CN108627753A - 一种基于米勒平台时延的igbt在线状态监测方法与测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态监测方法与测量系统，驱动信号预处理电路的一端经时间测量电路与控制器的一端连接，控制器的另一端与IGBT器件驱动电路的驱动芯片连接，驱动芯片分两路，一路与IGBT器件连接，另一路与驱动信号预处理电路连接，驱动信号预处理电路通过提取IGBT开通过程驱动电压信号中的米勒平台时延作为IGBT状态监测的特征参数进行初始状态标定与实时在线监测，对老化过程中IGBT器件的健康状态与可靠性进行评估。本发明可实现在线监测、参数提取不影响主电路工作、对多种典型失效模式敏感的优点，可直接用于IGBT的健康状态监测与寿命评估，用于解决现有电力电子器件状态监测技术中缺乏有效的特征参数的问题。

Description

一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态监测方法与测量系统

技术领域

本发明属于电力电子器件可靠性技术领域，具体涉及一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态监测方法与测量系统。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，是能源变换与传输等国家战略产业的核心器件，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广，IGBT是应用最广泛的功率器件，有着不可或缺的地位。

随着IGBT的广泛应用，其功率等级和系统集成度越来越高，工作环境更加恶劣，使用条件日益苛刻，对可靠性的要求越来越严苛。在电力电子设备中因对IGBT的使用不当，或者长期工作导致的老化等各种原因都会使器件失效而发生损坏。若器件发生突发性损坏，轻则造成设备的严重故障，重则造成企业停工停产，甚至造成严重灾难性的事故。

目前，状态监测技术是提高IGBT器件可靠性的最有效的手段和方法，如能实时监测IGBT的老化和故障状态，就可以及时替换，进而避免造成重大损失。

状态监测是指监测出系统早期微弱的故障，如果监测的数据渐渐偏离健康状态，则要评估当前状态偏离正常态的程度(即故障级别)。电力电子系统中IGBT器件的状态监测的研究还处于初期阶段，主要是缺乏有效的状态监测特征参数。常规地，以IGBT导通管压降VCE,ON为特征参数进行状态监测，但该参数在老化过程的变化量相对较小，在母线电压值为几百伏甚至上千伏时，测量毫伏级的变化量对采样系统的要求极高，并且VCE,ON只与封装级的老化效应相关，忽略芯片级老化效应，无法完整获取IGBT的综合性健康状态信息。针对芯片级老化效应，通常以IGBT阈值电压或集电极漏电流为特征参数进行状态监测，然而这些参数的测量只能采用离线方式，需要停机测试，这显然不适合现场应用。因此，亟需发掘适用于IGBT状态监测新型特征参数，以实现在线参数提取及多种老化效应诊断。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态监测方法与测量系统，具有可实现在线监测、参数提取不影响主电路工作、对多种典型失效模式敏感的优点，可直接用于IGBT的健康状态监测与寿命评估，用于解决现有电力电子器件状态监测技术中缺乏有效的特征参数的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，包括驱动信号预处理电路、时间测量电路和控制器，驱动信号预处理电路的一端经时间测量电路与控制器的一端连接，控制器的另一端与IGBT器件驱动电路的驱动芯片连接，驱动芯片分两路，一路与IGBT器件连接，另一路与驱动信号预处理电路连接，驱动信号预处理电路通过提取IGBT开通过程驱动电压信号中的米勒平台时延作为IGBT状态监测的特征参数进行初始状态标定与实时在线监测，对老化过程中IGBT器件的健康状态与可靠性进行评估。

具体的，驱动信号预处理电路包括微分单元，比较单元，信号跟随单元以及隔离单元，微分单元由阻容电路实现，用于将IGBT开通过程驱动电压信号米勒平台前后两个上升沿信息提取出来；比较单元用于将微分单元获得的尖波信号整形成同周期的方波脉冲信号，输入时间测量电路测量米勒平台前后的脉冲之间的时间间隔；信号跟随单元用于实现微分单元输出尖波信号的提取、调制与跟随，进而设置比较单元的比较阈值电压；隔离单元用于防止电路的相互干扰，并对比较单元输出的电压进行调制。

进一步的，微分单元包括电容C1和电阻R1，电容C1的一端分三路，一路经电阻R1接地，第二路与比较器U3的第三引脚连接，第三路与比较器U1的第三引脚连接；

比较器U1的第二引脚分两路，一路与二极管D1的负极连接，另一路与电阻R2的一端连接，二极管D1的正极分三路，一路与信号跟随单元比较器U1的第六引脚连接，第二路与二极管D2的负极连接，第三路与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与二极管D2的正极与二极管D3的负极连接，二极管D3的正极分两路，一路经电容C3、接地和电阻R3与比较器U2的第三引脚连接，另一路直接与比较器U2的第三引脚连接；

电阻R2的另一端分三路，一路与电阻R6的一端连接，第二路与比较器U2的第六引脚连接，第三路经电阻R4与比较器U2的第二引脚连接，电阻R6的另一端分三路，一路经电阻R8接地，第二路与比较单元比较器U3的第二引脚连接，第三路经电阻R7分两路，一路与比较器U3的第六引脚连接，另一路与隔离单元驱动器U4的第一引脚连接，隔离单元驱动器U4的第三引脚经电阻R9接地，第六引脚与电容C4连接。

具体的，时间测量电路用于测量驱动信号预处理电路所获得的指示IGBT器件开通过程米勒平台起始和结束的脉冲之间的时间间隔，间接获得米勒平台时延。

进一步的，时间测量电路包括时间数字转换器，控制器先向时间数字转换器输出START信号，再向IGBT发出驱动信号，两个脉冲信号输入STOP端口后，经过时间数字转换器的时间测量模块测量校正，最终由RS485串口通信实现人机信息交互。

进一步的，时间数字转换器的STOP引脚用于接收驱动信号预处理电路的输出信号，START引脚分别与控制器的P9.7引脚和IGBT驱动芯片连接，时间数字转换器的EN-START引脚和EN-STOP引脚分别与控制器的P9.6引脚和P8.6引脚对应连接，控制器的P9.1～P9.4引脚与时间数字转换器的SPI连接，控制器的P10.5引脚、P10.4引脚和P2.0引脚分别与串口通信的RXD、TXD和CONTROL对应连接，控制器通过串口通信与检测软件连接。

具体的，控制器用于接收时间测量电路的米勒平台时延测量结果，并比较测量值和初始值，当测量值达到失效标准时，判定IGBT器件失效。

进一步的，测量系统置于IGBT器件的驱动电路侧，用于实时在线参数提取。

一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统的监测方法，包括以下步骤：

S1、设备投入使用之前，在IGBT器件正常工作条件下，通过测量系统在线提取IGBT器件的米勒平台时延，标定健康状态下该参数的初始值t_GP(0)；

S2、设备投入使用之后，在相同的工作条件下，通过测量系统定期在线提取IGBT器件的米勒平台时延，记录不同老化阶段时该参数的测量值t_GP；

S3、将测量值t_GP与初始值t_GP(0)进行比较，观察老化过程测量值t_GP相对健康状态初始值t_GP(0)的偏离程度，当偏离程度达到失效标准，判定为器件失效且对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤，对封装级键合线老化和芯片级栅氧层疲劳失效模式进行监测和辨别。

具体的，判定IGBT器件失效的具体依据如下：

米勒平台时延呈持续减小趋势时，判定IGBT器件发生封装级键合线老化；米勒平台时延呈持续增加趋势时，判定IGBT器件发生芯片级栅氧层疲劳。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，驱动信号预处理电路的一端经时间测量电路与控制器的一端连接，控制器的另一端与IGBT器件驱动电路的驱动芯片连接，驱动芯片分两路，一路与IGBT器件连接，另一路与驱动信号预处理电路连接，驱动信号预处理电路通过提取IGBT开通过程驱动电压信号中的米勒平台时延作为IGBT状态监测的特征参数进行初始状态标定与实时在线监测，对老化过程中IGBT器件的健康状态与可靠性进行评估，当IGBT器件达到失效标准，对其及时更换，确保IGBT器件及其组成电力电子系统的安全可靠运行，避免因IGBT器件故障导致的重大损失。

进一步的，驱动信号预处理电路包括微分单元，比较单元，信号跟随单元以及隔离单元，微分单元用于将IGBT开通过程驱动电压信号米勒平台前后两个上升沿信息提取出来；比较单元用于将微分单元获得的尖波信号整形成同周期的方波脉冲信号；信号跟随单元用于提取、调制与跟随微分单元输出尖波信号，进而设置合适的比较单元的比较阈值电压；隔离单元用于防止电路的相互干扰，并对比较单元输出电压进行调制。

进一步的，驱动信号预处理电路利用驱动信号的三段特性获得与IGBT器件米勒平台前后两个上升沿相关的脉冲信号，以便时间测量电路测量两个脉冲之间的时间间隔，从而获得所述的米勒平台时延。

进一步的，时间测量电路同步精确测量由驱动信号预处理电路所获得的用于指示IGBT器件米勒平台起始和结束的脉冲之间的时间间隔，间接获得所述的米勒平台时延。

进一步的，控制器配置时间测量电路的测量模式，控制时间测量电路实时测量驱动信号预处理电路产生的两个脉冲；同时，控制器接收时间测量电路的米勒平台时延测量结果，比较测量值和初始值，当测量值达到失效标准时，判定IGBT器件失效，并控制驱动芯片及时保护器件。

进一步的，特征参数米勒平台时延的提取与测量信号取自驱动电路侧，不影响主电路的正常工作，利于实现器件的实时在线状态监测。

本发明公开了一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态监测方法，基于IGBT内部结构、半导体物理和器件可靠性物理学，通过详细分析IGBT疲劳失效机理，在研究特征参数米勒平台时延随不同老化应力水平和施加时间变化规律的基础之上，提供用于在线提取米勒平台时延的高精度测量系统，采用所建立的米勒平台时延状态监测方法，通过初始状态标定与实时在线监测，可对老化过程IGBT器件健康状态与剩余寿命进行有效评估。

进一步的，当器件达到失效标准，对器件及时更换，确保器件的安全可靠运行，确保IGBT器件及其组成电力电子系统的安全可靠运行，避免因IGBT器件故障导致的重大损失。

综上所述，本发明特征参数米勒平台时延的提取与测量信号取自驱动电路侧，不涉及与主电路的高压隔离问题，仅检测时间参数在实施过程中不会影响原有电路的正常工作；特征参数米勒平台时延的变化对多种典型失效模式敏感。因此，本发明提供的方法有利于实现IGBT器件的实时在线状态监测，可直接用于IGBT的健康状态监测与寿命评估，用于解决现有电力电子器件状态监测技术中缺乏有效的特征参数的问题。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为IGBT内部寄生电容分布图；

图2为IGBT等效电气模型图；

图3为IGBT开通过程暂态波形示意图；

图4为本发明测量系统示意图。

图5为本发明驱动信号预处理电路原理图；

图6为本发明时间测量电路原理图；

图7为本发明控制器程序流程示意图。

图8为勒平台波形随IGBT器件封装级键合线老化的变化规律示意图；

图9为特征参数米勒平台时延以及典型特征参数集射极通态压降随IGBT器件封装级键合线老化的变化规律示意图；

图10为米勒平台波形随IGBT器件芯片级栅氧层疲劳的变化规律；

图11为特征参数米勒平台时延以及典型特征参数栅射极阈值电压随IGBT器件芯片级栅氧层疲劳的变化规律示意图。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本发明公开一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态监测方法与测量系统，提取IGBT开通过程驱动电压信号中的米勒平台时延作为IGBT状态监测的特征参数，通过对该参数进行初始状态标定与实时在线监测，有效评估老化过程中IGBT器件的健康状态与可靠性。用于提取米勒平台时延的高精度测量系统包括驱动信号预处理电路、时间测量电路和控制器，其中驱动信号预处理电路包括微分单元、比较单元、信号跟随单元和隔离单元，该测量系统置于IGBT器件的驱动电路侧，不影响主电路正常工作，现场应用时可实现实时在线参数提取。本发明的米勒平台时延作为IGBT状态监测的特征参数，偏离健康状态下的初始值与两种典型的疲劳失效效应有关，可分别反映封装级键合线老化与芯片级栅氧层疲劳两种典型的失效效应。

首先对米勒平台的产生机理以及米勒平台时延的推导进行说明。米勒效应的产生与IGBT内部结构形成的寄生电容有关，如图1所示，耗尽层电容C_dep和氧化层电容C_ox串联得到米勒电容(即栅集电容，C_GC)，其表达式为：

式中，C_dep为耗尽层电容；C_oxd为交叠氧化层电容；ε_ox为二氧化硅介电常数；ε为硅介电常数；e₀为电荷量；t_ox为栅氧化层厚度；N_A为基区受主浓度；N_D为基区施主浓度；A为器件的有效面积；C_ox为单位栅极交叠氧化层电容；α_i为共基极电流系数；

从结构而言，IGBT是一个基极电流由MOSFET控制的双极性晶体管。如图2所示，该模型由双极性PNP晶体管、N沟道MOSFET、各极间寄生电容(栅射电容C_GE，栅集电容C_GC，集射电容C_CE)和栅极内阻R_G,int组成。因此，用于对各极间寄生电容充电的栅极驱动电流i_G(t)可以表达为：

根据集射电压V_CE、栅射电压V_GE以及栅集电容C_GC的暂态特性，IGBT开通过程的暂态波形示意图如图3所示。初始时刻栅射电压V_GE为V_GE,OFF，IGBT处于关断状态。t₀时刻施加栅极驱动电压V_GE,ON，驱动电流首先向C_GE和C_GC充电。此时，C_GC远小于C_GE，V_GE上升，V_GE<V_TH(阈值电压)，IGBT未打开，集射电压V_CE不变，C_GC不变。

t₁时刻，V_GE升至V_TH，IGBT开始导通。集电极电流I_C开始流动，I_C随着V_GE增加而上升，在达到负载电流I_L之前，V_CE保持不变，C_GC不变，此时V_GE以指数速率持续增加，充电常数为R_G,int[C_GE+C_GC(V_DC)]。

t₂时刻，I_C升至I_L，V_CE迅速下降，C_GC增大，此时所有栅电流向C_GC充电，V_GE为C_GE两端电压保持不变(V_GP)，米勒平台出现。

t₃时刻，当V_CE下降至与对应栅偏置电压下IGBT的管压降相等时，V_CE保持不变。电压电流进入稳态，C_GC保持不变，米勒平台消失，由图知米勒平台时间为(t₃-t₂)。栅极电流继续向C_GC和C_GE充电，V_GE按指数增加，充电常数为R_G,int[C_GE+C_GC(V_CE,ON)]，直至达到栅电源电压V_GE,ON，开通过程结束。

在图3中，当I_C＝I_L时，V_CE下降，C_GC增大，此时栅极电流几乎只向C_GC充电，因此栅极电压V_GE(C_GE两端电压)保持不变，这种效应称为米勒平台效应。米勒平台出现的根本原因在于C_GC随V_CE大小改变而改变。

根据开通过程暂态分析，米勒平台时间即为集电极电压V_CE下降的时间，为(t₃-t₂)，同时栅极电压在平台周期时，所有的栅极电流i_G(t)给米勒电容C_GC充电。

栅极电流在平台周期有

式中，R_G为栅极电阻。

其中，IGBT的MOS管在沟道夹断特性下工作，集电极电流有

式中，g_m为转移阻抗；V_TH为IGBT门槛电压；C_ox为单位栅极交叠氧化层电容；L_CH为沟道长度；Z为沟道横截面结构垂直方向的元胞长度。

由于米勒平台期间集电极电流保持恒定(等于负载电流)，t₂时刻的栅电压有

式中，I_L为负载电流。

联立公式(1)(2)(3)，可得平台电压表达式

式中，μ_ni为反型层迁移率。

当该电流向栅集电容(米勒电容)充电时，其电压下降速率有

由于此时栅射电压保持V_GP恒定，集电极电压以相同的速率减小

此外，栅集电容在该瞬态过程假设为平均值C_GC,av。集电极电压随时间线性下降的关系有

在平台周期终点(t₃时刻)，V_CE与此时平台栅偏置电压下的IGBT的管压降相等，根据这些关系，最终可以得到米勒平台的时间延时t_GP(t₃-t₂)满足下式：

式中，C_GC,av为栅集电容的平均值；V_DC为IGBT主电路的直流电压；

R_G＝R_G,int+R_G,ext (13)

其中，R_G,ext为栅极外电阻；R_G,int为栅极内电阻；c为栅极内电阻与载流子迁移率的比例系数；

在IGBT老化过程中，米勒电容(栅集电容)值会随着不同的老化效应产生不同的变化。

在IGBT封装级键合线相关的老化过程中，IGBT会发生键合线接触不牢以及铝表面金属重构，导致接触电阻上升，进而导致导通管压降上升，同时由于表面的金属层被破坏，氧化层电容和耗尽层电容将会减小，从而导致米勒电容减小，米勒平台时延下降；

在IGBT芯片级栅极氧化层相关的老化过程中，缺陷电荷将在氧化层中积累，主要包括界面陷阱电荷和氧化层陷阱电荷，积累的缺陷电荷导致米勒电容增加，米勒平台时延增大。因此，理论分析表明，在不同的老化效应中，米勒平台时延变化不同，以米勒平台时延作为特征参数进行键合线、栅氧层健康状态的在线监测方法是可行的。

请参阅图4，本发明提供了一种基于米勒平台时延的IGBT测量系统，由于IGBT在开通过程中，存在三个不同的充电过程，驱动电压信号会呈现斜率不同的三段特性，本发明提供的测量系统对驱动电压波形进行微分预处理，得到对应驱动电压波形米勒平台前后两个上升沿的两个脉冲，通过时间测量电路测得两个脉冲的时间间隔，最终得到米勒平台时延，即(t₃-t₂)。这种由驱动电路侧提取参数的方法保证了测量电路与主电路的隔离，同时测量对主电路正常运行无影响，利于实现在线监测。该系统包括：

(a)驱动信号预处理电路，用于接收要诊断的IGBT器件的开通过程驱动(栅极-发射极)电压信号，并利用驱动信号的三段特性，获得与IGBT器件米勒平台前后两个上升沿相关的脉冲信号；

请参阅图5，驱动信号预处理电路包括微分单元，比较单元，信号跟随单元以及隔离单元。

微分单元由阻容电路实现，目的是将IGBT开通过程驱动电压信号米勒平台前后两个上升沿信息提取出来。该部分电路的主要难点在于R1和C1值大小的选取，首先满足微分的前提是电阻电容的充放电时间常数τ<1/10T₁,T₁为微分电路输出两个信号间隔。其次，为保证输出信号尽可能大，R1不可过小。最后，C1不可过大，保证充放电时间常数τ尽可能小，提高反应速度。

比较单元，微分电路的输出输入比较器U3，比较单元的阈值电压由R6，R7，R8组成的分压器和信号跟随单元调制为微分电路输出的一半，则比较单元可将微分单元获得的尖波信号整形成同时刻的脉冲信号，输入时间测量电路测量米勒平台前后的脉冲之间的时间间隔。

信号跟随单元，利用正峰值检测电路，可以跟随微分电路输出的尖波信号，同时不易被干扰。第一个运放与D3是进行峰值检测的主要器件。C3存储检测到的信号，在未达到峰值前保持充电状态，实现信号上升跟随，峰值过后，由于选择的电阻R3较大，C3快速放电，实现信号下降跟随。通过峰值检测电路可以实现微分电路输出信号的提取和跟随，最终输入至比较器，设置比较器的阈值电压。

隔离单元对比较器输出电压进行调制，防止电路的相互干扰以及保证前后电路兼容。

(b)时间测量电路，用于测量驱动信号预处理电路所获得的指示IGBT器件开通过程米勒平台起始和结束的脉冲之间的时间间隔，间接获得所述的米勒平台时延；

请参阅图6，时间测量基于时间数字转换器TDC-GP21完成，通过配置相关寄存器的初始值，时间数字转换器具有以下特点：

(1)只有一个STOP通道和对应START通道；

(2)典型的分辨率为90ps；

(3)间隔脉冲对的分辨率为2μs到4ms@4MHz；

(4)STOP通道有3次采样能力；

(5)测量范围：2μs～4ms@4MHz。

进行米勒平台时延的参数提取时，由控制器同时实现IGBT的驱动和时间数字转换器的控制，先向时间数字转换器START端口发送使能信号，再向驱动芯片发送开通信号，前端驱动信号预处理电路会将驱动电压米勒平台信息转化为两个脉冲信号，输入至时间数字转换器的STOP端口。时间数字转换器测量得到输入STOP端口的两个脉冲之间的时间间隔，该时间反映所要求的米勒平台时延。

(c)控制器，用于接收时间测量电路的米勒平台时延测量结果，并比较测量值和初始值，当测量值达到失效标准时，判定IGBT器件失效。

请参阅图7，开始后，MSP430初始化，定时器初始化，TDC初始化并进行时间预测量，然后MSP430发出START信号，给IGBT输出驱动信号和关断信号，TDC完成结果校正和储存，然后MSP430读取时间结果并输出，通过RS485实现人机交互，为了实现设计精简和高集成度，采用一个控制器MSP430F5438A完成所有的控制和信息交互。

实际操作中，为保证前期驱动信号处理电路提取的两个上升沿信号可以被时间数字转换器捕获，需要先向时间数字转换器输出START信号，再向IGBT发出驱动信号，两个脉冲信号输入STOP端口后，经过时间数字转换器的时间测量模块测量校正，最终由RS485串口通信实现人机信息交互。

本发明一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态监测方法，具体步骤如下：

S1、设备投入使用之前，在IGBT器件正常工作条件下，通过测量系统在线提取IGBT器件的米勒平台时延，标定健康状态下该参数的初始值t_GP(0)；

S2、设备投入使用之后，在相同的工作条件下，通过测量系统定期在线提取IGBT器件的米勒平台时延，记录不同老化阶段时该参数的测量值t_GP；

S3、将测量值t_GP与初始值t_GP(0)进行比较，观察老化过程测量值t_GP相对健康状态初始值t_GP(0)的偏离程度，当偏离程度达到失效标准，判定为器件失效且对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤。

判定失效的IGBT器件偏离健康状态程度具体如下：

依据器件应用场合以及IGBT行业惯例，参照典型状态监测特征参数进行自主认定。在本发明的实施例中，发生封装级键合线老化时，选择集射极导通管压降V_CE,ON升高5～20％为IGBT行业通用失效标准，对应的米勒平台时延减小2～10％；发生芯片级栅氧层疲劳时，选择栅射极阈值电压V_TH升高10～20％为IGBT行业通用失效标准，对应的米勒平台时延增加30～100％。

优选的，发生封装级键合线老化时，选择集射极导通管压降V_CE,ON升高10％为IGBT行业通用失效标准，对应的米勒平台时延减小4.5％；发生芯片级栅氧层疲劳时，选择栅射极阈值电压V_TH升高20％为IGBT行业通用失效标准，对应的米勒平台时延增加57.1％。

封装级键合线老化和芯片级栅氧层疲劳对米勒平台时延的影响相反，封装级键合线老化造成米勒平台时延减小，芯片级栅氧层疲劳造成米勒平台时延增大。因此，本方法可有效监测和辨别封装级键合线老化和芯片级栅氧层疲劳两种不同失效模式。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

根据大量文献报道，IGBT器件在实际工作中，会经常性地受到高温和温度波动带来的冲击，导致其焊锡层疲劳，损坏散热通道或键合线断裂，导致结温最终上升，当超过一定温度时，引起本征激发，最终发生短路故障。在本发明的一个实施例中，通过功率循环试验模拟IGBT的键合线老化过程。试验过程中，控制驱动电路以频率为6Hz，50％占空比开关IGBT来模拟功率循环。在开通暂态过程中测量t_GP，在关断前5ms测量V_CE,ON。

V_CE,ON是行业内对键合线健康状态监测的典型参数，如果V_CE,ON从初始值增加到10％，则停止功率循环测试，以防止引起器件彻底失效。

图8为在功率循环试验中，米勒平台波形随IGBT器件封装级键合线老化的变化规律。在功率循环试验的老化过程中，驱动电压信号的波形中两段上升过程几乎不变，区别主要在于米勒平台期的持续时间在逐渐缩短。在试验停止时，米勒平台缩短的时间约为69ns。

图9是在功率循环试验中，米勒平台时延以及典型特征参数集射极饱和压降随IGBT器件封装级键合线老化的变化规律。在约322万个功率循环周期之后，V_CE,ON较其初始值增加了10％，认为器件寿命结束。在整个老化过程中，t_GP与V_CE,ON呈负相关的关系。随着V_CE,ON从2.51V逐渐增加到2.77V，t_GP从1.521μs逐渐降低到1.452μs。这个趋势在120万到160万个周期格外显著，其中t_GP大幅减少，V_CE,ON大幅增加。理论分析可知，在这一阶段中，IGBT表面发生金属重构，导致键合线接触不稳固，使V_CE,ON上升，同时氧化层电容和耗尽层电容减小，导致t_GP下降，两者之间呈负相关。具体而言，V_CE,ON增加10％时对应t_GP降低4.5％。可见，本发明提供的以米勒平台时延作为特征参数进行键合线健康状态的在线监测方法是可行的。

除电热冲击之外，IGBT器件在实际工作中，芯片内部极薄的栅极氧化层也可能会被过高的电场击穿，其中最典型的为与时间相关电介质击穿(TDDB)。栅氧层的击穿将导致器件无法被驱动，造成断路故障。在本发明的一个实施例中，通过对栅极施加高压应力模拟IGBT的栅氧层疲劳过程。试验过程中，对IGBT的栅射极施加65V正向高压，每半小时暂停一次，测量t_GP和V_TH。V_TH是行业内对栅氧层健康状态监测的典型参数，如果V_TH从初始值增加到20％，则停止高压测试，以防止引起器件彻底失效。

图10是在栅极高压试验中，米勒平台波形随IGBT器件芯片级栅氧层疲劳的变化规律。在栅极高压试验的老化过程中，驱动电压信号的波形中第一段上升过程几乎不变，米勒平台的电压被逐渐抬高，米勒平台时延也在显著延长。在试验停止时，米勒平台延长的时间为1.173μs。

图11是在栅极高压试验中，米勒平台时延以及典型特征参数栅射极阈值电压随IGBT器件芯片级栅氧层疲劳的变化规律。在约4小时之后，V_TH较其初始值增加了20％，认为器件寿命结束。在整个老化过程中，t_GP不断增加，V_TH先减小后增加。t_GP从2.056μs逐渐增加到3.229μs，V_TH从2.51V逐渐增加到2.77V。理论分析可知，在对栅极施加高电场应力时，栅极氧化层产生缺陷电荷，从而造成V_TH和t_GP增加。具体而言，V_TH增加20％时对应t_GP增加57.1％。可见，本发明提供的以米勒平台时延作为特征参数进行栅氧层健康状态的在线监测方法是可行的。

本发明属于电力电子器件可靠性领域，具体涉及一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态监测方法与测试系统。可实现在线监测、参数提取不影响主电路工作、对多种典型失效模式敏感的优点，可直接用于IGBT的健康状态监测与寿命评估。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，其特征在于，包括驱动信号预处理电路、时间测量电路和控制器，驱动信号预处理电路的一端经时间测量电路与控制器的一端连接，控制器的另一端与IGBT器件驱动电路的驱动芯片连接，驱动芯片分两路，一路与IGBT器件连接，另一路与驱动信号预处理电路连接，驱动信号预处理电路通过提取IGBT开通过程驱动电压信号中的米勒平台时延作为IGBT状态监测的特征参数进行初始状态标定与实时在线监测，对老化过程中IGBT器件的健康状态与可靠性进行评估。

2.根据权利要求1所述的一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，其特征在于，驱动信号预处理电路包括微分单元，比较单元，信号跟随单元以及隔离单元，微分单元由阻容电路实现，用于将IGBT开通过程驱动电压信号米勒平台前后两个上升沿信息提取出来；比较单元用于将微分单元获得的尖波信号整形成同周期的方波脉冲信号，输入时间测量电路测量米勒平台前后的脉冲之间的时间间隔；信号跟随单元用于实现微分单元输出尖波信号的提取、调制与跟随，进而设置比较单元的比较阈值电压；隔离单元用于防止电路的相互干扰，并对比较单元输出的电压进行调制。

3.根据权利要求2所述的一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，其特征在于，微分单元包括电容C1和电阻R1，电容C1的一端分三路，一路经电阻R1接地，第二路与比较器U3的第三引脚连接，第三路与比较器U1的第三引脚连接；

比较器U1的第二引脚分两路，一路与二极管D1的负极连接，另一路与电阻R2的一端连接，二极管D1的正极分三路，一路与信号跟随单元比较器U1的第六引脚连接，第二路与二极管D2的负极连接，第三路与电容C2的一端连接，电容C2的另一端与二极管D2的正极与二极管D3的负极连接，二极管D3的正极分两路，一路经电容C3、接地和电阻R3与比较器U2的第三引脚连接，另一路直接与比较器U2的第三引脚连接；

电阻R2的另一端分三路，一路与电阻R6的一端连接，第二路与比较器U2的第六引脚连接，第三路经电阻R4与比较器U2的第二引脚连接，电阻R6的另一端分三路，一路经电阻R8接地，第二路与比较单元比较器U3的第二引脚连接，第三路经电阻R7分两路，一路与比较器U3的第六引脚连接，另一路与隔离单元驱动器U4的第一引脚连接，隔离单元驱动器U4的第三引脚经电阻R9接地，第六引脚与电容C4连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，其特征在于，时间测量电路用于测量驱动信号预处理电路所获得的指示IGBT器件开通过程米勒平台起始和结束的脉冲之间的时间间隔，间接获得米勒平台时延。

5.根据权利要求4所述的一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，其特征在于，时间测量电路包括时间数字转换器，控制器先向时间数字转换器输出START信号，再向IGBT发出驱动信号，两个脉冲信号输入STOP端口后，经过时间数字转换器的时间测量模块测量校正，最终由RS485串口通信实现人机信息交互。

6.根据权利要求5所述的一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，其特征在于，时间数字转换器的STOP引脚用于接收驱动信号预处理电路的输出信号，START引脚分别与控制器的P9.7引脚和IGBT驱动芯片连接，时间数字转换器的EN-START引脚和EN-STOP引脚分别与控制器的P9.6引脚和P8.6引脚对应连接，控制器的P9.1～P9.4引脚与时间数字转换器的SPI连接，控制器的P10.5引脚、P10.4引脚和P2.0引脚分别与串口通信的RXD、TXD和CONTROL对应连接，控制器通过串口通信与检测软件连接。

7.根据权利要求1所述的一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，其特征在于，控制器用于接收时间测量电路的米勒平台时延测量结果，并比较测量值和初始值，当测量值达到失效标准时，判定IGBT器件失效。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统，其特征在于，测量系统置于IGBT器件的驱动电路侧，用于实时在线参数提取。

9.一种根据权利要求1至8中任一项所述基于米勒平台时延的IGBT在线状态测量系统的监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、设备投入使用之前，在IGBT器件正常工作条件下，通过测量系统在线提取IGBT器件的米勒平台时延，标定健康状态下该参数的初始值t_GP(0)；

S2、设备投入使用之后，在相同的工作条件下，通过测量系统定期在线提取IGBT器件的米勒平台时延，记录不同老化阶段时该参数的测量值t_GP；

S3、将测量值t_GP与初始值t_GP(0)进行比较，观察老化过程测量值t_GP相对健康状态初始值t_GP(0)的偏离程度，当偏离程度达到失效标准，判定为器件失效且对IGBT器件进行更换，并重复上述步骤，对封装级键合线老化和芯片级栅氧层疲劳失效模式进行监测和辨别。

10.根据权利要求9所述的一种基于米勒平台时延的IGBT在线状态监测方法，其特征在于，判定IGBT器件失效的具体依据如下：

米勒平台时延呈持续减小趋势时，判定IGBT器件发生封装级键合线老化；米勒平台时延呈持续增加趋势时，判定IGBT器件发生芯片级栅氧层疲劳。