CN110488172B - 一种大功率igbt结温检测电路、系统及方法 - Google Patents

一种大功率igbt结温检测电路、系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大功率IGBT结温检测电路、系统及方法，结温检测电路包括：阻断漏电流‑结温检测电路和导通压降‑结温检测电路，阻断漏电流‑结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件的阻断漏电流‑结温检测标定；导通压降‑结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件导通压降‑结温检测标定，本发明提供的大功率IGBT结温检测电路、系统及方法，可以作为大功率IGBT器件开关全工况的阻断漏电流‑结温检测或导通压降‑结温检测，也可以对两种不同的检测方式进行对比测试，其过程不需改变安装条件，可自动完成测试，简单易行高效。

Description

一种大功率IGBT结温检测电路、系统及方法
技术领域
本发明涉及IGBT器件结温检测技术领域，具体涉及一种大功率IGBT结温检测电路、系统及方法。
背景技术
大功率IGBT器件电压电流容量大、开关频率高，开关损耗和通态损耗产生的大量热量使器件自身不断承受热冲击，芯片及其他结构温度的波动对可靠性产生严重影响，因此，可靠性最为突出的主要是热问题，它包括稳态温度，温度循环，温度梯度，以及封装材料在工作温度下的匹配问题，而IGBT失效主要是由主动或被动温度的变化引起的，由于芯片与封装结构材料之间热膨胀系数不一致，在温度变化过程中将产生热应力，从而导致不同材料接触层的机械变形，导致芯片电气过应力、静电放电、机械损坏等失效。为确保IGBT器件在不同工况下长期可靠运行，需要对其进行一系列的可靠性试验及设计验证，促使隐藏于元器件内部的各种潜在缺陷在早期暴露出来，从而达到剔除早期失效产品的目的。
目前通态压降-结温检测法是业内较为成熟的结温检测方法，普遍用于对IGBT器件的热阻测试和开关工况温度监测。通态压降-结温检测法依据是在一定温度范围内，IGBT导通小电流条件下，集射极电压Vce与结温呈一定的线性关系。该方法可用于功率循环等类似条件的可靠性测试，但不能应用于阻断条件的相关测试。因此阻断条件的相关测试需要通过设置热阻参数进行换算或者利用阻断漏电流作为热敏感电参数对结温进行标定。由于热阻受表面质量、接触压力等因素影响，所以通过热阻换算得到的结温与实际值间偏差较大，不易用于大功率IGBT。阻断漏电流-结温检测法是一种在被测器件阻断工况下检测结温的新方法，与通态压降-结温检测法类似，同样利用IGBT自身的热敏感电参数与结温的对应关系来推算结温。由于IGBT器件结温与被采样的热敏感电参数之间的线性关系是基于一定的条件下的，比如不同封装形式、不同容量以及不同批次等等，因此需要针对上述不同情况分别进行对应关系检测标定。
发明内容
因此，本发明提供一种大功率IGBT结温检测电路、系统及方法，克服现有技术中的需要对IGBT器件的通态压降-结温检测和阻断漏电流-结温检测分别采用不同测试系统进行检测，检测过程操作低效的缺陷。
第一方面，本发明实施例提供一种大功率IGBT器件结温检测电路，包括：阻断漏电流-结温检测电路和导通压降-结温检测电路，其中，阻断漏电流-结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件的阻断漏电流-结温检测标定；导通压降-结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件导通压降-结温检测标定。
在一实施例中，所述阻断漏电流-结温检测电路，包括：程控电压源、电压开关模块、电压开关模块驱动开关、短接开关、IGBT驱动电源、电流采样电阻及被测IGBT器件，其中，程控电压源为被测IGBT器件提供阻断状态下的测试直流电压；电压开关模块控制程控电压源输出电压的加载和关断；短接开关用于被测IGBT器件的两极短接；IGBT驱动电源为电压开关模块和被测IGBT器件提供驱动电压，使被测IGBT器件处于阻断状态；电压开关模块驱动开关用于控制IGBT驱动电源输出电压的加载和关断；电流采样电阻在阻断漏电流-结温检测状态下用于漏电流信号采样。
在一实施例中，所述导通压降-结温检测电路，包括：程控电流源、被测器件驱动开关、程控电流源接入开关、IGBT驱动电源、电压采样电阻及被测IGBT器件，其中，程控电流源为被测IGBT器件提供导通状态下的测试直流电流；程控电流源接入开关控制程控电流源输出电流的加载和关断；被测器件驱动开关控制IGBT驱动电流输出电压的加载和关断；IGBT驱动电源为程控电流源接入开关和被测IGBT器件提供驱动电流，使被测IGBT器件处于导通状态；电压采样电阻在通态压降-结温检测状态下用于导通电压信号采样。
第二方面，本发明实施例提供一种大功率IGBT结温检测系统，包括：工控机、温度控制装置及本发明实施例第一方面所述的结温检测电路，其中，工控机用于控制所述结温检测电路各个器件的通断、监控被测IGBT器件的相关参数、记录检测数据；温度控制装置用于控制所述被测IGBT器件处于预设温度。
第三方面，本发明实施例提供一种大功率IGBT结温检测方法，包括如下步骤：将被测IGBT器件设置于一预设温度；利用阻断漏电流-结温检测电路对预设温度的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定；利用通态压降-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行通态压降-结温检测标定。
在一实施例中，所述利用阻断漏电流-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定的步骤，包括：控制电压开关模块驱动开关和短接开关闭合；开启程控电压源和IGBT驱动电源，对被测IGBT器件加载测试电压，使其处于阻断状态；对电流采样电阻进行采样，获取被测IGBT器件对应的漏电流数值，进行对应温度点的阻断漏电流-结温检测标定；关闭程控电压源和IGBT驱动电源，分断电压开关模块驱动开关和短接开关。
在一实施例中，所述利用通态压降-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行通态压降-结温检测标定的步骤，包括：控制被测器件驱动开关及程控电流源接入开关闭合；开启程控电流源和IGBT驱动电源，对被测IGBT器件加载测试电流，使被测IGBT器件处于导通状态；对电压采样电阻进行采样，获取被测IGBT器件对应的通态压降值，进行对应温度点的通态压降-结温检测标定；关闭程控电流源和IGBT驱动电源，分断被测器件驱动开关和程控电流源接入开关。
在一实施例中，所述的大功率IGBT结温检测方法，还包括：采用预设时间间隔及预设温度步长，分别利用阻断漏电流-结温检测电路及通态压降-结温检测电路，将对应温度点的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定及通态压降-结温检测标定。
在一实施例中，不同温度点对应的阻断漏电流值和通态压降值均为多次检测结果的平均值。
在一实施例中，所述的大功率IGBT结温检测方法，还包括：获取预设温度范围内阻断漏电流、结温与通态压降的对应关系，验证阻断漏电流-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定及利用通态压降-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行通态压降-结温检测标定所涉及的热敏感参数是否满足线性对应关系。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明提供的大功率IGBT结温检测电路、系统及方法，其中结温检测电路包括：阻断漏电流-结温检测电路和导通压降-结温检测电路，阻断漏电流-结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件的阻断漏电流-结温检测标定；导通压降-结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件导通压降-结温检测标定，可以作为大功率IGBT器件开关全工况的阻断漏电流-结温检测或导通压降-结温检测，也可以对两种不同的检测方式进行对比测试，其过程不需改变安装条件，可自动完成测试，简单易行高效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的大功率IGBT器件结温检测电路的一个具体示例的组成图；
图2为本发明实施例提供的阻断漏电流-结温检测电路的一个具体示例的组成图；
图3为本发明实施例提供的导通压降-结温检测电路的一个具体示例的组成图；
图4为本发明实施例提供的大功率IGBT结温检测系统的一个具体示例的组成图；
图5为本发明实施例提供的大功率IGBT结温检测方法的一个具体示例的流程图；
图6为本发明实施例提供的阻断漏电流-结温检测标定的一个具体示例的流程图；
图7为本发明实施例提供的通态压降-结温检测标定的一个具体示例的流程图；
图8为本发明实施例提供的阻断漏电流-结温和导通压降-结温检测对比曲线图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明实施例提供一种大功率IGBT器件结温检测电路，包括：阻断漏电流-结温检测电路和导通压降-结温检测电路，其中，阻断漏电流-结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件的阻断漏电流-结温检测标定；导通压降-结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件导通压降-结温检测标定。
本发明实施例提供的大功率IGBT器件结温检测电路，既能实现两种结温检测方法的对比验证，也可作为器件开关全工况的结温检测方法，对比测试过程不需改变安装条件，简单易行高效。
在本发明实施例中，如图1所示，所述大功率IGBT器件结温检测电路包括：程控电压源1、程控电流源2、IGBT驱动电源3、电压开关模块4、被测IGBT器件5、电压开关模块驱动开关6、被测器件驱动开关7、短接开关8、程控电流源接入开关9、电流采样电阻10、电压采样电阻11，其中，程控电压源1输出电压为被测器件实际工作电压或者可靠性测试规定电压，程控电流源2输出电流为几十到几百毫安，加载时间均为毫秒级；被测IGBT器件5为需要进行结温检测标定的高压大功率IGBT器件，该器件一般需要安装在对应的工装上，电压开关模块驱动开关6、被测器件驱动开关7、短接开关8和程控电流源接入开关9为继电器，在检测过程中通过控制器控制其合分。
本发明实施例中，如图2所示，阻断漏电流-结温检测电路包括：程控电压源1、电压开关模块4、电压开关模块驱动开关6、短接开关8、IGBT驱动电源3、电流采样电阻10及被测IGBT器件5，其中，程控电压源1为被测IGBT器件5提供阻断状态下的测试直流电压，并根据需要可调节输出电压；电压开关模块4控制程控电压源输出电压的加载和关断；短接开关8用于被测IGBT器件的两极短接；IGBT驱动电源3为电压开关模块4和被测IGBT器件5提供栅极驱动电压，并根据需要，可调节输出电压，使被测IGBT器件处于阻断状态；电压开关模块驱动开关6用于控制IGBT驱动电源输出电压的加载和关断；电流采样电阻10在阻断漏电流-结温检测状态下用于漏电流信号采样。
本发明实施例中，如图3所示，导通压降-结温检测电路包括：程控电流源2、被测器件驱动开关7、程控电流源接入开关9、IGBT驱动电源3、电压采样电阻11及被测IGBT器件5，其中程控电流源2为被测IGBT器件提供导通状态下的测试直流电流，并根据需要，可调节输出电流；程控电流源接入开关9控制程控电流源输出电流的加载和关断；被测器件驱动开关7控制IGBT驱动电流输出电压的加载和关断；IGBT驱动电源3为程控电流源接入开关9和被测IGBT器件5提供驱动电流，使被测IGBT器件5处于导通状态；电压采样电阻11在通态压降-结温检测状态下用于导通电压信号采样。
本发明实施例还提供一种大功率IGBT结温检测系统，如图4所示，包括：工控机11、温度控制装置12及实施例1中所述的结温检测电路，其中，工控机用于控制所述结温检测电路各个器件的通断、监控被测IGBT器件的相关参数、记录检测数据，并根据程序设定自动完成测试；温度控制装置用于控制被测IGBT器件处于预设温度，温度控制装置可以为烘箱，仅以此举例，不以此为限。
在进行检测标定时，选取的温度点不能过低或过高，温度过低时，漏电流小，不易检测；温度超过器件最高允许结温时，将对器件本身可靠性产生影响，本发明实施例选取的温度范围为65℃～125℃，间隔为5℃，仅以此举例，不以此为限。
本发明实施例提供的大功率IGBT结温检测系统，可以作为大功率IGBT器件开关全工况的进行阻断漏电流-结温检测或导通压降-结温检测，也可以对两种不同的检测方式进行对比测试，其过程不需改变安装条件，可自动完成测试，简单易行高效。
实施例2
本发明实施例提供一种大功率IGBT结温检测方法，如图5所示，包括如下步骤：
步骤S1:将被测IGBT器件设置于一预设温度。
本发明实施例将装有被测IGBT器件的工装通过烘箱或加热板升温至某一设定温度(如65℃)，待温度稳定后，被测IGBT器件结温可视为与设定温度相等，进行检测标定时选取温度点不能过低或过高，温度过低时，漏电流小，不易检测；温度超过器件最高允许结温时，将对器件本身可靠性产生影响，本发明实施例选取的温度范围为65℃～125℃，仅以此举例，不以此为限。
步骤S2:利用阻断漏电流-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定。
本发明实施例执行步骤S2的过程，如图6所示，可以具体包括：
步骤S21:控制电压开关模块驱动开关、电压开关模块及短接开关闭合。电压开关模块驱动开关和短接开关闭合后，使得程控电压源、被测IGBT驱动电源和被测IGBT器件接入电路中。本发明实施例可以通过结温检测系统的工控机阻断漏电流-结温检测电路中各个开关元件的关断。
步骤S22:开启程控电压源和IGBT驱动电源，对被测IGBT器件加载测试电压，使其处于阻断状态。本发明实施例中程控电压源为被测IGBT器件5提供阻断状态下的测试直流电压，并根据需要可调节输出电压，IGBT驱动电源为被测IGBT器件提供栅极驱动电压，并根据需要可调节输出电压。
步骤S23:对电流采样电阻进行采样，获取被测IGBT器件对应的漏电流数值，进行对应温度点的阻断漏电流-结温检测标定。在实际检测过程中，由于IGBT器件被封装在被测器件内部，芯片结温很难通过物理接触方法进行测量，因此本发明实施通过对电流采样电阻进行采样的方式，获取被测IGBT器件对应的漏电流数值，进行对应温度点的阻断漏电流-结温检测标定。
步骤S24:关闭程控电压源和IGBT驱动电源，分断电压开关模块驱动开关、电压开关模块及短接开关。
步骤S3:利用通态压降-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行通态压降-结温检测标定。
本发明实施例执行步骤S3的过程，如图7所示，可以具体包括：
步骤S31:控制被测器件驱动开关及程控电流源接入开关闭合；被测器件驱动开关和程控电流源接入开关闭合后，使得被测IGBT驱动电源和程控电流源接入电路中。本发明实施例可以通过结温检测系统的工控机阻断漏电流-结温检测电路中各个开关元件的关断。
步骤S32:开启程控电流源和IGBT驱动电源，对被测IGBT器件加载测试电流，使得被测IGBT器件处于导通状态；程控电流源为被测IGBT器件提供导通状态下的测试直流电流，并根据需要，可调节输出电流，IGBT驱动电源为程控电流源接入开关和被测IGBT器件提供驱动电流，使被测IGBT器件5处于导通状态。
步骤S33：对电压采样电阻进行采样，获取被测IGBT器件对应的通态压降值，进行对应温度点的通态压降-结温检测标定；在实际检测过程中，由于IGBT器件被封装在被测器件内部，芯片结温很难通过物理接触方法进行测量，因此本发明实施通过对电压采样电阻进行采样的方式，获取被测IGBT器件对应的通态压降，进行对应温度点的通态压降-结温检测标定。
步骤S34:关闭程控电流源和IGBT驱动电源，分断被测器件驱动开关和程控电流源接入开关。
本发明实施例提供的大功率IGBT结温检测方法，可以作为大功率IGBT器件开关全工况的阻断漏电流-结温检测及导通压降-结温检测，也可以对两种不同的检测方式进行对比，其过程不需改变安装条件，可自动完成测试，简单易行高效。
在本实施例中，上述大功率IGBT结温检测方法还包括：采用预设时间间隔及预设温度步长，分别利用阻断漏电流-结温检测电路及通态压降-结温检测电路，将对应温度点的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定及通态压降-结温检测标定。其中，不同温度点对应的阻断漏电流值和通态压降值均为多次检测结果的平均值。本发明实施例选取的温度范围为65℃～125℃，间隔为5℃，电压、电流参数分别采样5次取平均值，标定结果如下表所示：
Figure BDA0002127906450000121
根据上述的检测标定结果，可以获取预设温度范围内阻断漏电流、结温与通态压降的对应关系，验证阻断漏电流-结温检测电路对预设温度的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定，以及利用通态压降-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行通态压降-结温检测标定，所涉及的热敏感参数是否满足线性对应关系。如图8所示的为对焊接型高压大功率IGBT器件(在其他实施例中也可用压接型高压大功率IGBT器件，仅以此举例，不以此为限)进行两种结温检测方式的测温曲线(其中，曲线1为通态压降-结温检测方式的测温曲线，曲线2为阻断漏电流-结温检测方式的测温曲线)，根据升温、恒温和降温三个阶段的对比，可以看出这两种方法对结温的检测结果基本接近。在此基础上，可以利用现有公式计算得出IGBT器件各温度段内阻断漏电流结温、通态压降结温与涉及到的热敏感参数对应关系，可用于实际工程应用和可靠性测试的结温检测。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (6)

1.一种大功率IGBT器件结温检测电路，其特征在于，包括：阻断漏电流-结温检测电路和导通压降-结温检测电路，其中，
阻断漏电流-结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件的阻断漏电流-结温检测标定，所述阻断漏电流-结温检测电路，包括：程控电压源、电压开关模块、电压开关模块驱动开关、短接开关、IGBT驱动电源、电流采样电阻及被测IGBT器件，其中，程控电压源为被测IGBT器件提供阻断状态下的测试直流电压；电压开关模块控制程控电压源输出电压的加载和关断；短接开关用于被测IGBT器件的两极短接；IGBT驱动电源为电压开关模块和被测IGBT器件提供驱动电压，使被测IGBT器件处于阻断状态；电压开关模块驱动开关用于控制IGBT驱动电源输出电压的加载和关断；电流采样电阻在阻断漏电流-结温检测状态下用于漏电流信号采样；
导通压降-结温检测电路用于进行不同温度下被测IGBT器件导通压降-结温检测标定，所述导通压降-结温检测电路，包括：程控电流源、被测器件驱动开关、程控电流源接入开关、IGBT驱动电源、电压采样电阻及被测IGBT器件，其中，程控电流源为被测IGBT器件提供导通状态下的测试直流电流；程控电流源接入开关控制程控电流源输出电流的加载和关断；被测器件驱动开关控制IGBT驱动电流输出电压的加载和关断；IGBT驱动电源为程控电流源接入开关和被测IGBT器件提供驱动电流，使被测IGBT器件处于导通状态；电压采样电阻在通态压降-结温检测状态下用于导通电压信号采样；
所述程控电压源的第一端与所述电压开关模块的第一端连接，所述程控电压源的第二端通过所述电流采样电阻与所述IGBT驱动电源的第一端、所述短接开关的第一端连接，所述IGBT驱动电源的第一端、所述短接开关的第一端均与所述被测IGBT的第二端连接，所述IGBT驱动电源的第二端通过所述电压开关模块驱动开关与所述电压开关模块的控制端连接，所述IGBT驱动电源的第二端还通过所述被测器件驱动开关与所述被测IGBT器件的栅极、所述短接开关的第二端连接，所述电压开关模块的第三端与所述被测IGBT器件的第一端连接，所述电压开关模块的第三端还通过所述程控电流源接入开关分别与所述电压采样电阻的第一端、所述程控电流源的第一端连接，所述被测IGBT器件的第二端、所述电压采样电阻的第二端、所述程控电流源的第二端均接地。
2.一种大功率IGBT结温检测系统，其特征在于，包括：工控机、温度控制装置及如权利要求1所述的结温检测电路，其中，
工控机用于控制所述结温检测电路各个器件的通断、监控被测IGBT器件的相关参数、记录检测数据；
温度控制装置用于控制所述被测IGBT器件处于预设温度。
3.一种大功率IGBT结温检测方法，其特征在于，应用于权利要求1所述的结温检测电路，所述方法包括如下步骤：
将被测IGBT器件设置于一预设温度；
利用阻断漏电流-结温检测电路对预设温度的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定，包括：控制电压开关模块驱动开关和短接开关闭合，控制被测器件驱动开关及程控电流源接入开关断开；开启程控电压源和IGBT驱动电源，对被测IGBT器件加载测试电压，使其处于阻断状态；对电流采样电阻进行采样，获取被测IGBT器件对应的漏电流数值，进行对应温度点的阻断漏电流-结温检测标定；关闭程控电压源和IGBT驱动电源，分断电压开关模块驱动开关和短接开关；
利用通态压降-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行通态压降-结温检测标定，包括：控制被测器件驱动开关及程控电流源接入开关闭合，控制电压开关模块驱动开关和短接开关断开；开启程控电流源和IGBT驱动电源，对被测IGBT器件加载测试电流，使被测IGBT器件处于导通状态；对电压采样电阻进行采样，获取被测IGBT器件对应的通态压降值，进行对应温度点的通态压降-结温检测标定；关闭程控电流源和IGBT驱动电源，分断被测器件驱动开关和程控电流源接入开关。
4.根据权利要求3所述的大功率IGBT结温检测方法，其特征在于，还包括：
采用预设时间间隔及预设温度步长，分别利用阻断漏电流-结温检测电路及通态压降-结温检测电路，将对应温度点的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定及通态压降-结温检测标定。
5.根据权利要求4所述的大功率IGBT结温检测方法，其特征在于，不同温度点对应的阻断漏电流值和通态压降值均为多次检测结果的平均值。
6.根据权利要求4所述的大功率IGBT结温检测方法，其特征在于，还包括：
获取预设温度范围内阻断漏电流、结温与通态压降的对应关系，验证阻断漏电流-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行阻断漏电流-结温检测标定及利用通态压降-结温检测电路对所述预设温度的被测IGBT器件进行通态压降-结温检测标定所涉及的热敏感参数是否满足线性对应关系。
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