CN108107333A - 一种igbt热敏感电参数提取装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IGBT热敏感电参数提取的装置，主要包括功率循环系统、热敏感电参数提取系统、测试工位、温控系统和测量与控制保护系统。热敏感电参数提取系统主要包括静态热敏感电参数提取子系统和动态热敏感电参数提取子系统。测试工位上放置待测器件。待测器件输出模拟波形信号。测量与控制保护系统通过功率循环系统对待测器件加热。测量与控制保护系统通过温控系统对待测器件冷却。测量与控制保护系统测量提取热敏感电参数提取系统中的热敏感电参数。

Description

一种IGBT热敏感电参数提取装置
技术领域
本发明涉及功率半导体器件开关特性研究领域，具体是一种IGBT热敏感电参数提取的装置。
背景技术
随着电力电子技术的发展和半导体制造工艺的提升，功率半导体器件的使用日益广泛。尤其在诸如柔性交直流输电、电力机车牵引等大功率，开断频率高的应用场景中，IGBT因其耐压高、通流能力强、开断速度快的优势在诸多功率器件中脱颖而出。在高压大电流频繁开断的应用中，芯片过热成为IGBT失效的主要因素之一。同时，结温以及结温的波动是IGBT寿命评估模型的重要参数之一。因此，实时动态测量芯片结温成为亟待解决的问题。现有技术，如红外热成像、热电偶可以解决结温测量的问题，但存在响应速度慢、需要对IGBT结构进行改造等等缺点。
输出功率的大小会导致不同的结温，IGBT的老化亦会对结温产生影响。随着IGBT的功率循环，一方面IGBT频繁开断，结温在高低位波动，IGBT层与层之间由于热膨胀系数不同而产生应力，最终造成封装上的缺陷，IGBT封装的散热能力降低，高结温的时间增加。另一方面，高压大电流的工作状态容易造成芯片内部的老化，导致性能降低，出现通态电阻的增大以及开关损耗的增加，进一步导致功率损耗增加，芯片结温升高，形成正反馈，最终导致芯片失效。因此，IGBT老化对结温的影响也是研究热点之一。
基于此，需要提出一种能够区别与传统结温测量的方法，研究在老化的不同阶段中的结温情况，且能够在不改动IGBT内部构造的同时做到实时准确。
发明内容
本发明的目的是解决现有技术中存在的问题。
为实现本发明目的而采用的技术方案是这样的，一种IGBT热敏感电参数提取的装置，主要包括功率循环系统、热敏感电参数提取系统、测试工位、温控系统和测量与控制保护系统。
所述功率循环系统的电路结构为：功率循环电源控制开关S1的A1端串联功率循环电流源Is。
所述功率循环系统和所述热敏感电参数提取系统构成串联回路。
进一步，所述功率循环系统和所述热敏感电参数提取系统独立工作。
所述热敏感电参数提取系统主要包括静态热敏感电参数提取子系统和动态热敏感电参数提取子系统。
进一步，所述静态热敏感电参数提取子系统和所述动态热敏感电参数提取子系统独立且不能同时工作。
所述静态热敏感电参数提取子系统的电路结构为：测试电流源控制开关S2的A2端串联测试电流源IM的负极。
所述动态热敏感电参数提取子系统的电路结构为：续流二极管FWD的正极依次串联续流电感L和阻尼电阻R。所述阻尼电阻R串联所述静态热敏感电参数提取子系统的所述测试电流源IM正极。
所述续流二极管FWD的正极依次串联脉冲储能电容C和储能系统控制开关S3的A3端。所述储能系统控制开关S3的B3端串联所述静态热敏感电参数提取子系统的所述测试电流源控制开关S2的B2端。
所述续流二极管FWD的正极依次串联储能电源Udc、储能电源控制开关S4和所述储能系统控制开关S3的A3端。
所述测试工位的电路结构为：三极管的发射极串联二极管D的正极。所述三极管的集电极串联所述二极管D的负极。所述三极管的集电极串联功率循环电源控制开关S1的B1端。所述三极管的基极输出模拟波形信号。
所述测试工位和所述功率循环系统构成串联回路。
所述测试工位和所述热敏感电参数提取系统构成串联回路。
所述测试工位上放置待测器件。
所述待测器件输出模拟波形信号。
所述温控系统主要包括程控制冷机、散热基板、冷却液导管、电磁阀I和电磁阀II。
所述程控制冷机通过所述电磁阀I连接所述散热基板。
所述程控制冷机通过所述电磁阀II连接所述冷却液导管。
所述电磁阀I导通且所述电磁阀II关断时，所述散热基板工作。
所述电磁阀I关断且所述电磁阀II导通时，所述散热基板不工作。
冷却液在所述冷却液导管内部流通。
所述测量与控制保护系统主要包括：数据采集卡、A/D转换模块、处理器和信号源。
所述数据采集卡采集所述待测器件的模拟波形信号。
所述A/D转换模块将所述模拟波形信号转化为数字波形信号。
所述处理器接受所述A/D转换模块传递的数字信号，对信号进行采样并通过算法进行数字滤波。
所述处理器向所述功率循环电源控制开关S1、所述测试电流源控制开关S2、所述储能系统控制开关S3和所述储能电源控制开关S4输出开关控制信号。
所述处理器向所述信号源输出触发控制信号。
所述信号源向所述待测器件输出触发信号。
所述测量与控制保护系统通过所述功率循环系统对所述待测器件加热。
所述测量与控制保护系统通过所述温控系统对所述待测器件冷却。
所述测量与控制保护系统测量提取所述热敏感电参数提取系统中的热敏感电参数。
本发明的技术效果是毋庸置疑的。本发明的目的之一是提供一种IGBT热敏感电参数的提取装置。IGBT热敏感电参数的提取装置引入热敏感电参数提取系统，通过测量IGBT外部电气参数(如电压、电流等)来反映芯片结温，较传统结温测量方法准确性高、实时性强。
本发明的目的之二是提供一种研究IGBT热敏感电参数反映或描述IGBT老化程度的方法，通过引入功率循环系统，能够实现IGBT不同程度的老化，通过观察热敏感电参数的改变量，进而量化地描绘IGBT老化的程度，并通过观察IGBT各电气参数随IGBT老化程度的变化，进而探寻新的热敏感电参数。
附图说明
图1为各系统模块之间的互联关系图；
图2为电路原理图；
图3为温控系统原理图；
图4为测量与控制保护系统原理图；
图5为静态热敏感电参数提取电路开关状态示意图；
图6为动态热敏感电参数提取电路开关状态示意图；
图7为功率循环试验电路开关状态示意图。
图中：功率循环系统、热敏感电参数提取系统、测试工位、冷却系统、测量与控制保护系统、、待测器件、程控制冷机、散热基板、冷却液导管、电磁阀I和电磁阀II、数据采集卡、A/D转换模块、处理器和信号源。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应该理解为本发明上述主题范围仅限于下述实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的保护范围内。
实施例1：
参见图1、图2、图3和图4，一种IGBT热敏感电参数提取的装置，主要包括功率循环系统1、热敏感电参数提取系统2、测试工位3、温控系统4和测量与控制保护系统5。
所述功率循环系统1的电路结构为：功率循环电源控制开关S1的A1端串联功率循环电流源Is。
所述功率循环系统1和所述热敏感电参数提取系统2构成串联回路。
进一步，所述功率循环系统1和所述热敏感电参数提取系统2独立工作。
所述热敏感电参数提取系统2主要包括静态热敏感电参数提取子系统201和动态热敏感电参数提取子系统202。
进一步，所述静态热敏感电参数提取子系统101和所述动态热敏感电参数提取子系统102独立且不能同时工作。
所述静态热敏感电参数提取子系统201的电路结构为：测试电流源控制开关S2的A2端串联测试电流源IM的负极。
所述动态热敏感电参数提取子系统202的电路结构为：续流二极管FWD的正极依次串联续流电感L和阻尼电阻R。所述阻尼电阻R串联所述静态热敏感电参数提取子系统201的所述测试电流源IM正极。
所述续流二极管FWD的正极依次串联脉冲储能电容C和储能系统控制开关S3的A3端。所述储能系统控制开关S3的B3端串联所述静态热敏感电参数提取子系统201的所述测试电流源控制开关S2的B2端。
所述续流二极管FWD的正极依次串联储能电源Udc、储能电源控制开关S4和所述储能系统控制开关S3的A3端。
进一步，续流二极管FWD在电路中起到续流的作用，它在电路中一般用来保护元件不被感应电压击穿或烧坏。
所述测试工位3的电路结构为：三极管的发射极串联二极管D的正极。所述三极管的集电极串联所述二极管D的负极。所述三极管的集电极串联功率循环电源控制开关S1的B1端。所述三极管的基极输出模拟波形信号。
所述测试工位3和所述功率循环系统1构成串联回路。
所述测试工位3和所述热敏感电参数提取系统2构成串联回路。
所述测试工位3上放置待测器件301。
所述待测器件301输出模拟波形信号。
所述温控系统4主要包括程控制冷机401、散热基板402、冷却液导管403、电磁阀I404和电磁阀II405。
所述程控制冷机401通过所述电磁阀I404连接所述散热基板402。
所述程控制冷机401通过所述电磁阀II405连接所述冷却液导管403。
所述电磁阀I404导通且所述电磁阀II405关断时，所述散热基板402工作。
所述电磁阀I404关断且所述电磁阀II405导通时，所述散热基板402不工作。
冷却液在所述冷却液导管403内部流通。
所述测量与控制保护系统5主要包括：数据采集卡501、A/D转换模块502、处理器503和信号源504。
所述数据采集卡501采集所述待测器件301的电压和电流波形。
所述A/D转换模块502将所述模拟波形信号转化为数字波形信号。
所述处理器503接受所述A/D转换模块502传递的数字信号，对信号进行采样并通过算法进行数字滤波。
所述处理器503向所述功率循环电源控制开关S1、所述测试电流源控制开关S2、所述储能系统控制开关S3和所述储能电源控制开关S4输出开关控制信号。
所述处理器503向所述信号源504输出触发控制信号。
所述信号源504向所述待测器件301输出触发信号。
所述测量与控制保护系统5通过所述功率循环系统1对所述待测器件301加热。
所述测量与控制保护系统5通过所述温控系统4对所述待测器件301冷却。
所述测量与控制保护系统5测量提取所述热敏感电参数提取系统中的热敏感电参数。
实施例2：
参见图5，进行IGBT静态热敏感电参数提取的步骤如下：
1)按照图1至图4所述，连接IGBT热敏感电参数提取装置。
2)令所述测试电流源控制开关S2闭合，所述功率循环电源控制开关S1、所述储能系统控制开关S3和所述储能电源控制开关S4均保持断开。
3)所述信号源504向所述待测器件301输出触发信号。
4)通过所述数据采集卡501采集所述待测器件301电压和电流的模拟波形信号。
5)利用所述A/D转换模块502所述模拟波形信号转化为数字波形信号。
6)所述处理器503接收并处理所述数字波形信号。所述处理器503向所述功率循环电源控制开关S1、所述测试电流源控制开关S2、所述储能系统控制开关S3和所述储能电源控制开关S4输出开关控制信号。所述处理器503向所述信号源504输出触发控制信号。
实施例3：
参见图6，进行IGBT动态热敏感电参数提取的步骤如下：
1)按照图1至图4所述，连接IGBT热敏感电参数提取装置。
2)令所述储能系统控制开关S3和所述储能电源控制开关S4闭合，所述功率循环电源控制开关S1和所述测试电流源控制开关S2持断开。
3)所述信号源504向所述待测器件301输出触发信号。
4)通过所述测量与控制保护系统5的门极控制信号控制所述测试工位5上的功率器件三极管的开断。
5)所述数据采集卡501采集所述三极管开关过程的瞬态模拟波形信号。
6)利用所述A/D转换模块502所述模拟波形信号转化为数字波形信号。
7)所述处理器503接收并处理所述数字波形信号。所述处理器503向所述功率循环电源控制开关S1、所述测试电流源控制开关S2、所述储能系统控制开关S3和所述储能电源控制开关S4输出开关控制信号。所述处理器503向所述信号源504输出触发控制信号。
实施例4：
参见图7，对IGBT进行功率循环老化试验的步骤如下：
1)按照图1至图4所述，连接IGBT热敏感电参数提取装置。
2)令所述功率循环电源控制开关S1闭合，所述测试电流源控制开关S2、所述储能系统控制开关S3和所述储能电源控制开关S4断开。3所述信号源504向所述待测器件301输出触发信号。
3)通过所述数据采集卡501采集所述待测器件301电压和电流的模拟波形信号。
4)利用所述A/D转换模块502所述模拟波形信号转化为数字波形信号。
5)所述处理器503接收并处理所述数字波形信号。所述处理器503向所述功率循环电源控制开关S1、所述测试电流源控制开关S2、所述储能系统控制开关S3和所述储能电源控制开关S4输出开关控制信号。所述处理器503向所述信号源504输出触发控制信号。
6)调整所述测量与控制保护系统5输出的门极控制信号占空比，可以控制IGBT老化的速度。

Claims (3)

1.一种IGBT热敏感电参数提取的装置，其特征在于：主要包括功率循环系统(1)、热敏感电参数提取系统(2)、测试工位(3)、温控系统(4)和所述测量与控制保护系统(5)；
所述功率循环系统(1)的电路结构为：功率循环电源控制开关S1的A1端串联功率循环电流源Is；
所述功率循环系统(1)和所述热敏感电参数提取系统(2)构成串联回路。
所述热敏感电参数提取系统(2)主要包括静态热敏感电参数提取子系统(201)和动态热敏感电参数提取子系统(202)；
所述静态热敏感电参数提取子系统(201)的电路结构为：测试电流源控制开关S2的A2端串联测试电流源IM的负极；
所述动态热敏感电参数提取子系统(202)的电路结构为：续流二极管FWD的正极依次串联续流电感L和阻尼电阻R；所述阻尼电阻R串联所述静态热敏感电参数提取子系统(201)的所述测试电流源IM正极；
所述续流二极管FWD的正极依次串联脉冲储能电容C和储能系统控制开关S3的A3端；所述储能系统控制开关S3的B3端串联所述静态热敏感电参数提取子系统(201)的所述测试电流源控制开关S2的B2端；
所述续流二极管FWD的正极依次串联储能电源Udc、储能电源控制开关S4和所述储能系统控制开关S3的A3端；
所述测试工位(3)上放置待测器件(301)；
所述待测器件(301)的电路结构为：三极管的发射极串联二极管D的正极；所述三极管的集电极串联所述二极管D的负极；所述三极管的集电极串联功率循环电源控制开关S1的B1端；所述三极管的基极输出模拟波形信号；
所述待测器件(301)和所述功率循环系统(1)构成串联回路；
所述待测器件(301)和所述热敏感电参数提取系统(2)构成串联回路；
所述待测器件(301)输出模拟波形信号；
所述温控系统(4)主要包括程控制冷机(401)、散热基板(402)、冷却液导管(403)、电磁阀I(404)和电磁阀II(405)；
所述程控制冷机(401)通过所述电磁阀I(404)连接所述散热基板(402)；
所述程控制冷机(401)通过所述电磁阀II(405)连接所述冷却液导管(403)；
所述电磁阀I(404)导通且所述电磁阀II(405)关断时，所述散热基板(402)工作；
所述电磁阀I(404)关断且所述电磁阀II(405)导通时，所述散热基板(402)不工作；
冷却液在所述冷却液导管(403)内部流通；
所述测量与控制保护系统(5)主要包括：数据采集卡(501)、A/D转换模块(502)、处理器(503)和信号源(504)；
所述数据采集卡(501)采集所述待测器件(301)的模拟波形信号；
所述A/D转换模块(502)将所述模拟波形信号转化为数字波形信号；
所述处理器(503)接受所述A/D转换模块(502)传递的数字信号，对信号进行采样并通过算法进行数字滤波；
所述处理器(503)向所述功率循环电源控制开关S1、所述测试电流源控制开关S2、所述储能系统控制开关S3和所述储能电源控制开关S4输出开关控制信号；
所述处理器(503)向所述信号源(504)输出触发控制信号；
所述信号源向所述待测器件(301)输出触发信号；
所述测量与控制保护系统(5)通过所述功率循环系统(1)对所述待测器件(301)加热；
所述测量与控制保护系统(5)通过所述温控系统(4)对所述待测器件(301)冷却；
所述测量与控制保护系统(5)测量提取所述热敏感电参数提取系统(2)中的热敏感电参数。
2.根据权利要求1所述的IGBT热敏感电参数提取系统，其特征在于：所述静态热敏感电参数提取子系统(101)和所述动态热敏感电参数提取子系统(102)独立且不能同时工作。
3.根据权利要求1所述的一种IGBT热敏感电参数提取的装置，其特征在于：所述功率循环系统(1)和所述热敏感电参数提取系统(2)独立工作。
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