CN109443589A - 一种igbt模块及igbt模块的温度监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种IGBT模块，包括IGBT本体，其特征在于：所述IGBT本体内封装有至少一根经过发热元件的光纤，所述光纤上对应于各发热元件设置有用于检测发热元件温度的光纤光栅。该IGBT模块能够实现发热元件的温度测量，测量不受电磁干扰影响，也不会出现高压击穿的情况，测量结果的准确性高。本发明还涉及一种IGBT模块的温度监测系统，包括IGBT模块，与各IGBT模块相连接的光纤传感分析仪，与光纤传感分析仪相连接的控制单元。该IGBT模块的温度监测系统实现了对IGBT模块的实时温度监控。

Description

一种IGBT模块及IGBT模块的温度监测系统

技术领域

本发明涉及一种IGBT模块，还涉及一种IGBT模块的温度监测系统。

背景技术

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是一种半导体功率器件，通过控制电路的开关来实现交流电压及频率的改变，被广泛用于交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。在IGBT工作工况中经历着长时间的高电流、高电压的快速切换，这种极端的工作条件会对IGBT器件产生过载电流、电压和高温等不利影响，降低器件工作寿命，甚至会导致器件发生爆炸。

IGBT模块的正常工作，需满足如下要求：

1)各通道的电流、电压参数不得超标；

2)各通道之间良好绝缘，以防止介质击穿和局部放电；

3)工作温度及温升速度不得超标，因为热致机械应力会导致许多故障，例如键丝脱落、焊料疲劳和铝腐蚀。

如上三个条件中的第二条可通过设计和工艺来保证，而对第一条与第三条中电流、电压、温度、温升速度等参数进行监测，能够获得器件失效原因、揭示过载工况来源，预测器件工作寿命，甚至通过优化控制算法避免器件失效。电流、电压的监测目前已有许多成熟的方案，但由于高压、大电流的存在，温度的监测方案存在较多的问题。

授权公告号为CN102253320B(申请号为201110097266.9)的中国发明专利《一种IGBT失效预警方法》，其中公开的方法通过测量器件温度参数，对器件的热阻进行监测，通过与设定的预警温差阀值进行比较判断，在IGBT疲劳老化失效前做出预警，提醒设计者或者用户，并预留一段时间供设计者或用户进行器件更换或设备检修，降低因IGBT突然失效带来的故障损失；同时，用户和设计者可以更清晰的了解到器件失效的真实原因，进而改进设计及使用方法，使产品更趋完美。而该方法使用的前提为建立芯片模型，计算芯片在各种工况下的发热情况，因此这种方法只能用在设计过程中，并且由于计算条件复杂，测试结果与实际情况存在一定的偏差。

授权公告号为CN10415558B(申请号为201410345265.5)的中国发明专利《一种IGBT模块工作结温的在线检测系统及检测方法》，其中公开的方法为在IGBT模块实际运行不停的开关断状态切换中，变化的驱动电流和集电极电流在IGBT模块的杂散电感上产生感应电压，该感应电压在关断过程中发生两次电压变化，其间隔时间记为温敏时间，该时间在固定的关断电压和电流情况下与IGBT模块的工作结温密切相关。该方法通过建立IGBT测试系统，在不同直流母线电压、IGBT导通电流和工作结温下提取温敏时间，建立离线参考数据库，并在IGBT实际运行中监测IGBT模块驱动发射极与功率发射极之间的电压，提取温敏时间进行在线结温计算。温度对芯片的工作状态有一定的影响，通过监测芯片集电极的饱和压降可以间接得到芯片的温度，但芯片工作的工况十分复杂，同时工作时的大电流和大电压对监测饱和压降有非常大的影响。

授权公告号为CN106230409A(申请号为201610721755.X)的中国发明专利申请《一种带NTC采集功能的IGBT并联驱动器》，其中公开的IGBT并联驱动器包括：脉冲处理电路、故障反馈电路、电源输入电路、NTC信号处理电路、第一信号隔离单元、第二信号隔离单元、隔离变压单元、上管驱动及保护电路、下管驱动及保护电路和NTC采集电路；脉冲处理电路的控制脉冲经第一信号隔离单元送入上管驱动及保护电路和下管驱动及保护电路，用于控制外部电路，并接收反馈信号，反馈信号经第一信号隔离单元送入故障反馈电路；电源输入电路经隔离变压单元为上管驱动及保护电路、下管驱动及保护电路和NTC采集电路供电；NTC采集电路用于采集在IGBT内部电路板上集成的NTC传感器的信号。在芯片的封装内部布设NTC等电学温度传感器可以监测温度，但这种方法一方面会受芯片工作时的强电磁干扰影响，另一方面容易被高压击穿而损坏测量系统；

此外还有通过热成像的方法获取IGBT模块的工作温度，打开芯片封装，在芯片工作时用红外热成像仪监测芯片的温度场，得到最准确、最细致的温度场分布，但该方法只能在实验室中使用。

另外还有通过电学参数辅助计算：温度对芯片的工作状态有一定的影响，通过监测芯片集电极的饱和压降可以间接得到芯片的温度，但芯片工作的工况十分复杂，同时工作时的大电流和大电压对监测饱和压降有非常大的影响。

综上所述现有技术中的IGBT工作温度监测方法及IGBT故障监测寿命预测方法，存在如下缺陷：

(1)所有的间接测量方法都存在计算精度较差，不能模拟各种不同的工况；

(2)所有的直接测量方法都无法对IGBT芯片带电部位的温度进行实时监测。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术提供一种IGBT芯片带电部位的温度进行实时监测且能够获取准确的温度数据的IGBT模块及IGBT模块的温度监测系统。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种IGBT模块，包括IGBT本体，其特征在于：所述IGBT本体内封装有至少一根经过发热元件的光纤，所述光纤上对应于各发热元件设置有用于检测发热元件温度的光纤光栅。

为了能够有效实时监测各个发热元件的温度变化，各光纤光栅分别具有不同的谐振波长。

优选地，所述光纤设置有一根，所述光纤自内向外绕设经过各个发热元件。

所述IGBT本体内包括电路基板以及焊接在电路基板上的IGBT芯片、二极管和母排，所述IGBT芯片、母排为发热元件。

可选择地，所述光纤的输出端位于IGBT本体外，所述光纤的输出端外包裹设置有护套，所述光纤的输出端的端部上连接有光纤连接器。

为了有效保护光纤，所述护套与IGBT本体的对接处连接有能够防止光纤弯折的防折套。

为了方便连接，所述光纤的输出端上连接有光纤连接器，所述光纤连接器封装在IGBT本体内，光纤连接器上连接有光纤耦合器，所述光纤耦合器的连接端位于IGBT本体外。

为了有效通过对IGBT模块内发热元件的实时温度获取实现控制，一种IGBT模块的温度监测系统，其特征在于：包括至少一个如权利要求1至7任一权利要求所述的IGBT模块，与各IGBT模块相连接的光纤传感分析仪，与光纤传感分析仪相连接的控制单元。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中的IGBT模块采用无源的光纤光栅作为温度传感元件进行IGBT本体内发热元件的温度测量，测量不受电磁干扰影响，也不会出现高压击穿的情况。同时光纤光栅对应于各IGBT本体内发热元件的表面设置，可以直接测量IGBT本体内发热元件的表面温度，测量结果最接近发热元件的真实温度，且能实时反映发热元件真实温度的变化。另外光纤在IGBT本体内的布线简单方便，同时光纤实现了各光纤光栅之间的串联连接，如此可以通过光纤上的各光纤光栅形成大量的温度监测点，能够有效实现对体积较小的IGBT本体内各发热元件同时进行监控。本发明中的IGBT模块的温度监测系统能够通过对IGBT模块传送的光谱的分析获取IGBT模块内发热元件的温度实时变化，进而实现IGBT模块的温度监控。

附图说明

图1为本发明实施例一中IGBT模块的结构示意图。

图2为本发明实施例二中IGBT模块的结构示意图。

图3为本发明实施例中IGBT模块的温度监测系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

实施例一

如图1所示，本实施例中的IGBT模块，包括IGBT本体1、光纤2、光纤连接器4。

其中IGBT本体1包括壳体、电路基板10以及连接在电路基板10上的IGBT芯片11、二极管和母排12。IGBT芯片11、二极管和母排12的连接关系根据具体的电路需要具体设置。在工作过程中，IGBT芯片11、母排12的温度变化直接影响到IGBT模块的工作性能，因此需要对IGBT芯片11、母排12这些发热元件进行温度监测。制作IGBT模块时，通常会将IGBT本体1封装在一个壳体内以方便使用。

本实施例中的光纤2为裸光纤2，光纤2自内向外绕设经过各个发热元件，对应于各个发热元件的位置，光纤2上分别设置有用于检测发热元件温度的光纤光栅21。如果光纤光栅21少于待检测的发热元件的数量时，则可以额外再增加光纤2，进而使得光纤光栅21的数量满足测量点数量的要求。

在制作该光纤2时时，先确定好当光纤2放置在IGBT本体1上并且经过各发热元件后，各个发热元件对应在光纤2上的检测位置，进而在各个检测位置分别照射形成具有不同谐振波长的光纤光栅21。光纤光栅21制作完成后，将光纤2铺设在IGBT本体1，进而再通过耐高温光学硅胶将光纤光栅21对应固定在每个发热元件表面的中心。光纤2的输出端自壳体上预先打好的孔中穿出，在光纤2的输出端外套设护套3，而光纤2自壳体上的出线位置外需要套设能够防止光纤2弯折的防折套9，如可以采用橡胶套作为防折套9。即该防折套9设置在护套3与IGBT本体1的对接处。光纤2的输出端的端部上连接有光纤连接器4，进而将光纤光栅21检测的信号向外进行传送。

电路基板、IGBT芯片11、二极管、母排12、光纤2、光纤光栅21灌封在壳体内形成一个整体的IGBT模块。

选择光纤2时，可以直接使用裸光纤2，也可采用带光缆护套3和光纤连接器4的成品光纤2，剥除外护套3和保护层之后再照射制作光纤光栅21，进而完成在IGBT本体1固定。如此则无需额外安装护套3、防折套以及光纤连接器4。

光纤光栅21布设完成之后，需在灌封之前对光纤光栅21进行测试和标定，光纤光栅21的测试方法为：将光纤连接器4连接在光纤传感分析仪7上，在常温下观察传感分析仪的输出光谱，看光谱的数目是否符合设计值，各个波长处光谱的强度是否符合标准。光纤光栅21的标定方法为：在光纤光栅21上贴NTC电阻，将IGBT模块放入恒温箱中，设定恒温箱的温度为温度A，待NTC的温度示值稳定后，记录各个光纤光栅21的峰值波长；设定恒温箱的温度为温度B，待NTC的温度示值稳定后，再记录各个光纤光栅21的峰值波长。将两次记录的峰值波长拟合得到光纤光栅21的温度敏感系数，从而完成对光纤光栅21的标定。标定好的系数可打标喷涂于器件的表面，也可作为测试文件提供给客户。

传感器标定完后对模块进行灌封，待胶水固化后，再次对传感器在常温下进行测试，查看光纤2是否有损坏现象。测试合格后对模块进行打标、包装。

如图3所示，本实施例中的IGBT模块的温度监测系统，包括至少一个前述的IGBT模块6，与各IGBT模块6相连接的光纤传感分析仪7，与光纤传感分析仪7相连接的控制单元8。光纤传感分析仪7即通过光纤连接器4获取光纤2传送的光纤光栅21的检测信号。光纤传感分析仪7获取光纤2传送的光谱信号，进而通过分析计算获取各个光纤光栅21的温度数据，进而上传至控制单元8中进行控制使用。其中控制单元8可以为计算机、DCU等控制器件，进而实现温度的监控。

由于光纤光栅21贴设在各IGBT本体1内发热元件的表面，可以直接传感IGBT本体1内发热元件的表面温度，测量结果最接近发热元件的真实温度，且能实时反映发热元件真实温度的变化。

实施例二

本实施例与实施例一的区别仅在于：光纤连接器4’安装在壳体内部，并且在光纤连接器4’上连接一个光纤耦合器5，光纤耦合器5的连接端位于IGBT本体1外。光纤连接器4’可以是去掉部分结构的FC/APC连接器，也可以是特殊定制的、与光纤耦合器5一体化的光纤连接器4’。该结构在壳体的外部不留接线，可以通过标准的光纤2跳线实现IGBT模块与光纤传感分析仪7之间的连接，当光纤2跳线因碰撞等原因损坏时，直接更换一根光纤2跳线即可，从而避免了因碰撞等原因导致光纤2损坏而导致整个IGBT模块失去测温功能的问题。

Claims (8)

1.一种IGBT模块，包括IGBT本体(1)，其特征在于：所述IGBT本体(1)内封装有至少一根经过发热元件的光纤(2)，所述光纤(2)上对应于各发热元件设置有用于检测发热元件温度的光纤光栅(21)。

2.根据权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：各光纤光栅(21)分别具有不同的谐振波长。

3.根据权利要求1所述的IGBT模块，其特征在于：所述光纤(2)设置有一根，所述光纤(2)自内向外绕设经过各个发热元件。

4.根据权利要求1至3任一权利要求所述的IGBT模块，其特征在于：所述IGBT本体(1)内包括电路基板以及焊接在电路基板上的IGBT芯片(11)、二极管和母排(12)，所述IGBT芯片(11)、母排(12)为发热元件。

5.根据权利要求1至3任一权利要求所述的IGBT模块，其特征在于：所述光纤(2)的输出端位于IGBT本体(1)外，所述光纤(2)的输出端外包裹设置有护套(3)，所述光纤(2)的输出端的端部上连接有光纤连接器(4)。

6.根据权利要求5所述的IGBT模块，其特征在于：所述护套(3)与IGBT本体(1)的对接处连接有能够防止光纤(2)弯折的防折套(9)。

7.根据权利要求1至3任一权利要求所述的IGBT模块，其特征在于：所述光纤(2)的输出端上连接有光纤连接器(4’)，所述光纤连接器(4’)封装在IGBT本体(1)内，光纤连接器(4’)上连接有光纤耦合器(5)，所述光纤耦合器(5)的连接端位于IGBT本体(1)外。

8.一种IGBT模块的温度监测系统，其特征在于：包括至少一个如权利要求1至7任一权利要求所述的IGBT模块(6)，与各IGBT模块(6)相连接的光纤传感分析仪(7)，与光纤传感分析仪(7)相连接的控制单元(8)。