CN111208404A - 一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法及系统 - Google Patents

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胡梦阳
高勇
杨媛
张泽涛
李静宇
董志伟
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方正鹏
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Abstract

本发明公开一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，包括以下步骤：步骤1，采集NTC热敏电阻上电流为3mA～5mA时的电压信号；步骤2，将电压信号转换为频率信号；步骤3，将步骤2的频率信号转化为数字信号，即为SiC MOSFET模块的当前时刻温度Tj；步骤4，当前时刻温度Tj高于结温最高值Tmax时，进行过温保护；步骤5，记录SiC MOSFET模块工作时结温波动的次数；步骤6，结温波动的次数达到预设的结温波动次数最高值Nfmax时，即已达预期使用寿命。本发明还公开一种SiC MOSFET模块的寿命的预测系统，本发明解决了现有技术中存在的SiC MOSFET模块的寿命预测不准确的问题。

Description

一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法及系统
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，具体还涉及一种SiC MOSFET模块的寿命的预测系统。
背景技术
SiC MOSFET模块是由SiC MOSFET器件、续流二极管或者还有肖特基二极管通过特定的电路桥接封装而成的半导体模块，封装后的SiC MOSFET模块直接应用于电机驱动、逆变器、转换器等设备上；SiC MOSFET模块的运行温度是非常重要的参数，关乎设备的正常运行。SiC MOSFET模块通常由半桥连接的两个SiC MOSFET器件和一个NTC热敏电阻构成，通过NTC热敏电阻可实时监测SiC MOSFET模块的运行温度。目前市面上SiC MOSFET驱动板都没有设计过热保护和寿命预测功能，只是在靠近SiC MOSFET模块的散热器上安装一个温度传感器，把温度信号采集到处理器中，通过采样值算出散热器表面温度来估算SiC MOSFET内部的温度；用这种方法由于温度传感器在散热器上的安装位置、热阻等因素对采样值影响很大，导致所测温度准确度不高，无法对模块进行精确的过温保护以及寿命预测。
发明内容
本发明的目的是提供一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，解决了现有技术中存在的SiC MOSFET模块的寿命预测不准确的问题。
本发明所采用的技术方案是，
一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，待测的SiC MOSFET模块包括两个半桥连接的SiC MOSFET器件和一个NTC热敏电阻，将NTC热敏电阻与电压采集电路连接，驱动结构与SiC MOSFET模块连接，具体包括以下步骤：
步骤1，利用电压采集电路采集NTC热敏电阻上电流为3mA～5mA时热敏电阻的电压信号；
步骤2，将步骤1的电压信号转换为频率信号Fj；
步骤3，将步骤2的频率信号Fj转化为数字信号，数字信号即为SiC MOSFET模块的当前时刻温度Tj；
步骤4，将当前时刻温度Tj与设定的结温最高值Tmax进行比较，在温度Tj高于结温最高值Tmax时，对SiC MOSFET模块进行过温保护，Tmax为SiC MOSFET模块能正常工作的最高温度；
步骤5，根据Tj记录SiC MOSFET模块工作时的结温波动的次数，Tj完成一次从Tjmin至Tjmax的变化算作一次结温波动，其中Tjmax是SiC MOSFET模块一次工作时的最高温度，Tjmin是SiC MOSFET模块一次工作时的最低温度；
步骤6，记录SiC MOSFET模块结温波动ΔTj大于预设结温波动ΔT的总次数，待总次数达到预设的结温波动次数最高值Nfmax时，驱动结构提示SiC MOSFET模块已达预期使用寿命。
步骤1中采用电阻串联分压使SiC MOSFET模块中NTC热敏电阻上电流为3mA～5mA。
步骤2的具体方法包括：
步骤2.1，将电压信号通过V-F转换单元转化为频率信号Fj；
步骤2.2，将步骤2的频率信号Fj通过发送单元转换为光信号；
步骤2.3，将光信号通过接收单元还原为频率信号Fj；
步骤2中，V-F转换单元将电压信号按1V∶1KHz的比例转换为频率信号Fj。
步骤4的具体步骤为：接收单元将频率信号Fj传送至主控单元FPGA，主控单元FPGA将频率信号Fj转化为数字信号，数字信号即为SiC MOSFET模块的当前时刻温度Tj，其中j＝1，2，3，……，n表示不同时刻；
步骤4中，在温度Tj高于结温最高值Tmax时，主控单元FPGA通过驱动结构进行过温保护。
步骤6中，SiC MOSFET模块达预期使用寿命时，主控单元FPGA将信号传送至驱动结构，驱动结构发出警报，提醒使用者该SiC MOSFET模块达预期使用寿命。
结温波动次数最高值Nfmax通过SiC MOSFET模块老化试验获得。
本发明的另一目的是提供一种SiC MOSFET模块的寿命的预测系统。
一种SiC MOSFET模块的寿命预测系统，其特征在于，包括主控单元FPGA，主控单元FPGA依次信号连接有接收单元、发送单元、V-F转换单元、电压采集单元。
主控单元FPGA还连接有驱动结构。
本发明的有益效果是
一、通过电阻串联分压使通过NTC热敏电阻的电流3mA～5mA，使电压采集电路只需采集NTC热敏电阻上的电压信号，能够准确得到SiC MOSFET模块的运行温度；通过记录每次的温度波动ΔTj当波动次数大于等于预设的最高值Nfmax，从而驱动结构提示SiC MOSFET模块已到预期使用寿命，进行更换新的SiC MOSFET模块从而能够确保SiC MOSFET模块设备的正常运行。
二、克服了传统SiC MOSFET模块过温保护的缺陷，从而实现更准确的SiC MOSFET模块过温保护和SiC MOSFET模块寿命预测功能，确保带SiC MOSFET模块的设备能安全稳定运行。
附图说明
图1是本发明一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法及系统中系统的电路结构示意图；
图2是本发明一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法及系统中SiC MOSFET模块的半桥电路拓扑示意图。
图中，1.SiC MOSFET模块，2.电压采集电路，3.V-F转换单元，4.发送单元，5.接收单元，6.主控单元FPGA，7.驱动结构，8.SiC MOSFET器件，9.NTC热敏电阻。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供一种SiC MOSFET模块的寿命预测系统，如图1和图2，用于预测两个半桥连接的SiC MOSFET器件8和一个NTC热敏电阻9组成的SiC MOSFET模块；
一种SiC MOSFET模块的寿命预测系统，包括主控单元FPGA6，主控单元FPGA6依次信号连接有接收单元5、发送单元4、V-F转换单元3、电压采集单元2，主控单元FPGA6还连接有驱动结构7。
本发明还提供一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，其特征在于，将上述NTC热敏电阻9与电压采集电路2连接，驱动结构7与SiC MOSFET模块1连接，具体包括以下步骤：
步骤1，利用电压采集电路2采集NTC热敏电阻9上电流为3mA～5mA时热敏电阻9的电压信号；
步骤2，将步骤1的电压信号转换为频率信号Fj；
步骤3，将步骤2的频率信号Fj转化为数字信号，数字信号即为SiC MOSFET模块1的当前时刻温度Tj；
步骤4，将当前时刻温度Tj与设定的结温最高值Tmax进行比较，在温度Tj高于结温最高值Tmax时，对SiC MOSFET模块1进行过温保护，Tmax为SiC MOSFET模块1能正常工作的最高温度；
步骤5，根据Tj记录SiC MOSFET模块1工作时的结温波动的次数，Tj完成一次从Tjmin至Tjmax的变化算作一次结温波动，其中Tjmax是SiC MOSFET模块1一次工作时的最高温度，Tjmin是SiC MOSFET模块1一次工作时的最低温度；
步骤6，记录SiC MOSFET模块1结温波动ΔTj大于预设结温波动ΔT的总次数，待总次数达到预设的结温波动次数最高值Nfmax时，驱动结构7提示SiC MOSFET模块1已达预期使用寿命。
步骤1中采用电阻串联分压使SiC MOSFET模块1中NTC热敏电阻上电流为3mA～5mA。
步骤2的具体方法包括：
步骤2.1，将电压信号通过V-F转换单元3转化为频率信号Fj；
步骤2.2，将步骤2的频率信号Fj通过发送单元4转换为光信号；
步骤2.3，将光信号通过接收单元5还原为频率信号Fj；
步骤2中，V-F转换单元3将电压信号按1V∶1KHz的比例转换为频率信号Fj。
步骤4的具体步骤为：接收单元5将频率信号Fj传送至主控单元FPGA6，主控单元FPGA6将频率信号Fj转化为数字信号，数字信号即为SiC MOSFET模块1的当前时刻温度Tj，其中j＝1，2，3，……，n表示不同时刻；
步骤4中，在温度Tj高于结温最高值Tmax时，主控单元FPGA6通过驱动结构7进行过温保护。
步骤6中，SiC MOSFET模块1达预期使用寿命时，主控单元FPGA6将信号传送至驱动结构7，驱动结构7发出警报，提醒使用者该SiC MOSFET模块1达预期使用寿命。
结温波动次数最高值Nfmax通过SiC MOSFET模块老化试验获得。
在工作时，通过电阻串联分压使通过NTC热敏电阻的电流3mA～5mA，使电压采集电路只需采集NTC热敏电阻9上的电压信号，能够准确得到SiC MOSFET模块1的运行温度，而且克服了传统SiC MOSFET模块1过温保护的缺陷，从而实现更准确的SiC MOSFET模块过温保护和SiC MOSFET模块寿命预测功能，确保带SiC MOSFET模块的设备能安全稳定运行；而寿命预测功能是通过驱动结构上的片外存储器记录每次的温度波动ΔTj，当SiC MOSFET模块的工作温度波动次数等于预设的最高值Nfmax，驱动结构7提示SiC MOSFET模块已到预期使用寿命，进行更换新的SiC MOSFET模块从而能够确保SiC MOSFET模块1的正常运行。

Claims (10)

1.一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，其特征在于，所述待测的SiC MOSFET模块(1)包括两个半桥连接的SiC MOSFET器件(8)和一个NTC热敏电阻(9)，将NTC热敏电阻(9)与电压采集电路(2)连接，驱动结构(7)与SiC MOSFET模块(1)连接，具体包括以下步骤：
步骤1，利用电压采集电路(2)采集NTC热敏电阻(9)上电流为3mA～5mA时热敏电阻(9)的电压信号；
步骤2，将所述步骤1的电压信号转换为频率信号Fj；
步骤3，将所述步骤2的频率信号Fj转化为数字信号，数字信号即为SiC MOSFET模块(1)的当前时刻温度Tj；
步骤4，将当前时刻温度Tj与设定的结温最高值Tmax进行比较，在温度Tj高于结温最高值Tmax时，对SiC MOSFET模块(1)进行过温保护，Tmax为SiC MOSFET模块(1)能正常工作的最高温度；
步骤5，根据所述Tj记录SiC MOSFET模块(1)工作时的结温波动的次数，Tj完成一次从Tjmin至Tjmax的变化算作一次结温波动，其中Tjmax是SiC MOSFET模块(1)一次工作时的最高温度，Tjmin是SiC MOSFET模块(1)一次工作时的最低温度；
步骤6，记录SiC MOSFET模块(1)结温波动ΔTj大于预设结温波动ΔT的总次数，待所述总次数达到预设的结温波动次数最高值Nfmax时，驱动结构(7)提示SiC MOSFET模块(1)已达预期使用寿命。
2.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，其特征在于，所述步骤1中采用电阻串联分压使SiC MOSFET模块(1)中NTC热敏电阻(9)上电流为3mA～5mA。
3.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2的具体方法包括：
步骤2.1，将所述电压信号通过V-F转换单元(3)转化为频率信号Fj；
步骤2.2，将所述步骤2的频率信号Fj通过发送单元(4)转换为光信号；
步骤2.3，将所述光信号通过接收单元(5)还原为频率信号Fj。
4.根据权利要求3所述的一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，其特征在于，所述步骤2中，所述V-F转换单元(3)将电压信号按1V∶1KHz的比例转换为频率信号Fj。
5.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤为：接收单元(5)将频率信号Fj传送至主控单元FPGA(6)，主控单元FPGA(6)将频率信号Fj转化为数字信号，数字信号即为SiC MOSFET模块(1)的当前时刻温度Tj，其中j＝1，2，3，……，n表示不同时刻。
6.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，其特征在于，所述结温波动次数最高值Nfmax通过SiC MOSFET模块老化试验获得。
7.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，其特征在于，所述步骤4中，在温度Tj高于结温最高值Tmax时，主控单元FPGA(6)通过驱动结构(7)进行过温保护。
8.根据权利要求1所述的一种SiC MOSFET模块的寿命预测方法，其特征在于，所述步骤6中，所述SiC MOSFET模块(1)达预期使用寿命时，主控单元FPGA(6)将信号传送至驱动结构(7)，所述驱动结构(7)发出警报，提醒使用者该SiC MOSFET模块(1)达预期使用寿命。
9.一种SiC MOSFET模块的寿命预测系统，其特征在于，包括主控单元FPGA(6)，所述主控单元FPGA(6)依次信号连接有接收单元(5)、发送单元(4)、V-F转换单元(3)、电压采集单元(2)。
10.如权利要求7所述的一种SiC MOSFET模块的寿命预测系统，所述主控单元FPGA(6)还连接有驱动结构(7)。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105335602A (zh) * 2014-08-12 2016-02-17 河北工业大学 一种功率igbt模块的寿命预测方法
CN109946576A (zh) * 2019-01-17 2019-06-28 西安工程大学 一种驱动器用igbt模块的寿命预警方法

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