CN110632489B - 一种基于漏电流的igbt结温监测电路及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于漏电流的IGBT结温监测电路及方法，该监测电路包括电流源型逆变电路，该电流源型逆变电路包括三相桥臂，每相桥臂包括上下两个半桥臂，每个半桥臂包括一个IGBT与一个二极管，所述IGBT与所述二极管串联连接，在所述二极管两端并联一漏电流获取单元，以获取IGBT的漏电流；还包括一IGBT结温获取单元，根据所述漏电流获取IGBT结温。本发明解决了电力电子变流器大幅度电流PWM中测量关断泄露电流的难题，不仅对电路没有侵入性，而且可以实现结温的实时在线监测，采样频率高，成本低，对于IGBT的监测和电力电子变流器的可靠性评估具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于电气工程领域，涉及一种电力电子变流器状态监测方案，尤其涉及一种电流源逆变器中的大容量IGBT的结温监测电路以及监测方法。
背景技术
电流源型逆变器非常适合应用于并网型应用场合，特别是在太阳能、风力并网发电方面。变流器中电力电子器件随功率的波动以及外部环境的变化，受到剧烈的热冲击，由于器件的多层结构以及不同材料间热膨胀系数的不匹配，剧烈的热冲击会产生交变的热应力。从而影响器件的寿命与老化，进而影响器件的可靠性。因此IGBT的结温测量对于可靠性评估、运行状态监测以及系统的热管理具有重要意义。
基于温度在线监测的热管理可以调节系统的温度，减小系统温度波动或者较高温度带来的疲劳损伤。整体来说，结温的测量可以避免模块过温失效。预测IGBT模块的健康运行时间，监测IGBT模块的健康状态，降低不定期维护的经济损失；减缓模块疲劳损伤，延长运行寿命。
国内外学者关于IGBT模块温度的监测进行了大量的研究，所提出的方法主要分为：物理接触、物理非接触、热力学模型估算以及热敏感电参数间接测量方式4类。具体测量方式包括热电偶、温敏电阻或者温敏二极管直接测量。热成像仪的红外线测量方案。基于IGBT模块热力学模型的估算方法。基于饱和压降、米勒电压、阈值电压、关断时间、短路电流以及电流变化率等热敏电参数间接测量。
这些方案都存在部分的问题。比如：难以在线监测、工程应用难度大、电路侵入性，影响电路正常工作状态、信号精度易受外部干扰、精度不高、监测需要复杂的辅助电路、需要切换电路驱动方式、采样条件苛刻、时间采样困难、实时捕捉较难、难以反映IGBT温度的波动、设备昂贵等问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种基于漏电流的IGBT结温监测电路以及结温监测方法，该监测电路结构简单、精度高、可反映温度波动、并可应用于在线监测。
本发明通过如下技术方案实现：
一方面，本发明实施例提供了一种基于漏电流的IGBT结温监测电路，包括：
电流源型逆变电路，该电流源型逆变电路包括三相桥臂，每相桥臂包括上下两个半桥臂，其特征在于，每个半桥臂包括一个IGBT与一个二极管，所述IGBT与所述二极管串联连接；
在所述二极管两端并联一漏电流获取单元，以获取IGBT的漏电流；还包括一IGBT结温获取单元，用于根据所述漏电流获取IGBT结温。
进一步的，所述漏电流获取单元为一并联在二极管两端的电阻以及连接在所述电阻两端的电压隔离采样电路，以获取IGBT的漏电流。
进一步的，所述电阻的阻值为10欧姆。
进一步的，所述电压隔离采样电路包括隔离放大器、第一和第二运算放大器，所述隔离放大器的两个输入端与所述电阻两端连接，两个输出端连接第一运算放大器的输入端，所述第一运算放大器的输出端连接第二运算放大器的正相输入端。
进一步的，所述IGBT结温获取单元包括MCU，连接于电压隔离采样电路，用于接收电压隔离采样电路的输出信号，运算处理后得到IGBT结温。
进一步的，所述MCU存储所述逆变电路中IGBT漏电流随温度变化的曲线，以根据所述漏电流获取单元获得的IGBT漏电流得到对应的温度，将其作为IGBT结温。
另一方面，本发明实施例还提供了一种根据前述基于漏电流的IGBT结温监测电路的监测方法，其中，所述方法包括：
测得不同正向关断电压下，IGBT漏电流随温度变化的曲线；
将所述IGBT漏电流随温度变化的曲线存储至所述IGBT结温获取单元中；
所述漏电流获取单元获得所述IGBT的漏电流，并传送至所述结温获取单元；
所述IGBT结温获取单元根据获得的IGBT漏电流在所述曲线中查找对应的温度，以作为所述IGBT结温，并输出所述IGBT结温。
进一步的，所述IGBT结温获取单元包括MCU，所述IGBT漏电流随温度变化的曲线存储至所述MCU中。
进一步的，所述漏电流获取单元包括一并联在二极管两端的电阻以及连接在所述电阻两端的电压隔离采样电路，电压隔离采样电路测得流经电阻的电压并计算电阻电流以获取IGBT的漏电流。
本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：
本发明实施例提出的一种基于漏电流的IGBT结温监测电路以及监测方法，巧妙利用二极管的伏安特性与电阻的伏安特性，将其有机结合，在电流源型逆变电路中的IGBT上串联二极管，利用在大电流时电流主要流过二极管，小电流时主要流过电阻的特点，在二极管两端并联电阻进行取样，方便地将小电流信号转为化电压信号而且进行了一定的放大，解决了电力电子变流器大幅度电流PWM中测量关断泄露电流的难题，不仅对电路没有侵入性，而且可以实现结温的实时在线监测，采样频率高，成本低，对于IGBT的监测和电力电子变流器的可靠性评估具有重要意义。
附图说明
图1是电流源型逆变电路中IGBT结温监测主电路拓扑；
图2是电压隔离采样电路；
图3是IGBT芯片内部结构断面示意图；
图4是不同正向关断电压下，泄漏电流随温度的变化曲线；
图5是二极管并联电阻的电流分配；
图6是二极管并联电阻的电流分配局部放大；
图7是在电流双向流动的变流器中，二极管的反并联连接方式；
图8是本发明实施例电流源型逆变电路中的IGBT结温监测方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的第一方面提供了一种基于漏电流的IGBT结温监测电路，该电路的主电路拓扑结构如图1所示。该电流源逆变电路包括三相桥臂，每个桥臂分为上下两个半桥臂，每个半桥臂中由一个IGBT与一个二极管串联组成。在所述二极管两端并联一漏电流获取单元，以获取IGBT的漏电流；还包括一IGBT结温获取单元，用于根据所述漏电流获取IGBT结温。
该漏电流获取单元包括一并联在二极管上两端的电阻以及连接在电阻两端的电压隔离采样电路。在一具体实施例中，电阻的大小可选择为10欧姆。该电压隔离采样电路对电阻电压进行采样、信号调理，然后将信号送至MCU进行分析处理。
其中，电压隔离采样电路的电路图如图2所示。电压隔离采样电路主要由TI的AMC1200SDUB芯片及OPA2350UA运放组成。其中，AMC1200SDUB为差分隔离放大器，所述隔离放大器的两个输入端与所述电阻两端连接，两个输出端连接第一运算放大器的输入端，所述第一运算放大器的输出端连接第二运算放大器的正相输入端，所述第二运算放大器的输出端连接至MCU。该采样电路隔离电压高达1200V。其输出直接送到MCU，进而由MCU分析处理，求解出IGBT的结温。
以下对漏电流的监测原理进一步进行解释。
如图3所示为IGBT芯片内部结构断面示意图。当IGBT关断时，在p型半导体和轻掺杂的n-型半导体区域中形成了空间电荷区，其中空间电荷区主要在轻掺杂的n-型半导体区域中。此时在强电场的作用下，n-型区域中的少子空穴(带正电)和p型区域的少子电子(带负电)分别向空间电荷区中间移动，于是形成了漏电流。当IGBT正向关断时。集电极漏电流表示为：
上式(1)中，等号右边第1项是由PN结浓度差引起的扩散电流；第2项是由外加电场产生的电流；第3项为发射极界面漏电流(此项与IGBT结构和老化程度有关)。式中，A为芯片有效工作面积；q为电子电荷量常数；ni为本征载流子浓度；Dp为空穴扩散系数；NB为N-基区掺杂浓度；τp为基区少子空穴寿命；W为集射极电压Vce下空间电荷区的宽度；τSC为空间电荷区载流子的产生寿命，依赖于禁带中的复合能级位置。
其中本征载流子浓度表示为：
式中，Eg为禁带宽度，又叫带隙或者能量隙(单位eV)；Nc为导带态密度；Nv为价带态密度；k为玻尔兹曼常数(1.23×10-23J·k-1)；T为热力学温度。在室温下(300k)，硅的本征载流子浓度是1.4×1010cm-3，因此在硅中产生的漏电流不可忽略。而且从式2中可以看出，随着温度的增加，本征载流子浓度也逐渐增加，于是式1中第1项与第2项均增大。
其中，载流子的寿命可以表示为：
式中，L为双极扩散长度，kT为电子伏特常数；μ为载流子迁移率。由式3可以看出，当双极扩散长度和载流子迁移率保持不变时，随着温度增大，载流子寿命减小，漏电流表达式1中第2项逐渐增大。
另外集射极电压Vce下空间电荷区的宽度随着集射极电压增大而增大，从式1中第2项可以看出，集射极电压Vce越大，漏电流也越大。综上所述，漏电流与温度和集射极电压均存在正相关的关系。图4是不同正向关断电压下，泄露电流随温度的变化曲线。根据该曲线表示的数据关系，可以很好地通过监测IGBT的漏电流进行结温的估算。
图5是二极管并联电阻时的电流分配，在电流较大时电流几乎全部流过功率二极管；在电流较小时，电流几乎全部流过电阻。这个现象可以用基尔霍夫定律解释。因为IGBT的泄露电流为mA级别，一般低于20mA。将电流很小时的分配曲线绘制如图6。可以看到，在电流为30mA以下时，电流只流过电阻，二极管上几乎没有电流流过。这样保证了测量电压与泄露电流的高度线性关系，完全不受二极管的影响。
基于上述监测原理，将电力电子变流器中的IGBT的电流与温度相关曲线簇(如图4)测试完成并输入MCU中。利用母线电压确定漏电流与温度相关曲线，通过监测到的漏电流大小在曲线中求取对应的结温。其输出直接送到MCU，进而由MCU分析处理，求解出IGBT的结温。
另外相类似的，本发明实施例还提供一种应用于大电流PWM电气设备中的漏电流监测方法，该方法为两个反向并联的二极管与一个电阻并联，将其串联到功率支路可用于电压源型变流器IGBT漏电流监测以及电流双向流动的电气设备的漏电流监测，具体电路单元连接方式如图7所示。此方法也可应用至其它电气设备的漏电流监测中。比如漏电流可反应电机定转子的老化、变压器老化、电网传输线缆老化等，然而在线监测漏电流依然没有非常有效的方法，传统的漏电流检测采用大安全裕量高精度传感器进行漏电楼监测的方法，一方面增加了传感器的设计难度，另外一方面，也增加了成本。而离线进行电流测试则监测频率较低，无法快速监测电路状态。本电路可以实现漏电流的快速在线监测，对于电气设备的状态监测与健康管理具有重要意义。
本发明的另一方面提供了一种基于漏电流的IGBT结温监测方法，其应用于电流源型逆变电路中，在电流源型逆变电路的IGBT上串联二极管，在该二极管两端连接电压隔离采样电路，通过获取二极管两端的电压，从而获得IGBT的漏电流，然后，根据存储在MCU中的漏电流结温相关曲线，获得IGBT结温。具体的，包括如下步骤，如图8所示：
步骤S810，测得不同正向关断电压下，IGBT漏电流随温度变化的曲线。如图4所示，正向关断电压分别可取200V、400V、600V、800V和1000V等，IGBT漏电流为几十mA级别，分别对应有相应的IGBT结温。
步骤S820，将所述IGBT漏电流随温度变化的曲线存储至所述IGBT结温获取单元中。具体的，IGBT结温获取单元包括MCU，该IGBT漏电流随温度变化的曲线存储至所述MCU中。
步骤S830，所述漏电流获取单元获得所述IGBT的漏电流，并传送至所述结温获取单元。具体的，漏电流获取单元包括一并联在二极管两端的电阻以及连接在所述电阻两端的电压隔离采样电路，电压隔离采样电路测得电阻电压并计算出电阻电流以获取IGBT的漏电流。
步骤S840，所述IGBT结温获取单元根据获得的IGBT漏电流在所述曲线中查找对应的温度，以作为所述IGBT结温，并输出所述IGBT结温。由上述步骤S810-S840，可以得出电流源型逆变电路的IGBT结温。
综上所述，本发明提供了一种基于漏电流的IGBT结温监测电路及方法，通过在电流源型逆变电路中的IGBT上串联二极管，对二极管流过的电流进行监测，从而监测到IGBT的漏电流，根据二极管并联电阻时的电流分配，在电流较大时电流几乎全部流过功率二极管；在电流较小时，电流几乎全部流过电阻的现象。因为IGBT的泄露电流为mA级别，一般低于20mA，因此此时，二极管上丝毫没有电流流过。从而保证了测量电压与泄露电流的高度线性关系，完全不受二极管的影响。解决了电力电子变流器大幅度电流PWM中测量关断泄露电流的难题，不仅对电路没有侵入性，而且可以实现结温的实时在线监测，采样频率高，成本低，对于IGBT的监测和电力电子变流器的可靠性评估具有重要意义。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。
Claims (6)
1.一种基于漏电流的IGBT结温监测电路，包括：电流源型逆变电路，该电流源型逆变电路包括三相桥臂，每相桥臂包括上下两个半桥臂，其特征在于，每个半桥臂包括一个IGBT与一个二极管，所述IGBT与所述二极管串联连接；
在所述二极管两端并联一漏电流获取单元，所述漏电流获取单元包括一并联在二极管两端的电阻以及连接在所述电阻两端的电压隔离采样电路，该漏电流获取单元利用二极管并联电阻时的电流分配对IGBT的漏电流进行检测；
还包括一IGBT结温获取单元，用于根据所述漏电流获取IGBT结温，所述IGBT结温获取单元包括连接于所述电压隔离采样电路的MCU，所述MCU存储所述逆变电路中IGBT漏电流在不同正向关断电压下随温度变化的曲线，以根据所述漏电流获取单元获得的IGBT漏电流得到对应的温度，将其作为IGBT结温。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于，所述电阻的阻值为10欧姆。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于，所述电压隔离采样电路包括隔离放大器、第一和第二运算放大器，所述隔离放大器的两个输入端与所述电阻两端连接，两个输出端连接第一运算放大器的输入端，所述第一运算放大器的输出端连接第二运算放大器的正相输入端。
4.一种根据权利要求1-3中任一项所述的基于漏电流的IGBT结温监测电路的监测方法，其特征在于，所述方法包括：
测得不同正向关断电压下，IGBT漏电流随温度变化的曲线；
将所述IGBT漏电流随温度变化的曲线存储至所述IGBT结温获取单元中；
所述漏电流获取单元获得所述IGBT的漏电流，并传送至所述结温获取单元；
所述IGBT结温获取单元根据获得的IGBT漏电流在所述曲线中查找对应的温度，以作为所述IGBT结温，并输出所述IGBT结温。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述IGBT结温获取单元包括MCU，所述IGBT漏电流随温度变化的曲线存储至所述MCU中。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述漏电流获取单元包括一并联在二极管两端的电阻以及连接在所述电阻两端的电压隔离采样电路，电压隔离采样电路测得流经电阻的电压并计算电阻电流以获取IGBT的漏电流。
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