CN111025116A - 绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统及方法 - Google Patents

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陈勇
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Abstract

本发明公开了一种绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统及方法，系统包括微分器、比较器、数字隔离器、驱动模块和电压采样电路；微分器的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；微分器的输出端与比较器的一个输入端相连接，比较器的另一个输入端接收阈值参考电压；比较器的输出端与数字隔离器相连接；数字隔离器的输出端连接驱动模块；驱动模块连接电压采样电路；电压采样电路的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接。本发明可以方便的集成在绝缘栅功率器件的栅极驱动电路中，不影响电力电子系统的正常运行，实现VGP实时不停机监测，为VGP在绝缘栅功率器件的健康管理中的应用奠定了基础。

Description

绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统及方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统及方法。
背景技术
电力电子器件作为电力电子系统的核心常常是电力电子变化装置失效的主因。据调查，超过1/3的电力电子系统故障是由于电力电子器件的芯片或焊接失效造成的。故研究电力电子器件的健康状态，完善器件可靠性技术，对提高电力电子系统的整体可靠性具有重要的意义。目前对电力电子器件健康状况的评估通常借助于老化特征参数，即通过计算这些参数在器件生命周期中偏离初始值的程度来确定器件老化状况。在这些老化特征数据中，绝缘栅器件的导通电压是目前最常用的参数之一。但是，导通电压在器件的整个生命周期中变化规律并不一致，特别在高热应力情况下，其出现先下降后上升的变化趋势，严重制约了其在健康管理中的应用，因此找到一种可替代的老化特征参数迫在眉睫。栅极电压由于具有随器件老化良好的单调性受到了越来越多的关注，特别是当器件开启时的栅极米勒平台电压因开启过程中基本保持不变并能够不停机检测成为了研究热点。与之对应的米勒平台电压在线(不停机)测试电路是其应用于健康管理系统的必要先决条件。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统及方法可以不停机检测绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统，其包括微分器、比较器、数字隔离器、驱动模块和电压采样电路；微分器的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；微分器的输出端与比较器的一个输入端相连接，比较器的另一个输入端接收阈值参考电压；比较器的输出端与数字隔离器相连接；数字隔离器的输出端连接驱动模块；驱动模块连接电压采样电路；电压采样电路的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；
微分器，用于响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；
比较器，用于将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；
数字隔离器，用于隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准；
驱动模块，用于驱动电压采样电路；
电压采样电路，用于获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压。
进一步地，驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片，型号为1ED020I12FA2的驱动芯片的OUT引脚为驱动信号输出引脚，IN+引脚为控制信号输入引脚。
进一步地，驱动信号输出引脚与电压采样电路之间还设置有电桥推挽电路。
提供一种绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量方法，其包括以下步骤：
S1、通过微分器响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；
S2、通过比较器将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；
S3、通过数字隔离器隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准，并将隔离后的信号发送至驱动模块；
S4、通过驱动模块根据隔离后的信号驱动电压采样电路；
S5、通过电压采样电路根据驱动模块的驱动获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压。
本发明的有益效果为：本发明可以方便的集成在绝缘栅功率器件的栅极驱动电路中，不影响电力电子系统的正常运行，实现VGP实时不停机监测，为VGP在绝缘栅功率器件的健康管理中的应用奠定了基础。
附图说明
图1为本系统的结构框图；
图2为微分器、比较器和数字隔离器的电路示意图；
图3为驱动模块的电路示意图；
图4为电压采样电路的示意图；
图5为绝缘栅功率器件开启时栅极电压的波形示意图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1、图2、图3和图4所示，该绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统包括微分器、比较器、数字隔离器、驱动模块和电压采样电路；微分器的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；微分器的输出端与比较器的一个输入端相连接，比较器的另一个输入端接收阈值参考电压；比较器的输出端与数字隔离器相连接；数字隔离器的输出端连接驱动模块；驱动模块连接电压采样电路；电压采样电路的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；
微分器，用于响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；
比较器，用于将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；
数字隔离器，用于隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准；
驱动模块，用于驱动电压采样电路；
电压采样电路，用于获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压。
驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片，型号为1ED020I12FA2的驱动芯片的OUT引脚为驱动信号输出引脚，IN+引脚为控制信号输入引脚。驱动信号输出引脚与电压采样电路之间还设置有电桥推挽电路。
该绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量方法包括以下步骤：
S1、通过微分器响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；
S2、通过比较器将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；
S3、通过数字隔离器隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准，并将隔离后的信号发送至驱动模块；
S4、通过驱动模块根据隔离后的信号驱动电压采样电路；
S5、通过电压采样电路根据驱动模块的驱动获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压。
在本发明的一个实施例中，以N沟道IGBT为例，图5是IGBT器件开启时栅极电压波形，可以看到0到t2时刻和t3到t4时刻栅极电压有两个上升沿，而在t2到t3阶段，栅极电压保持不变，对应的电压值称为米勒平台电压VGP。当采用本系统或本方法测量IGBT的栅极米勒平台电压时，其栅极电压信号首先通过微分器，因为微分器只对信号跳变部分响应，微分器的输出是分别对应栅极电压两个上升沿的两个电压尖峰。随后微分器的输出作为比较器输入与阈值参考电压比较，比较器输出两个矩形脉冲电压，将微分器输出的模拟信号转换成数字信号。比较器的输出最终进入数字隔离器，使比较器输出符合下级驱动电路数字控制信号标准，同时也将模拟模拟电路和数字电路隔离。在具体实施过程中，图2中的电容Cf1需远小于被测器件输入电容以保证不影响器件开关特性，图2中电阻Rf1与电容Cf1的乘积需小于米勒平台电压宽度的1/10，以保证微分波形变换的有效性。
由于数字隔离器输出的电压信号无法驱动MOS器件，因此本系统或本方法先将数字隔离器的输出输入到驱动芯片U1，U1的输出控制由T1到T4组成的电压桥将电源QA1输出到下级器件栅极，使驱动信号达到驱动功率，保证对电压采样电路的驱动效果。
电压采样电路可以由一个高电压关断的耗尽型MOS器件M1控制，当栅极电压在第一个上升沿时，驱动模块控制端信号为高电平，此时电压采样电路进入保持阶段不采样；当栅极电压到达米勒平台时，驱动模块控制端信号为低电平，此时采样电路对VGP(绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压)进行采样，其输出即为VGP。而当栅极电压在第二个上升沿时，驱动模块控制端信号再次为高电平，此时采样电路再次进入电压保持阶段，VGP采样结束。
综上所述，本发明可以方便的集成在绝缘栅功率器件的栅极驱动电路中，不影响电力电子系统的正常运行，实现VGP实时不停机监测，为VGP在绝缘栅功率器件的健康管理中的应用奠定了基础。

Claims (4)

1.一种绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统，其特征在于，包括微分器、比较器、数字隔离器、驱动模块和电压采样电路；所述微分器的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；所述微分器的输出端与比较器的一个输入端相连接，所述比较器的另一个输入端接收阈值参考电压；所述比较器的输出端与数字隔离器相连接；所述数字隔离器的输出端连接驱动模块；所述驱动模块连接电压采样电路；所述电压采样电路的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；
所述微分器，用于响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；
所述比较器，用于将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；
所述数字隔离器，用于隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准；
所述驱动模块，用于驱动电压采样电路；
所述电压采样电路，用于获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压。
2.根据权利要求1所述的绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统，其特征在于，所述驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片，所述型号为1ED020I12FA2的驱动芯片的OUT引脚为驱动信号输出引脚，IN+引脚为控制信号输入引脚。
3.根据权利要求2所述的绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量系统，其特征在于，所述驱动信号输出引脚与电压采样电路之间还设置有电桥推挽电路。
4.一种绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压不停机测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、通过微分器响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；
S2、通过比较器将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；
S3、通过数字隔离器隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准，并将隔离后的信号发送至驱动模块；
S4、通过驱动模块根据隔离后的信号驱动电压采样电路；
S5、通过电压采样电路根据驱动模块的驱动获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压。
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