所述的IGBT驱动芯片MIC4451BN包括第一电源脚VS1、第二电源脚VS2、输入脚IN、常闭脚NC、第一输出脚OUT、第二输出脚OUT、及两个接地脚GND;所述的信号输入端J1,连接电阻R9和R10给光耦U2的输入端A和C,一个电流信号,当使能端工作时,光耦U2的输出端V0,输出稳压二极管ZD1所设定的电压值,给驱动芯片U1的输入端IN一个电压信号,驱动芯片U1的输出端OUT,经过肖特基二极管D1和D2及稳压二极管D3,给IGBT的栅极一个15V电压。
所述的保护单元103分为过温保护单元和过流保护单元。
所述的过温保护单元,J2端采集温敏电阻的阻值,经过电感L1、L2和电容C9、C10组成的滤波电路,接入LM2903比较器的2脚与LM2903比较器的3脚的电压信号进行比较,当2脚的电压低于3脚的电压时,比较器工作输出一个电压信号,使三极管Q3的基极2导通,Q3的集电极3接入IGBT驱动信号的IN端,将其电平拉低到0.7V,驱动电路就立即停止工作。
所述的过流保护单元,J3端接入电流互感器的输出端,经过二极管D6,电阻R25和电容C12组成的滤波电路,接入LM2903比较器的3脚与LM2903比较器的2脚的电压信号进行比较,当2脚的电压低于3脚的电压时,比较器工作输出一个电压信号,使三极管Q4的基极2导通,Q3的集电极3接入IGBT驱动信号的IN端,将其电平拉低到0.7V,驱动电路就立即停止工作。
所述待测IGBT模块单元105的驱动端常开,不需施加保护单元,就能使大电流安全的交替施加于待测IGBT模块。
所述小电流测试单元104,采用LM317芯片制作简易稳定的恒流源,用于在待测IGBT大电流关断时给待测IGBT模块施加与温箱实验单元相同大小的小电流,测量此小电流下的饱和压降VCE,即得到此时的Tj。
所述数据采集单元107,用于实时获取压降的变化,此单元的采集速率足够快,能准确反映此时刻的结温值。
附图说明
图1是本发明提供的IGBT结温检测装置实施结构图;
图2是本发明提供的IGBT结温检测装置整体实施电路图;
图3本发明提供的小电流下压降与结温的关系图;
图4是本发明提供的驱动单元对应的电路图;
图5是本发明提供的过温检测单元对应的电路图;
图6是本发明提供的过流检测单元对应的电路图;
图7是本发明提供的IGBT结温检测方法实施流程图。
具体实施方式
下面结合下述实施例对本发明的具体实施步骤做详细的说明。
如图7所示,为本发明提供的IGBT结温检测装置实施流程图,具体实施步骤分为:确定小电流下VCE与Tj的函数关系曲线701;对待测IGBT模块施加特定开关时间的功率循环实验702;对待测IGBT模块施加恒定的小电流703;在功率循环实验关断瞬间测VCE704;在功率循环实验关断瞬间测VCE 705。
确定小电流下VCE与Tj的函数关系曲线时,采用101所述的温箱实验单元,将IGBT模块放入温箱中,分别设定温箱的温度为20℃-150℃,持续20分钟,直至其稳定。此单元中IGBT模块的栅极VGE常开,持续通入小电流,用于确定在小电流下不同结温Tj对应的饱和压降VCE,对所得数据采用线性拟合和最小二乘法方法,得到出饱和压降VCE与结温Tj的函数关系(如图3所示),以此函数关系为依据,计算功率循环实验条件下IGBT的结温。
对待测IGBT模块施加特定开关时间的功率循环实验,采用与待测IGBT模块相同型号的IGBT模块作为开关,控制大电流的开通和关断。该单元由电源V1、控制开关IGBT1、被测IGBT2和负载电阻Ra组成串联回路。其中,LM317为恒流源为电路中提供小电流,二极管IN5819使得该部分电路在加热过程中不导通在加热结束后导通。被测IGBT2栅极控制信号一直施加15V,使得被测模块一直处于导通状态。采用脉冲信号控制开关IGBT2驱动电路的开通和关断,当脉冲信号处于高电平时大电流的导通,被测IGBT模块加热直至最大结点温度,当脉冲信号处于低电平,立即测量在该温度下待测IGBT模块的VCE值。
Claims (9)
1.基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,其特征在于:该装置包括温箱实验单元(101)、功率循环实验单元(106)、驱动单元(102)、保护单元(103)、待测IGBT模块单元(105)、小电流测试单元(104)、数据采集单元(107);温箱实验单元(101)、驱动单元(102)均与待测IGBT模块单元(105)连接,驱动单元(102)、保护单元(103)与功率循环实验单元(106)连接,小电流测试单元(104)、功率循环实验单元(106)和待测IGBT模块单元(105)连接,待测IGBT模块单元(105)与数据采集单元(107)连接。
2.根据权利要求1所述的基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,其特征在于:所述的温箱实验单元(101),温箱实验单元(101)中IGBT模块的栅极VGE常开,持续通入小电流,用于确定在小电流下不同结温Tj对应的饱和压降VCE,对所得数据采用线性拟合和最小二乘法方法,得到出饱和压降VCE与结温Tj的函数关系,以此函数关系为依据,计算功率循环实验条件下IGBT的结温。
3.根据权利要求1所述的基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,其特征在于:所述的功率循环实验单元(106),采用与待测IGBT模块相同型号的IGBT模块作为开关,控制大电流的开通和关断;该单元由被测IGBT2、控制开关IGBT1和负载电阻Ra组成;其中,LM317小电流恒流源电路中串联二极管IN5819使得该部分电路在加热过程中不导通在加热结束后导通;被测IGBT模块栅极控制信号一直连接15V使得被测模块在加热过程中一直处于导通状态;采用脉冲信号控制开关IGBT的驱动电路的开通和关断,当脉冲信号处于高电平时大电流的导通,被测IGBT模块加热直至最大结点温度,脉冲信号处于低电平,此时立即测量在该温度下待测IGBT模块的VCE值。
4.根据权利要求1所述的基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,其特征在于:所述光耦隔离芯片HCPL2601包括电源脚VCC、第一输入脚A第二输入脚C、常闭脚NC、第一输出脚VO、使能端VE,及接地脚GND;所述的IGBT驱动芯片MIC4451BN包括第一电源脚VS1、第二电源脚VS2、输入脚IN、常闭脚NC、第一输出脚OUT、第二输出脚OUT、及两个接地脚GND;所述的信号输入端J1,连接电阻R9和R10给光耦U2的输入端A和C,一个电流信号,当使能端工作时,光耦U2的输出端V0,输出稳压二极管ZD1所设定的电压值,给驱动芯片U1的输入端IN一个电压信号,驱动芯片U1的输出端OUT,经过肖特基二极管D1和D2及稳压二极管D3,给IGBT的栅极一个15V电压。
5.根据权利要求1所述的基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,其特征在于:所述的保护单元(103)分为过温保护单元和过流保护单元;
所述的过温保护单元,J2端采集温敏电阻的阻值,经过电感L1、L2和电容C9、C10组成的滤波电路,接入LM2903比较器的2脚与LM2903比较器的3脚的电压信号进行比较,当2脚的电压低于3脚的电压时,比较器工作输出一个电压信号,使三极管Q3的基极2导通,Q3的集电极3接入IGBT驱动信号的IN端,将其电平拉低到0.7V,驱动电路就立即停止工作;
所述的过流保护单元,J3端接入电流互感器的输出端,经过二极管D6,电阻R25和电容C12组成的滤波电路,接入LM2903比较器的3脚与LM2903比较器的2脚的电压信号进行比较,当2脚的电压低于3脚的电压时,比较器工作输出一个电压信号,使三极管Q4的基极2导通,Q3的集电极3接入IGBT驱动信号的IN端,将其电平拉低到0.7V,驱动电路就立即停止工作。
6.根据权利要求1所述的基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,其特征在于:所述待测IGBT模块单元(105)的驱动端常开,不需施加保护单元,就能使大电流安全的交替施加于待测IGBT模块。
7.根据权利要求1所述的基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,其特征在于:所述小电流测试单元(104),采用LM317芯片制作简易稳定的恒流源,用于在待测IGBT大电流关断时给待测IGBT模块施加与温箱实验单元相同大小的小电流,测量此小电流下的饱和压降VCE,即得到此时的Tj。
8.根据权利要求1所述的基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,其特征在于:所述数据采集单元(107),用于实时获取压降的变化,此单元的采集速率足够快,能准确反映此时刻的结温值。
9.根据权利要求1所述的基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置,其特征在于:该装置的具体实施步骤分为:确定小电流下VCE与Tj的函数关系曲线(701);对待测IGBT模块施加特定开关时间的功率循环实验(702);对待测IGBT模块施加恒定的小电流(703);在功率循环实验关断瞬间测VCE(704);在功率循环实验关断瞬间测VCE(705);
确定小电流下VCE与Tj的函数关系曲线时,采用所述的温箱实验单元(101),将IGBT模块放入温箱中,分别设定温箱的温度为20℃-150℃,持续20分钟,直至其稳定;此单元中IGBT模块的栅极VGE常开,持续通入小电流,用于确定在小电流下不同结温Tj对应的饱和压降VCE,对所得数据采用线性拟合和最小二乘法方法,得到出饱和压降VCE与结温Tj的函数关系,以此函数关系为依据,计算功率循环实验条件下IGBT的结温;
对待测IGBT模块施加特定开关时间的功率循环实验,采用与待测IGBT模块相同型号的IGBT模块作为开关,控制大电流的开通和关断;该单元由电源V1、控制开关IGBT1、被测IGBT2和负载电阻Ra组成串联回路;其中,LM317为恒流源为电路中提供小电流,二极管IN5819使得该部分电路在加热过程中不导通在加热结束后导通;被测IGBT2栅极控制信号一直施加15V,使得被测模块一直处于导通状态;采用脉冲信号控制开关IGBT2驱动电路的开通和关断,当脉冲信号处于高电平时大电流的导通,被测IGBT模块加热直至最大结点温度,当脉冲信号处于低电平,立即测量在该温度下待测IGBT模块的VCE值。
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