CN108205074B - 一种基于igbt模块的饱和电压测量电路及方法 - Google Patents

一种基于igbt模块的饱和电压测量电路及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及测量检测技术领域，具体涉及一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法。一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，包括恒流源，所述恒流源的一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；第一控制电路，所述第一控制电路的一端连接所述IGBT模块的栅极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；电压检测装置，一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极。电压检测装置读取的电压信号中不包括IGBT模块集电极引脚的等效电阻、发射极引脚的等效电阻、焊线阻抗的等效电阻产生的压降，大大提高了集电极与发射极之间的饱和压降的检测准确性。

Description

一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法
技术领域
本发明涉及测量检测技术领域，具体涉及一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法。
背景技术
IGBT模块饱和压降Vcesat：在预定栅极电压驱动下，IGBT模块工作于饱和区，IGBT模块集电极C与发射极E之间的电压差；不同的栅极电压对应不同的饱和压降。饱和压降是衡量IGBT模块是否过流的重要指标，在栅极驱动电压存在的情况下，IGBT模块发生过流时，CE间压降明显上升，同时功耗提高，结温上升，进而容易引起IGBT过热损坏。一般地，CE间压降大于饱和压降的时间超过10us左右，就会引起IGBT模块损坏。
一般情况下，IGBT模块两端的工作直流母线电压在较高的几百伏左右，甚至于几千伏，而IGBT模块的饱和压降仅为几伏左右，目前有些低导通饱和压降仅为一到两伏，进而导致IGBT模块两端的直流母线电压与饱和压降之间相距较大，显示单元不能同时准确地显示直流母线电压和饱和压降，另一方面，显示单元的显示面积有限，为了能够精确显示饱和压降，常常需要提高电压灵敏度(因饱和压降相对较小)，但由于显示单元内部的增幅器饱和等影响，提高电压显示灵敏度会导致母线电压波形失真，会显示正相削波，如图1所示。
现有技术中，通常采用如图2所示的检测电路。但是检测电路在测试芯片饱和压降时，其工作电流往往到达几十安培、甚至几百安培，超大功率IGBT模块甚至可能达到上千安培。工作电流(也可称为集电极电流)越大，造成实际测量时的误差值较大。进而其检测电路中的电压表显示的电压值并非IGBT模块实际的饱和压降。集电极与发射极之间的饱和压降检测的准确度相对较低。
发明内容
本发明提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法，旨在提高IGBT模块饱和压降的准确度。
一方面，本发明提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，包括
恒流源，所述恒流源的一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；
第一控制电路，所述第一控制电路的一端连接所述IGBT模块的栅极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；
电压检测装置，一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极,其中连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率。
优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，所述恒流源为电流可调节恒流源。
优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，所述第一控制电路用以形成一控制所述IGBT模块导通或关断的第一控制信号。
优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，还包括一第二控制电路，所述第二控制电路包括第一控制电阻、第二控制电阻、比较电路；
所述比较电路的正向端连接所述第一控制电路，反向端连接所述第一控制电阻与第二控制电阻的连接点，输出端连接所述IGBT模块的栅极。
优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中：
所述第一控制电阻连接于所述IGBT模块的集电极与所述连接点之间；
所述第二控制电阻连接于所述IGBT模块的发射极与所述连接点之间。
优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，
所述第二控制电阻的阻值十倍于所述第一控制电阻的阻值。
另一方面，本发明再提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，包括，
于所述IGBT模块的发射极、集电极之间连接一恒流信号；
所述IGBT模块的栅极于第一控制信号作用下以使所述IGBT模块工作于饱和状态；
获取所述发射极、集电极之间的电压信号，并根据所述电压信号形成一饱和压降信号输出。
优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，还包括，
于所述IGBT模块的集电极、发射极之间的电压大于预定电压的状态，控制所述IGBT模块于第二控制信号的作用下关断。
优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，所述第一控制信号为PWM信号或锯齿波信号。
优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，所述恒流源为电流可调节恒流源。
与现有技术相比：
本发明中，恒流信号通过IGBT模块集电极引脚的等效电阻R1、发射极引脚的等效电阻R2、焊线阻抗的等效电阻R2、IGBT模块形成一个电流回路，同时电压检测装置与IGBT模块形成一电压回路，因连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，此时电压回路中的电流几乎为零，则电压检测装置读取的电压信号中不包括IGBT模块集电极引脚的等效电阻R1、发射极引脚的等效电阻R2、焊线阻抗的等效电阻R2产生的压降，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号，大大提高了集电极与发射极之间的饱和压降的检测准确性。
附图说明
图1为现有技术中IGBT模块饱和压降电路失真图；
图2是现有技术中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构等效示意图；
图3是现有技术中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构实际等效示意图；
图4是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构等效示意图；
图5是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构等效示意图；
图6是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构一种实施方式的检测波形图；
图7是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构一种实施方式的检测波形图；
图8是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构一种实施方式的检测波形图；
图9是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
现有技术中，其实际等效电路路如图3所示，在IGBT模块处于饱和导通的状态下，R1为IGBT模块集电极C引脚的等效电阻，R3为IGBT模块发射极E引脚的等效电阻，R2为IGBT模块封装工艺中，铜线或者铝线工艺键合引起的焊线阻抗的等效电阻，电压表的检测电压为：
V＝VCC-ic*R；
ic＝VCC/(R+R1+R2+R3+RCE)；
其中，R1为IGBT模块集电极C引脚的等效电阻；
R2为焊线阻抗等效电阻；
R3为IGBT模块发射极E的引脚等效电阻；
RCE为IGBT模块的集电极C与发射极E之间的等效电阻；当IGBT模块处于饱和导通状态下，RCE接近于零；
VCC为电源的输出电压；
ic为集电极电流；
而，实际集电极C与发射极E之间的饱和压降Vcesat：
Vcesat＝Vcc-ic*(R+R1+R2+R3)；
综上所述，集电极C与发射极E之间的饱和压降Vcesat与电压表的检测电压之间存在ic*(R1+R2+R3)的误差；且该误差随着集电极电流ic的增大而不断提高。基于此，本发明提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法，旨在提高IGBT模块饱和压降的准确度。
实施例一
如图4所示，一方面，本发明提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，包括
恒流源I，所述恒流源I的一端连接所述IGBT模块的集电极C，另一端连接所述IGBT模块的发射极E；恒流源I用以提供恒定的电流信号i。
第一控制电路Vo，所述第一控制电路的一端连接所述IGBT模块的栅极G，另一端连接所述IGBT模块的发射极E；所述第一控制电路用以形成第一控制信号Vo，所述第一控制信号Vo可为PWM控制信号或锯齿波信号。
电压检测装置，一端连接所述IGBT模块的集电极C，另一端连接所述IGBT模块的发射极E，其中连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，例如连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率十倍于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率。
本发明中，第一控制电路输出第一控制信号Vo，IGBT模块的栅极G连接一第一控制信号Vo(第一控制信号V0相当于开启电压)，当开启电压大于IGBT模块的门限电压时，IGBT模块内部的场效应管Q1导通，则此时IGBT模块处于导通状态，开启电压继续驱动IGBT模块进入饱和导通状态，电流信号i经IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1流入IGBT模块，因IGBT模块处于饱和导通，恒流源I输出一电流信号i，电流信号i通过IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1、发射极E引脚的等效电阻R3、焊线阻抗的等效电阻R2、IGBT模块形成一个电流回路，同时电压检测装置与IGBT模块形成一电压回路，因连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，此时电压回路中的电流几乎为零，因连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，此时电压回路中的电流几乎为零，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1、发射极E引脚的等效电阻R3、焊线阻抗的等效电阻R2无法产生压降，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号。
因电流信号i通过IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1、发射极E引脚的等效电阻R3、焊线阻抗的等效电阻R2、IGBT模块形成一个电流回路，同时电压检测装置与IGBT形成一电压回路，因连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，此时电压回路中的电流几乎为零，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1、发射极E引脚的等效电阻R3、焊线阻抗的等效电阻R2无法产生压降，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号，大大提高了集电极C与发射极E之间的饱和压降检测的准确性。
作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，所述恒流源I的电流可调节恒流源I。同时第一控制信号V0也可为可调节电压。
实施例二
因实施例一中，恒流源I为一可调节电流信号i，但是在电流信号i超过IGBT模块的额定电流时，IGBT模块工作于过流状态，此时集电极C与发射极E之间电压急剧上升，IGBT模块持续工作于过流状态的时间超过10us，则IGBT模块就会发生不可逆损坏。
作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路基础之上，其中，还包括一第二控制电路，所述第二控制电路包括第一控制电阻RG1、第二控制电阻RG2、比较电路；
所述比较电路的正向端连接所述第一控制电路V0，反向端连接所述第一控制电阻RG1与第二控制电阻RG2的连接点，输出端连接所述IGBT模块的栅极G。进一步地，所述第一控制电阻RG1连接于所述IGBT模块的栅极G与集电极C之间；所述第二控制电阻RG2连接于所述IGBT模块的栅极G与发射极E之间。
当Vce两端的电压急剧上升至预定电压(预定电压匹配Vcesat的最大饱和压降)时，第二控制电阻RG2上的电压上升，此时比较电路的反向端的电压大于正向端的电压，那么此时比较电路输出低电平，栅极G于低电平的作用下控制IGBT模块关断，避免IGBT模块被击穿。
作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，所述第二控制电阻RG2的阻值十倍于所述第一控制电阻RG1的阻值。当所述第二控制电阻RG2的阻值十倍于所述第一控制电阻RG1的阻值，第一控制电阻RG1是加载的电压相对较小(间接地，第二控制电阻RG2分的压降相对较大)，接近于零电平状态，第一控制电阻RG1的压降越小，则IGBT模块的关断速度越快，进一步避免IGBT模块被击穿。
需要说明的是，还包括一放大电路，此处不做具体介绍。
列举一具体实施方式：其中第一控制信号电压为15V时
根据该测试方法，得出的测试数据如下表1所示，具体地，
栅极电压(V) 集电极电流(A) Vce1(mV) Vce2(mV) 误差(mV)
15 1.063 832.2 821.2 11
15 2.033 930.9 908.7 22.2
15 3.043 996.8 964.2 32.6
15 4.048 1050.7 1008.7 42
15 5.006 1098.3 1047 51.3
表1
检测波形如图6所示，当IGBT模块的集电极C电流Ic为1A时，采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为832.2mV；采用如图4所示的检测电路(即本发明提供的技术方案)，其Vce2的饱和压降为821.2mV；测试误差为11mV；
当集电极C电流Ic为2A时，采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为930.9mV；采用如图4所示的检测电路，其Vce2的饱和压降为908.7mV；测试误差为22.2mV；
检测波形如图7所示，当集电极C电流Ic为3A时，采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为996.8mV；采用如图4所示的检测电路，其Vce2的饱和压降为964.2mV；测试误差为32.6mV；
当集电极C电流Ic为4A时,采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为1050.7mV；采用如图4所示的检测电路，其Vce2的饱和压降为1008.7mV；测试误差为42mV；
检测波形如图8所示，当集电极C电流Ic为5A时,采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为1098.3mV；采用如图4所示的检测电路，其Vce2的饱和压降为1047mV；测试误差为51.3mV。
综上所述，采用本发明提供的一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其误差相对较小。
实施例三
如图9所示，另一方面，本发明再提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，
步骤S01、于所述IGBT模块的发射极E、集电极C之间连接一电流信号；
步骤S02、所述IGBT模块的栅极G于第一控制信号作用下处于饱和状态；
步骤S03、检测获取所述发射极E、集电极C之间的电压信号，并根据所述电压信号形成一饱和压降信号输出。
作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，还包括，
于所述IGBT模块的集电极、发射极之间的电压大于预定电压的状态，控制所述IGBT模块于第二控制信号的作用下关断。
作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，所述控制信号为PWM信号或锯齿波。
作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，所述恒流源为电流可调节恒流源。
上述方法可执行本发明任意实施例所提供的电路，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。故此处对心率检测系统的工作原理不再赘述。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (6)

1.一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，包括
恒流源，所述恒流源的一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；
第一控制电路，所述第一控制电路的一端连接所述IGBT模块的栅极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；
电压检测装置，一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极,其中连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率。
2.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，所述恒流源为电流可调节恒流源。
3.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，所述第一控制电路用以形成一控制所述IGBT模块导通或关断的第一控制信号。
4.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，还包括一第二控制电路，所述第二控制电路包括第一控制电阻、第二控制电阻、比较电路；
所述比较电路的正向端连接所述第一控制电路，反向端连接所述第一控制电阻与第二控制电阻的连接点，输出端连接所述IGBT模块的栅极。
5.根据权利要求4所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于：
所述第一控制电阻连接于所述IGBT模块的集电极与所述连接点之间；
所述第二控制电阻连接于所述IGBT模块的发射极与所述连接点之间。
6.根据权利要求4所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，
所述第二控制电阻的阻值十倍于所述第一控制电阻的阻值。
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