CN106969851B - 基于饱和压降测量igbt功率模块结温的在线检测装置 - Google Patents

基于饱和压降测量igbt功率模块结温的在线检测装置 Download PDF

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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

基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置
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 (5)

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)、被测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)均与被测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)和被测IGBT模块单元(105)连接，被测IGBT模块单元(105)与数据采集单元(107)连接；
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)；对被测IGBT模块施加特定开关时间的功率循环实验(702)；对被测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)；将测得的VCE带入小电流下VCE与Tj的函数关系曲线，得到被测IGBT模块的温度Tj(706)；
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，设定温箱的温度为20℃-150℃，每个温度持续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，得出IGBT模块的饱和压降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被测IGBT模块的结温；
对被测IGBT模块施加特定开关时间的功率循环实验；功率循环实验单元(106)由电源V1、控制开关IGBT1、被测IGBT模块和负载电阻Ra组成串联回路；采用与被测IGBT模块相同型号的IGBT1作为控制开关，控制大电流的开通和关断；LM317为恒流源为电路中提供小电流，二极管IN5819使得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施加15V，使得被测IGBT模块一直处于导通状态；采用脉冲信号控制控制开关IGBT1驱动电路的开通和关断，当脉冲信号处于高电平时大电流导通，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时，立即测量在该温度下被测IGB模块的VCE值；将此VCE带入小电流下VCE与Tj函数关系曲线可得被测IGBT模块的Tj。
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的基极导通，Q3的集电极接入IGBT驱动信号的输入端，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的基极导通，Q4的集电极接入IGBT驱动信号的输入端，将其电平拉低到0.7V，驱动电路就立即停止工作。
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：所述被测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被测IGBT模块。
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，用于在被测IGBT模块大电流关断时给被测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，得到此时的Tj。
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：所述数据采集单元(107)，用于实时获取压降的变化，此数据采集单元的采集速率快，能准确反映此时刻的结温值。
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