CN110161397A - 用于测量晶体管在工作时的结温的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于测量晶体管的结温的系统及方法。该系统包括：电力逆变器，其被配置成向负载供电，该电力逆变器包括晶体管，该晶体管被配置成在导通状态与关断状态之间切换并且在导通状态期间生成负载电流；电流传感器，其被配置成测量负载电流；电压转换斜率检测电路，其被配置成在晶体管处于关断状态的晶体管的关断时段期间确定与晶体管两端的电压相对应的电压转换斜率；以及处理单元，其被配置成基于测量的负载电流和确定的电压转换斜率来确定晶体管的结温。

Description

用于测量晶体管在工作时的结温的系统及方法
技术领域
本公开内容一般涉及电力逆变器，并且更具体地，涉及测量一个或更多个晶体管在工作时的结温。
背景技术
机动车辆、消费者和工业应用中的现代装置的许多功能，诸如转换电能和驱动电机或电动机器，依赖于电力半导体器件。例如，举几个为例，绝缘栅双极晶体管(IGBT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和二极管已经用于各种应用，包括但不限于电源和电力转换器中的开关。
电力半导体器件通常包括被配置成沿着装置的两个负载端子结构之间的负载电流路径来传导负载电流的半导体结构。另外，可以借助于有时称为栅电极的控制电极来控制负载电流路径。例如，在从例如驱动器单元接收相应的控制信号时，控制电极可以将电力半导体器件设置成导电状态和阻断状态中之一。
晶体管可以用于驱动负载电流。检测晶体管结温对于确保电力半导体器件的完整性是重要的。如果晶体管的晶体管结温超过上限，则晶体管可能失效。然而，由于晶体管芯片被塑料壳覆盖，因此难以直接监测结温。
发明内容
本文提供了用于测量晶体管的结温的系统、装置及方法。
根据一个或更多个实施方式，提供了一种被配置成测量晶体管的结温的系统。该系统包括：电力逆变器，其被配置成向负载供电，该电力逆变器包括晶体管，该晶体管被配置成在导通状态与关断状态之间切换并且在导通状态期间生成负载电流；电流传感器，其被配置成测量负载电流；电压转换(transit)斜率检测电路，其被配置成在晶体管处于关断状态的晶体管的关断时段期间确定与晶体管两端的电压相对应的电压转换斜率；以及处理单元，其被配置成基于测量的负载电流和确定的电压转换斜率来确定晶体管的结温。
根据另一个或更多个实施方式，一种方法包括：在导通状态与关断状态之间切换晶体管，以将直流(DC)电压转换为交流(AC)电压；在晶体管的导通状态期间生成负载电流；测量负载电流；在晶体管处于关断状态的晶体管的关断时段期间确定与晶体管两端的电压相对应的电压转换斜率；以及基于测量的负载电流和确定的电压转换斜率来确定晶体管的结温。
本领域技术人员在阅读以下详细描述并且在查看附图后将认识到另外的特征和优点。
附图说明
附图中的部件不一定按比例绘制，而是把重点放在示出本发明的原理上。此外，在附图中，相同的附图标记表示对应的部分。在附图中：
图1是示出根据一个或更多个实施方式的电力半导体器件的电机控制回路的示意框图；
图2示出了根据一个或更多个实施方式的查找表；
图3示出了根据一个或更多个实施方式的用于IGBT的查找表的集合；
图4是根据一个或更多个实施方式的、耦接至下IGBT模块的电压转换斜率dv/dt检测电路的示意图；
图5是根据一个或更多个实施方式的、耦接至上IGBT模块的电压转换斜率dv/dt检测电路的示意图；
图6是根据一个或更多个实施方式的、耦接至IGBT模块的电压转换斜率dv/dt检测电路的示意图；
图7示出了示出根据一个或更多个实施方式的、Vce的电压转换速率随着结温增大而减小的曲线图；
图8示出了示出根据一个或更多个实施方式的、在负载电流I_load的串行速率下电压转换斜率dv/dt随着结温Tj几乎线性地减小的曲线图；
图9是示出根据一个或更多个实施方式的查找表生成过程的流程图；
图10是示出根据一个或更多个实施方式的、确定在IGBT模块工作时的结温Tj的过程的流程图；以及
图11是根据一个或更多个实施方式的、耦接至IGBT模块的电压转换斜率dv/dt检测电路的示意图。
具体实施方式
在下文中，阐述细节以提供对示例性实施方式的更全面的解释。然而，对于本领域技术人员将明显的是，可以在没有这些具体细节的情况下实践实施方式。在其他情况下，公知的结构和装置以框图的形式或以示意图而不是详细视图示出，以便避免使实施方式晦涩。另外，下文描述的不同实施方式的特征可以彼此组合，除非另外特别说明。
另外，等同或类似的元件或具有等同或类似功能的元件在以下描述中用等同或类似的附图标记表示。由于在附图中相同或功能等同的元件被赋予相同的附图标记，因此可以省略对设置有相同附图标记的元件的重复描述。因此，为具有相同或类似附图标记的元件提供的描述是可相互交换的。
在这点上，诸如“顶”、“底”、“前”、“后”、“后面”、“领先”、“尾随”、“下”、“上”等的方向术语可以参考描述的附图的取向来使用。由于实施方式的各部件可以以许多不同的取向定位，因此方向术语是用于说明的目的而不是限制性的。将理解，在不脱离由权利要求书限定的范围的情况下，可以利用其他实施方式并且可以进行结构或逻辑上的改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。
将理解，当元件被称为“连接”或“耦接”至另一元件时，该元件可以直接连接或耦接至另一元件，或者可以存在中间元件。相比之下，当元件被称为“直接连接”或“直接耦接”至另一元件时，不存在中间元件。用于描述元件之间的关系的其他词语应以相似的方式解释(例如，“在...之间”与“直接在...之间”、“与...相邻”与“直接与...相邻”等)。
在本文描述的或附图中示出的实施方式中，任何直接电连接或耦接——即没有另外的中间元件的任何连接或耦接——也可以通过间接连接或耦接——即与一个或更多个另外的中间元件的连接或耦接——来实现，反之亦然，只要实质上保持连接或耦接的通用目的即可，例如发送某种信号或发送某种信息。可以组合来自不同实施方式的特征以形成另外的实施方式。例如，关于实施方式中的一个实施方式描述的变化或修改也可以适用于其他实施方式，除非另有说明。
本文可以使用术语“基本上”来解释在不脱离本文描述的实施方式的方面的情况下在工业中被认为可接受的小制造公差(例如在5％内)。
实施方式可以涉及传感器和传感器系统，并且涉及获得信息测量实体。传感器可以指将要测量的物理量转换为例如电流信号或电压信号的电信号的部件。物理量可以例如包括磁场、电场、电流或电压，但不限于此。如本文所述，传感器装置可以是电压传感器、电流传感器等。
例如，在一个或更多个实施方式中，一个或更多个磁传感器可以是霍尔效应传感器(即霍尔传感器)，但不限于此。
霍尔效应传感器是响应于磁场而改变其输出电压(霍尔电压)的换能器。霍尔效应传感器基于利用洛伦兹力的霍尔效应。洛伦兹力在存在垂直于流过传感器或霍尔板的电流的磁场的情况下使移动电荷偏转。因此，霍尔板可以是半导体或金属薄片。偏转导致电荷分离，该电荷分离导致霍尔电场。该电场以相对于洛伦兹力的相反方向作用于电荷。两个力彼此平衡并且创建垂直于电流方向的电位差。电位差可以被测量为霍尔电压，并且对于较小值而言，与磁场成线性关系变化。霍尔效应传感器可以用于电流感测应用。
信号处理电路和/或信号调整电路可以以原始测量数据的形式从一个或更多个传感器接收一个或更多个信号(即传感器信号)，并且可以从传感器信号导出表示被测量的物理量的测量信号。如本文使用的信号调整是指操纵模拟信号使得信号满足下一阶段的要求以用于进一步处理。信号调整可以包括(例如经由模数转换器)从模拟转换为数字、放大、滤波、转换、偏置、范围匹配、隔离以及使信号适于调整之后的处理所需的任何其他处理。
因此，信号处理电路可以包括将来自一个或更多个传感器元件的模拟信号转换为数字信号的模数转换器(ADC)。信号处理电路还可以包括对数字信号执行一些处理的数字信号处理器(DSP)。
如本文使用的“电力半导体器件”可以是一个或更多个芯片上的具有高电压阻断和/或高电流承载能力的半导体器件。换言之，这样的电力半导体器件可以旨在用于通常在安培范围内的、例如高达几十安培或几百安培的高电流，和/或通常高于15V、更通常100V及更高的高电压。
本说明书中描述的特定实施方式属于但不限于可以在电力转换器或电源内使用的电力半导体器件。因此，在一个实施方式中，电力半导体器件可以被配置成承载要被馈送到负载和/或由电源提供的负载电流。例如，半导体器件可以包括诸如单片集成二极管单元和/或单片集成晶体管单元的一个或更多个有源电力半导体单元。这样的二极管单元和/或这样的晶体管单元可以被集成在电力半导体模块中。
包括被适当连接以形成半桥的晶体管的电力半导体器件通常用于电力电子的领域。例如，半桥可以用于驱动电动机或开关模式电源。
例如，三相逆变器被配置成通过供应三相负载(例如三相电机)来提供三相电力。三相电力涉及彼此异相120电度数的三个对称的正弦波。在对称的三相电源系统中，三个导体均承载相对于公共参考相同的频率和电压幅度但具有三分之一周期相位差的交流电(AC)。由于该相位差，任何导体上的电压在其他导体中的一个导体之后的周期的三分之一处以及在剩余导体之前的周期的三分之一处达到其峰值。该相位延迟向平衡线性负载提供恒定的电力输送。该相位延迟还可能在电机中产生旋转磁场。
在馈送平衡且线性的负载的三相系统中，三个导体的瞬时电流之和为零。换言之，每个导体中的电流在幅度上等于另外两个导体中的电流之和，但具有相反的符号。任何相导体中的电流的返回路径是另外两个相导体。
三相逆变器包括三个逆变器分支，一个逆变器分支用于三相中的每一个，并且每个逆变器分支彼此并联地连接至直流(DC)电压源。每个逆变器分支包括例如被布置成半桥构造以用于将DC转换为AC的一对晶体管。换言之，每个逆变器分支包括串联连接的两个互补晶体管，并且这两个互补晶体管彼此互补地导通和关断以驱动相负载。
晶体管可以包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)和金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(例如，Si MOSFET或SiC MOSFET)。虽然在下面的实施方式中使用IGBT作为示例，但是将理解，MOSFET可以代替IGBT。在这种背景下，在本文描述的任一示例中，当用MOSFET代替IGBT时，MOSFET的漏极可以代替IGBT的集电极，MOSFET的源极可以代替IGBT的发射极，并且MOSFET的漏源电压Vds可以代替IGBT的集电极-发射极电压Vce。因此，任何IGBT模块可以由MOSFET模块代替，反之亦然。
图1是示出根据一个或更多个实施方式的电力半导体器件的电机控制回路100的示意框图。特别地，电机控制回路100包括电力逆变器和逆变器驱动器板2。电机控制回路100还耦接至包括三个相U、V和W的三相电机M。电力逆变器是被配置成通过供应驱动电机M的三相电流来提供三相电力的三相电流生成器。
幅度和相位两者中的偏差可能导致电机M中的电力和扭矩损失。因此，电机控制回路100被配置成监测和控制供应给电机M的电流的幅度和相位，以确保维持适当的电流平衡。
电力逆变器包括被布置成互补对的六个IGBT模块3u1、3u2、3v1、3v2、3w1和3w2(统称为IGBT模块3)。每个互补对构成一个向三相电机M供应相电流的逆变器分支。因此，每个逆变器分支包括上IGBT模块3和下IGBT模块3。每个IGBT模块包括一个IGBT 4和一个二极管5。因此，每个逆变器分支包括上IGBT 4和下IGBT 4。负载电流路径U、V和W从位于互补IGBT之间的每个逆变器分支的输出端(即每个半桥的输出)延伸，并且被配置成耦接至诸如电机M这样的负载。电力逆变器耦接至DC电源6(例如电池)并且耦接至逆变器驱动器板2。
逆变器驱动器板2包括生成用于控制每个IGBT模块3的IGBT 4的驱动器信号的驱动器单元7。因此，负载电流路径U、V和W可以通过控制IGBT 4的有时称为栅电极的控制电极来由驱动器单元7控制。例如，在从驱动器单元7接收相应的控制信号时，控制电极可以将相应的IGBT 4设置成导电状态(即导通状态)或阻断状态(即关断状态)中的一个。
逆变器驱动器板2还包括耦接至IGBT4中的一个或更多个IGBT 4的集电极和发射极的dv/dt检测电路8。在图1中，dv/dt检测电路8耦接至每个IGBT 4的集电极和发射极。dv/dt检测电路8被配置成测量每个IGBT4的电压转换斜率dv/dt，并且向处理单元9发送测量结果，该处理单元9可以是计算机、一个或更多个处理器或其他处理装置，并且可以包括微控制器和/或数字信号处理器(DSP)。
测量IGBT 4的电压转换斜率dv/dt使得处理单元9能够实时确定IGBT 4的结温Tj。因此，对于测量其电压转换斜率dv/dt的每个IGBT 4，可以确定其结温Tj。如下面将进一步详细描述的，在IGBT 4关断的关断时段期间测量电压转换斜率dv/dt。
DC电源在工作期间可能浮置。因此，除了接收每个IGBT 4的电压转换斜率dv/dt的测量结果之外，处理单元9还可以接收DC电源6(即在DC链路处)的测量电压Vdc，该测量电压Vdc由耦接至DC链路的DC电压传感器10来测量。例如，可以在使相应的IGBT 4(即，其结温Tj被确定的IGBT 4)关断的时间处，或者就在使相应的IGBT 4关断之前的时间处，测量电压Vdc。也就是说，可以在相应的IGBT 4被触发以在其控制电极处关断时测量电压Vdc。
另外，电机控制回路100包括电流传感器11u、11v和11w(统称为电流传感器11)，每一个电流传感器被设置在不同的负载电流路径U、V和W中。电流传感器11可以是测量与在负载电流路径中流动的电流成比例的磁场的霍尔传感器，或者任何其他类型的电流探针。
每个电流传感器11被配置成测量在其相应的负载电流路径U、V和W中流动的负载电流，并且向处理单元9提供电流测量值。可以在相应的IGBT 4关断的时间处测量相应的IGBT 4(即，其结温Tj被确定的IGBT 4)的负载电流I_load。也就是说，可以在相应的IGBT 4被触发以在其控制电极处关断时测量负载电流I_load。
鉴于以上，处理单元9接收来自dv/dt检测电路8的(即，在关断时段期间测量的)IGBT 4的电压转换斜率dv/dt、来自DC电压传感器10的电压Vdc以及与IGBT 4的负载电流I_load相对应的(即，在IGBT 4的关断时测量的)电流测量结果。另外，处理单元9包括或耦接至存储查找表的存储器，该查找表包括dv/dt与Tj、以及与电压Vdc和负载电流I_load的相关性。因此，处理单元9被配置成通过基于接收的输入从表中读取IGBT 4的结温Tj来确定IGBT 4的结温Tj。另外，处理单元9还可以经由显示器或者通过发出诸如发光、告警或者表示IGBT模块中的可能故障的其他指示这样的警告，来输出或指示确定的结温Tj。例如，处理单元9可以将确定的结温Tj与正常结温Tj范围或阈值进行比较，并且如果确定的结温Tj超过该范围或阈值则发出警告。
图2示出了根据一个或更多个实施方式的查找表200。查找表200的每行包括在相应的IGBT 4的关断时测量的电流电平I_load下的各种dv/dt测量结果。在特定电流电平I_load下的每个dv/dt测量结果与相应的IGBT 4的结温Tj相对应。因此，通过在关断时段期间确定在关断时的负载电流和电压转换斜率dv/dt，可以经由查找表200确定对于相应的IGBT4的结温Tj。如果检测到dv/dt为1300V/us并且负载电流为30A，则根据查找表200，结温Tj为50℃。
特别地，在关断时段期间晶体管(例如，IGBT或MOSFET)的电压转换斜率dv/dt在特定电流和电压电平下与结温Tj成比例。Dv/dt在负载电流的串行速率下随着结温Tj几乎线性地减小。由于dv/dt取决于电流和电压电平，因此可以在IGBT 4的测试期间(例如，在设计或生产期间)通过在若干温度点、电流电平和电压电平处测量dv/dt的值来生成查找表。例如，在电力堆的设计阶段，IGBT模块可以通过加热板或其他加热工具来被加热。在(各种温度点的)每个温度点处，通过双脉冲切换来在若干电流电平处测量dv/dt。然后，可以从中创建查找表。可以针对不同的电压电平创建不同的查找表。
因此，处理单元9可以首先基于Vdc从多个查找表中选择查找表，然后经由存储在选择的表中的dv/dt与负载电流I_load之间的相关性来确定结温Tj。
图3示出了根据一个或更多个实施方式的用于IGBT的查找表301、302、...的集合。每个IGBT 4可以具有其自己的查找表的集合。每个查找表301、302、...对应于例如在相应的IGBT 4关断时测量的Vdc的电压电平(例如，600V、550V、...)。因此，处理单元9可以基于测量的电压Vdc来选择表中的一个，然后基于dv/dt和I_load以上文图2中描述的方式来确定结温Tj。
特别地，“关断时”可以是关断信号(即，控制信号)被驱动器单元7触发或由驱动器单元7发送以使相应的IGBT 4(即，相应的晶体管)关断的时间。因此，处理单元9可以在发送关断信号时从电流传感器11和电压传感器10读取传感器值。
查找表的温度、电流和电压之间的间隔可以根据设计选择来进行调整，并且不限于表中所示的那些。例如，在实际应用中，25℃的温度间隔可能是不可接受的。因此，可以使用5℃的温度间隔和10A的电流间隔来实现更精确和精细的结温Tj确定。另外，可以以10V间隔而不是以图3中所示的50V间隔生成查找表。
图4是根据一个或更多个实施方式的耦接至下(低侧)IGBT模块3的电压转换斜率dv/dt检测电路400的示意图。电压转换斜率dv/dt检测电路400被配置成在下IGBT模块3中的IGBT 4的关断时段期间测量dv/dt。在低侧IGBT 4导通的同时，负载电流I_load从负载流过IGBT 4，并且IGBT 4的集电极-发射极电压Vce为零。当IGBT 4关断时，IGBT 4的集电极电流Ic随时间减小到零，并且IGBT 4的Vce随时间增大到DC总线电压Vdc。因此，在IGBT 4关断时，由电流传感器(未示出)测量负载电流I_load，以确定用于查找结温Tj的电流值。此外，一旦IGBT 4关断，可以在关断时段内通过dv/dt检测电路400来确定dv/dt。
电压转换斜率dv/dt检测电路400包括与IGBT 4并联设置的分压器41，分压器41具有耦接至IGBT 4的集电极的第一节点n1和耦接至IGBT 4的发射极并且耦接至地电位的第二节点n2。因此，分压器41两端的电压是IGBT 4的集电极-发射极电压Vce。基于分压器41中使用的电阻器R1和R2的示例值，分压器41的输出电压Vt是Vce/100。当IGBT 4关断时，其两端的电压(即Vce)在关断时段期间增大。也就是说，Vce随时间增大。由于在该关断时段期间的电压转换斜率dv/dt与结温Tj成比例，因此可以测量dv/dt并且将其用于确定结温Tj。
电压转换斜率dv/dt检测电路400还包括两个参考电压生成器42和43，这两个参考电压生成器42和43被配置成生成相应的参考电压Vf1和Vf2(例如，分别为8V和2V)。在该示例中，dv/dt被定义为在标称电压下的(80％Vce-20％Vce)/dt。在此，分压器(即1/100)和参考电压Vf1和Vf2(例如，8V和2V)将dv限定为600V(即，dv＝(0.8％-0.2％)Vce*100＝600V)。也就是说，dv/dt检测电路400被配置成监测Vce两端的600V的电压变化。为了实现80％Vce至20％Vce的这个电压范围，在该示例中，参考电压Vf1和Vf2分别设置为8V和2V，并且将参考电压Vf1和Vf2与分压器41的输出电压Vt进行比较。
然而，该电压范围不一定与Vce的特定百分比直接相关，因为Vce的实际百分比可以基于Vdc的值而改变。因此，微控制器单元(MCU)46可以从电压传感器10接收DC电压Vdc的测量结果(例如，在IGBT 4关断时)，并且基于测量的DC电压Vdc调整在参考电压生成器42和43处的参考电压Vf1和Vf2。例如，MCU 46可以控制参考电压生成器42和43来调整参考电压Vf1和Vf2，使得电压范围约是80％Vdc至20％Vdc，或者Vdc的一些其他预定的电压范围。
每个参考电压生成器42和43分别耦接至比较器44和45。比较器44在其正输入端子V+处接收分压器41的输出电压Vt，并且在其负输入端子V-处接收参考电压Vf1，并且基于比较结果输出二进制输出值S1。具体地，当Vt大于Vf1时，输出值S1是逻辑高值(例如1)，而当Vt小于Vf1时，输出值S1是逻辑低值(例如0)。
类似地，比较器45在其正输入端子V+处接收分压器41的输出电压Vt，并且在其负输入端子V-处接收参考电压Vf1，并且基于比较结果输出二进制输出值S2。具体地，当Vt大于Vf2时，输出值S2是逻辑高值(例如1)，而当Vt小于Vf2时，输出值S2是逻辑低值(例如0)。
比较器结果S1和S2从每个比较器44和45输出到MCU 46。当S1的值在值上改变(例如，从逻辑低到逻辑高)以指示Vce已经上升到参考电压Vf1以上时，MCU 46捕获时间Ts1。类似地，当S2的值在值上改变(例如，从逻辑低到逻辑高)以指示Vce已经上升到参考电压Vf2以上时，MCU 46捕获时间Ts2。因此，两个时间值Ts1和Ts2由MCU 46确定，这表示对于Vce从参考电压Vf2变为参考电压Vf1所花费的时间段dt。也就是说，根据该示例，对于Vt(即Vce/100)增大6V(即dv)所花费的时间段dt。因此，电压转换斜率dv/dt的时间变化dt等于Ts1-Ts2。
因此，通过获知电压范围dv并且确定时间变化dt，电压转换斜率dv/dt可以由dv/dt检测电路400(例如，通过MCU 46)来确定并且被输出到处理单元9以用于确定IGBT 4的结温Tj。
MCU 46还可以被配置成触发系统中的各种测量并且接收那些测量结果以将它们传递到处理单元9。例如，MCU 46被配置成在关断时段期间确定电压转换斜率dv/dt并且向处理单元9发送测量结果。此外，MCU 46可以在IGBT 4关断时从电流传感器11读取相应的负载电流I_load的测量结果，并且向处理单元9发送该测量结果。另外，MCU 46可以在IGBT 4关断时从电压传感器10读取DC电压Vdc的测量结果，接收该测量结果，并且向处理单元9发送该测量结果。特别地，“关断时”可以是关断信号(即控制信号)被驱动器单元7触发或由驱动器单元7发送以使相应的IGBT 4(或晶体管)关断的时间。因此，MCU 46可以在发送关断信号时从电流传感器11和电压传感器10读取传感器值。
图5是根据一个或更多个实施方式的耦接至上(高侧)IGBT模块3的电压转换斜率dv/dt检测电路500的示意图。电压转换斜率dv/dt检测电路500类似于图4所示的电压转换斜率dv/dt检测电路400，除了分压器51跨上IGBT而不是下IGBT。在高侧IGBT 4导通时，负载电流I_load朝向负载流经IGBT 4，并且IGBT 4的集电极-发射极电压Vce为零。当IGBT 4关断时，IGBT 4的集电极电流Ic随时间减小到零，并且IGBT 4的Vce随时间增大到DC总线电压Vdc。因此，在IGBT 4关断时，由电流传感器(未示出)测量负载电流I_load，以确定用于查找结温Tj的电流值。此外，一旦IGBT 4关断，可以在关断时段内通过dv/dt检测电路500确定dv/dt。
电压转换斜率dv/dt检测电路500包括分压器51、两个参考电压生成器52和53、两个比较器54和55以及MCU 56。MCU 56被配置成基于上面图4描述的类似原理来确定电压转换斜率dv/dt，将不重复介绍该原理。
鉴于图4和图5，图1中所示的每个IGBT模块3可以耦接至具有图4或图5中所示的构造中的一个构造的不同的dv/dt检测电路，用于确定其电压转换斜率dv/dt。每个dv/dt检测电路可以包括其自己的MCU，或者可以与其他dv/dt检测电路共享单个MCU。
图6是根据一个或更多个实施方式的耦接至IGBT模块3的电压转换斜率dv/dt检测电路600的示意图。具体地，电压转换斜率dv/dt检测电路600可以耦接至图1中所示的IGBT模块3中的任意IGBT模块3，以用于在关断时段期间确定其电压转换斜率dv/dt。电压转换斜率dv/dt检测电路600包括与分流电阻器62串联连接的电容器61。dv/dt检测电路600还包括测量分流电阻器62两端的电压V并且确定dv/dt的sigma-delta转换器63。类似于电压转换斜率dv/dt检测电路400和500，由于Vce在关断时段期间随时间增大到Vdc，因此dv/dt检测电路中的电压在关断时段期间增大。可以通过I＝V/R来获得在关断时段内增大的、流经分流电阻器62的电流i，然后可以通过dv/dt＝I/C来计算dv/dt。
图7示出了说明Vce的电压转换速率随着结温增大而减小的曲线图。
图8示出了说明在负载电流I_load的串行速率下dv/dt随着结温Tj几乎线性地减小的曲线图。
图9是说明根据一个或更多个实施方式的查找表生成过程900的流程图。如上所示，在关断时段期间，IGBT电压转换斜率dv/dt在特定的电流电平和电压电平下与结温Tj成比例。因此，在IGBT模块的设计阶段的测试阶段，可以创建一个查找表或一系列查找表，以用于IGBT模块的工作期间的实时查找过程。
查找表生成过程900包括在表示IGBT模块的结温Tj的多个温度点上加热IGBT模块(操作905)。在每个温度点处改变Vdc的DC电压，使得Vdc被设置在多个电压电平(操作910)。在每个电压电平处，改变流经IGBT模块的负载电流I_load，使得I_load被设置在多个电流电平(操作915)。对于每个温度间隔(结温Tj)、电压间隔和电流间隔，测量Vdc(例如，在IGBT关断时)，在IGBT关断时测量I_load，并且在IGBT的关断时段期间通过双脉冲切换来测量IGBT模块的电压转换斜率dv/dt(操作920)。针对每个电压电平Vdc创建查找表，该查找表交叉参考Vdc、I_load、dv/dt和Tj的每个相关参数(操作925)。将查找表存储在处理单元中(操作930)。
图10是说明根据一个或更多个实施方式的、用于确定在IGBT模块工作时的结温Tj的过程1000的流程图。过程1000包括在IGBT关断时(即，在IGBT模块中的IGBT关断的时刻)测量对应于IGBT模块的DC电压Vdc和负载电流I_load(操作1005)，并且在IGBT的关断时段期间测量IGBT的电压转换斜率dv/dt(操作1010)。向处理单元发送Vdc、I_load和dv/dt的测量结果(操作1015)，并且利用Vdc、I_load和dv/dt的测量结果经由查找操作来交叉参考查找表中的结温Tj，确定IGBT的结温Tj(操作1020)。该过程还可以包括经由显示器或者通过发出诸如光、告警或者表示IGBT模块中的可能故障的其他指示这样的警告，来输出或指示确定的结温Tj(操作1025)。例如，处理单元可以将确定的结温Tj与正常结温Tj范围或阈值进行比较，并且如果确定的结温Tj超过该范围或阈值则发出警告。
鉴于以上，系统提供在IGBT工作时(即在电力逆变器工作时)IGBT结温的实时的、直接的测量。
图11是根据一个或更多个实施方式的耦接至IGBT模块3的电压转换斜率dv/dt检测电路1100的示意图。具体地，电压转换斜率dv/dt检测电路1100可以耦接至图1中所示的IGBT模块3中的任意IGBT模块3，以用于在关断时段期间确定其电压转换斜率dv/dt。在此，电压转换斜率dv/dt检测电路1100被示出为耦接至低侧IGBT模块3。电压转换斜率dv/dt检测电路1100包括变压器1101，该变压器1101用于传送DC电压的百分之一使得DC电压被转换为电压Vt。
除了利用变压器1101来将Vce转换为Vt之外，电压转换斜率dv/dt检测电路1100类似于图4中所示的电压转换斜率dv/dt检测电路400。例如，电压转换斜率dv/dt检测电路1100包括两个参考电压生成器1102和1103、两个比较器1104和1105以及MCU 1106。MCU1106被配置成基于上面图4中描述的类似原理来确定电压转换斜率dv/dt，将不重复介绍该原理。
虽然已经描述了各种实施方式，但是对于本领域普通技术人员将明显的是，在本公开内容的范围内可以有更多的实施方式和实现。例如，除了使用如图4和图5中的分压器或如图11中的变压器之外，可以存在生成电压Vt的其他方式。因此，本发明除了依据所附权利要求书及其等同物之外不受限制。关于由上述部件或结构(组件、装置、电路、系统等)执行的各种功能，用于描述这样的部件的术语(包括对“装置”的引用)即使在结构上不等同于执行本文所说明的本发明的示例性实现中的功能的公开的结构，也旨在对应于执行所描述的部件的指定功能的(即，功能上等同的)任何部件或结构，除非另外指出。
此外，所附权利要求书在此并入详细描述中，其中，每项权利要求可以独自作为单独的示例实施方式。虽然每项权利要求可以独自作为单独的示例实施方式，但将注意：尽管从属权利要求可以在权利要求书中引用与一项或更多项其他权利要求的特定组合，但是其他示例实施方式还可以包括从属权利要求与每项其他从属或独立权利要求的主题的组合。本文提出了这样的组合，除非声明不旨在特定组合。此外，旨在将一个权利要求中的特征包括至任何其他独立权利要求，即使该权利要求不是直接引用该独立权利要求。
还将注意，说明书或权利要求书中公开的方法可以由具有用于执行这些方法中的相应动作中的每个动作的装置的设备来实现。
此外，将理解，说明书或权利要求书中公开的多个动作或功能的公开内容可以不被解释为在特定顺序内。因此，多个动作或功能的公开内容不会将这些限于特定顺序，除非这样的动作或功能由于技术原因是不可互换的。此外，在一些实施方式中，单个动作可以包括或可以分成多个子动作。这样的子动作可以被包括并且是该单个动作的公开的一部分，除非明确排除。
本公开内容中描述的技术可以至少部分地以硬件、软件、固件或其任何组合实现。例如，所描述的技术的各个方面可以在包括一个或更多个微处理器的一个或更多个处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、或任何其他等效的集成或分立逻辑电路以及这样的部件的任何组合内实现。术语“处理器”或“处理电路”一般可以指前述逻辑电路中的任何、单独或与其他逻辑电路组合或任何其他等效电路。包括硬件的控制单元还可以执行本公开内容的技术中的一种或更多种。这样的硬件、软件和固件可以在同一装置内或在单独的装置内实现，以支持本公开内容中描述的各种技术。
尽管已经公开了各种示例性实施方式，但是对于本领域技术人员将明显的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改，这些改变和修改将实现本文公开的概念的优点中的一些。对于本领域技术人员将明显的是，可以适当地替换执行相同功能的其他部件。将理解，在不脱离本发明的范围的情况下，可以利用其他实施方式并且可以进行结构或逻辑上的改变。应提到的是，参照特定附图解释的特征可以与其他附图的特征组合，甚至在未明确提及的那些中也是如此。对一般发明的这样的修改旨在由所附权利要求书及其合法等同物覆盖。

Claims (20)

1.一种被配置成测量晶体管的结温的系统，所述系统包括：
电力逆变器，其被配置成向负载供电，所述电力逆变器包括所述晶体管，所述晶体管被配置成在导通状态与关断状态之间切换并且在所述导通状态期间生成负载电流；
电流传感器，其被配置成测量所述负载电流；
电压转换斜率检测电路，其被配置成在所述晶体管处于所述关断状态的所述晶体管的关断时段期间，确定与所述晶体管两端的电压相对应的电压转换斜率；以及
处理单元，其被配置成基于测量的负载电流和确定的电压转换斜率来确定所述晶体管的结温。
2.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述电流传感器被配置成在所述晶体管的关断时间处测量所述负载电流，所述关断时间是所述晶体管从所述导通状态切换到所述关断状态时的时间。
3.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述处理单元被配置成存储包括多个负载电流值的查找表，其中，所述多个负载电流值中的每一个与多个电压转换斜率值中的相应电压转换斜率值相关，并且每个负载电流值-电压转换斜率值组合与多个结温中的一个结温相关，以及
所述处理单元被配置成基于所述测量的负载电流和所述确定的电压转换斜率、根据所述查找表确定所述晶体管的结温。
4.根据权利要求1所述的系统，还包括：
直流DC电压源，其耦接至所述电力逆变器；以及
电压传感器，其被配置成测量所述DC电压源的DC电压，
其中，所述处理单元被配置成基于所述测量的负载电流、所述确定的电压转换斜率和测量的DC电压来确定所述晶体管的结温。
5.根据权利要求4所述的系统，其中：
所述电压传感器被配置成在所述晶体管的关断时间处测量所述DC电压，所述关断时间是所述晶体管从所述导通状态切换到所述关断状态时的时间。
6.根据权利要求4所述的系统，其中：
所述处理单元被配置成存储多个查找表，每个查找表与多个不同的DC电压值中的一个相对应，其中，所述多个查找表中的每个查找表包括多个负载电流值，其中，所述多个负载电流值中的每一个与多个电压转换斜率值中的相应电压转换斜率值相关，并且每个负载电流值-电压转换斜率值组合与多个结温中的一个结温相关，以及
所述处理单元被配置成基于所述测量的DC电压从所述多个查找表中选择查找表，并且基于所述测量的负载电流和所述确定的电压转换斜率、根据选择的查找表来确定所述晶体管的结温。
7.根据权利要求1所述的系统，其中：
所述电压转换斜率表示在由第一电压和第二电压限定的预定电压范围内，在所述晶体管两端的电压在所述关断时段期间从所述第一电压变为所述第二电压的时间段内，所述晶体管两端的电压的改变。
8.根据权利要求7所述的系统，还包括：
直流DC电压源，其耦接至所述电力逆变器；以及
电压传感器，其被配置成测量所述DC电压源的DC电压，
其中，所述电压转换斜率检测电路被配置成基于测量的DC电压来调整所述预定电压范围。
9.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压转换斜率检测电路包括：
分压器，其具有耦接至所述晶体管的集电极的第一节点和耦接至所述晶体管的发射极的第二节点；以及
处理器，其被配置成确定所述晶体管两端的电压在所述关断时段期间从第一电压变为第二电压的时间段，并且基于确定的时间段来确定所述电压转换斜率。
10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述电压转换斜率检测电路包括：
电容器，其连接至所述晶体管的第一电极；
分流电阻器，其与所述电容器串联连接并且还连接至所述晶体管的第二电极；以及
sigma-delta转换器，其被配置成测量所述分流电阻器两端的电压降，并且基于测量的电压降和所述电容器的电容来确定所述电压转换斜率。
11.一种用于测量晶体管的结温的方法，所述方法包括：
在导通状态与关断状态之间切换所述晶体管，以将直流DC电压转换为交流AC电压；
在所述晶体管的导通状态期间生成负载电流；
测量所述负载电流；
在所述晶体管处于所述关断状态的所述晶体管的关断时段期间，确定与所述晶体管两端的电压相对应的电压转换斜率；以及
基于测量的负载电流和确定的电压转换斜率来确定所述晶体管的结温。
12.根据权利要求11所述的方法，其中：
测量所述负载电流包括在所述晶体管的关断时间处测量所述负载电流，所述关断时间是所述晶体管从所述导通状态切换到所述关断状态时的时间。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括：
存储包括多个负载电流值的查找表，其中，所述多个负载电流值中的每一个与多个电压转换斜率值中的相应电压转换斜率值相关，并且每个负载电流值-电压转换斜率值组合与多个结温中的一个结温相关；以及
基于所述测量的负载电流和所述确定的电压转换斜率、根据所述查找表确定所述晶体管的结温。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
测量DC电压源的DC电压；以及
基于所述测量的负载电流、所述确定的电压转换斜率和测量的DC电压来确定所述晶体管的结温。
15.根据权利要求14所述的方法，其中：
测量所述DC电压包括在所述晶体管的关断时间处测量所述DC电压，所述关断时间是所述晶体管从所述导通状态切换到所述关断状态时的时间。
16.根据权利要求14所述的方法，还包括：
存储多个查找表，每个查找表与多个不同的DC电压值中的一个相对应，其中，所述多个查找表中的每个查找表包括多个负载电流值，其中，所述多个负载电流值中的每一个与多个电压转换斜率值中的相应电压转换斜率值相关，并且每个负载电流值-电压转换斜率值组合与多个结温中的一个结温相关；
基于所述测量的DC电压，从所述多个查找表中选择查找表；以及
基于所述测量的负载电流和所述确定的电压转换斜率、根据选择的查找表来确定所述晶体管的结温。
17.根据权利要求11所述的方法，其中：
所述电压转换斜率表示在由第一电压和第二电压限定的预定电压范围内，在所述晶体管两端的电压在所述关断时段期间从所述第一电压变为所述第二电压的时间段内，所述晶体管两端的电压的改变。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括：
测量DC电压源的DC电压；以及
基于所述测量的负载电流、所述确定的电压转换斜率和测量的DC电压来确定所述晶体管的所述结温；以及
基于所述测量的DC电压来调整所述预定电压范围。
19.根据权利要求11所述的方法，其中：
确定所述电压转换斜率包括确定所述晶体管两端的电压在所述关断时段期间从第一电压变为第二电压的时间段，并且基于确定的时间段和由所述第一电压和所述第二电压限定的电压范围来确定所述电压转换斜率。
20.根据权利要求11所述的方法，其中，确定所述电压转换斜率包括：
测量与电容器串联连接的分流电阻器两端的电压降，其中，所述电容器连接至所述晶体管的第一电极，并且所述分流电阻器连接至所述晶体管的第二电极；以及
基于测量的电压降和所述电容器的电容来确定所述电压转换斜率。
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