CN111220891A

CN111220891A - 一种igbt结温测量方法和测量装置

Info

Publication number: CN111220891A
Application number: CN202010144180.6A
Authority: CN
Inventors: 邬亮; 童乔凌; 江佳; 闵闰; 陈晓飞; 张烨; 其他发明人请求不公开姓名
Original assignee: Chutian Dragon Co ltd
Current assignee: Chutian Dragon Co ltd
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2020-03-04
Publication date: 2020-06-02
Anticipated expiration: 2040-03-04
Also published as: CN111220891B

Abstract

一种IGBT结温测量方法，包括：建立电阻‑结温对应模型，所述电阻‑结温对应模型将栅极内部等效电阻与IGBT结温建立对应关系；获取栅极外部驱动电阻R_Gext、栅极关断电压V_Gneg、栅极外部驱动电阻两端的峰值电压降V_{RGext_peak}、以及栅极导通电压V_Gpos；基于所述栅极外部驱动电阻R_Gext、栅极导通电压V_Gpos、栅极关断电压V_Gneg和栅极外部驱动电阻两端的峰值电压降V_{RGext_peak}，计算得到栅极内部等效电阻R_Gint，结合所述电阻‑结温对应模型获得IGBT结温。本申请公开的方法能够解决现有技术采用的温敏电参数法测量IGBT结温时，需要精确获取负载电流值或者是会影响IGBT器件正常运行的问题。本申请还对应公开了一种IGBT结温测量装置。

Description

一种IGBT结温测量方法和测量装置

技术领域

本申请一般涉及电力电子器件检测技术领域，具体涉及一种IGBT结温测量方法和测量装置。

背景技术

IGBT功率器件的结温是影响功率变流装置性能和可靠性关键参数之一，在功率系统运行过程中了解功率器件结温信息，实时监控功率器件工作状态，对提高功率模块使用寿命和确保功率系统安全可靠运行具有重大意义。

常规的IGBT功率器件的结温检测方法可分为三类：物理接触法、光学法以及温敏电参数法。物理接触法一般采用温度传感器直接与管芯表面直接接触获取温度信息，该方法需要修改功率模块封装以在管芯安装温度传感器；光学法一般利用红外测温仪测量IGBT模块结温的分布情况，该方法也需要修改功率模块封装以避免绝缘的封装材料对实际温度测量结果的影响；温敏电参数法利用功率器件内部电气参数与温度的关系来间接获取结温，不需要对功率模块封装进行任何修改。

温敏电参数法中，基于小电流注入下的饱和压降的结温测量方法，通常需要在功率器件运行期间向集电极注入一个恒流小电流，这样不仅会增加测量电路的复杂性，还会影响功率模块的正常工作；基于关断延时时间、阈值电压、关断过程最大集电极变化率这些温敏参数的方法获取功率器件的结温必须要准确获取负载电流，对测量设备精度要求很高，校准过程难度大，数据处理复杂。所以需要一种更为简便的IGBT结温实时测量方法及测量装置。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种IGBT结温测量方法及测量装置，能够解决现有技术中采用传统温敏电参数法测量IGBT结温时，需要精确获取负载电流值导致对测量设备精度要求高和会影响IGBT器件正常运行的问题。

第一方面，本申请提供了一种IGBT结温测量方法，包括以下步骤：

建立电阻-结温对应模型，所述电阻-结温对应模型将栅极内部等效电阻与IGBT结温建立对应关系；

获取栅极外部驱动电阻R_Gext、栅极关断电压V_Gneg、栅极外部驱动电阻两端的峰值电压降V_{RGext_peak}、以及栅极导通电压V_Gpos；和

基于所述栅极外部驱动电阻R_Gext、栅极导通电压V_Gpos、栅极关断电压V_Gneg和栅极外部驱动电阻两端的峰值电压降V_{RGext_peak}，计算得到栅极内部等效电阻R_Gint，结合所述电阻-结温对应模型获得IGBT结温。

第二方面，本申请还提供了一种IGBT结温测量装置，包括：

差分放大器，用于对栅极外部驱动电阻的电压进行放大输出；

峰值检测器，用于对所述差分放大器的输出进行峰值检测得到栅极外部驱动电阻的峰值电压；

核心控制器，用于接收并基于所述栅极外部驱动电阻的峰值电压计算得到结温，并为所述峰值检测器提供周期性刷新指令，其中，所述核心控制器中预置电阻-结温查找表；所述电阻-结温查找表将栅极内部等效电阻与IGBT结温建立对应关系。

本申请提供的一种IGBT结温测量方法，通过测量IGBT的栅极外部驱动电阻两端的峰值电压值，从而间接测量IGBT的结温，不会干扰IGBT器件的正常运行，同时也不需要精确获取负载电流值，测量结果更为精确解决了现有技术中采用传统的温敏电参数法造成的影响IGBT器件正常运行和对测量设备精度要求高的问题。

附图说明

图1为本申请的实施例中一种IGBT结温测量装置的结构示意图；

图2为本申请的实施例中IGBT的等效模型示意图；

图3为本申请的实施例中IGBT开通过程中电压和电流随时间变化的简化波形；

图4为本申请的实施例中IGBT开通延时阶段的栅极驱动回路的等效电路图；

图5为本申请的实施例中IGBT结温测量装置中的峰值检测器的电路图；

图6为本申请的实施例中一种IGBT结温测量方法的流程图；

图7为本申请的实施例中双脉冲测试电路的电路图；

图8为本申请的实施例中双脉冲测试过程的简化波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1为本申请的实施例中一种IGBT结温测量装置的结构示意图。如图1所示，一种IGBT结温测量装置100包括但不限于差分放大器101、峰值检测器102、和核心控制器103。

差分放大器101用于为高低压电路提供可靠隔离以及对栅极外部驱动电阻的峰值电压进行放大，差分放大器101包括但不限于差分运算放大器1011和光耦隔离器1012，光耦隔离器1012的正负输入接在栅极外部驱动电阻R_Gext的两端，正负输出端接在差分运算放大器1011的输入端，差分运算放大器1011的输出端接在峰值检测器102的输入端。

峰值检测器102用于对栅极外部电阻的峰值电压实现重复检测，其输入端与差分运算放大器1011的输出端相连接，其输出端与核心控制器103的输入端相连接相连接，其控制端与核心控制器103的输出端相连接，其控制端用于接收核心控制器103传输的周期性指令实现对当前周期峰值电压的保存，以方便后续电压采集电路采样以及在下一周期伊始释放存储电荷以便重新测量。

核心控制器103包括ADC采样单元1031和处理器1032，ADC采样单元1031用于将峰值电压进行模数转换，处理器1032基于模数转换后的峰值电压值计算得到结温，此外核心控制器103还可用于为存储缓冲器103提供周期性刷新指令。

IGBT结温测量装置100是通过测量栅极外部驱动电阻R_Gext两端的峰值电压，进而间接计算得到IGBT的结温。测量原理如下：如图2所示的IGBT的等效模型中，栅极内部等效电阻R_Gint是包括栅射电容、栅集电容和等效串联电阻在内的集总电阻，由于载流子迁移率、本征载流子浓度、扩散系数及禁带宽度等半导体器件参数均随温度变化，因此栅极内部等效电阻R_Gint是一个温度敏感电气参数，即R_Gint＝f(T_j)，其值可表征温度的大小，R_Gint＝f(T_j)是以温度T_j为自变量，R_Gint(栅极内部等效电阻)为因变量，可以通过实验数据校准拟合得到的参考函数表。

图3是IGBT开通过程中电压、电流随时间变化的简化波形，T₀-T₁定义为开通延时阶段，在这一阶段中，栅极驱动回路可等效为RLC电路，如图4所示，一般而言栅极寄生电感L_G很小，可忽略不计，电路可简化成一阶RC电路。正如图4所示，栅极驱动在开通瞬间可等效为阶跃电压源，此时栅极充电电流可由式

计算。栅极充电电流在开通初始时刻出现峰值，即

式中V是驱动电压源的幅度，R是栅极内部等效电阻和栅极外部驱动电阻的总和，即R＝R_Gint+R_Gext。栅极外部驱动电阻R_Gext一般选用高精度电阻，温度系数较低，所以在开通延时阶段，只有与温度相关的栅极内部电流才会在峰值栅电流中产生波动。栅极外部驱动电阻R_Gext的峰值电压和峰值栅电流成正比，即

因此通过测量栅极外部驱动电阻R_Gext两端电压的峰值，进行计算从而得到栅极内部等效电阻R_Gint的值。

在开通延时阶段的初始瞬间，通过采样栅极外部驱动电阻上R_Gext的峰值电压降V_{RGext_peak}可获取R_Gint的值，从而计算得到实时结温，如式(1)、(2)、(3)描述：

T_j＝f^-1(R_Gint) (3)

栅极外部驱动电阻R_Gext通常选用温度系数较小的高精度电阻，从而认为温度变化只导致栅极内部等效电阻R_Gint变化。栅极驱动器通常具有较快的输出电压上升速度(小于10ns)以及具有较高的峰值电流输出能力(大于10A)，其输出电压电平通常受周围环境和应用条件影响，为了补偿这个影响，在器件导通前后，分别采样驱动高电平V_Gpos(即栅极导通电压)和低电平V_Gneg(即栅极导通电压)，从而式(2)可用式(4)代替：

由此，获取栅极导通电压V_Gpos、栅极导通电压V_Gneg、栅极外部驱动电阻R_Gext、以及栅极外部驱动电阻R_Gext两端的峰值电压降V_{RGext_peak}，就可依据式(4)得出栅极内部等效电阻R_Gint的值，再依据R_Gint＝f(T_j)，栅极内部等效电阻R_Gint的每一个值都与一个IGBT的结温相对应。综上，只需测量栅极外部驱动电阻R_Gext两端的峰值电压，进而可以间接计算得到IGBT的结温。

图5为本申请的实施例中一种IGBT结温测量装置100中的峰值检测器102的电路图。如图5所示，峰值检测器102包括两个运算放大器(U0、U1)、4个电阻(R0、R1、R2、R3)、1个电容(C0)、1个二极管(D0)，1个NPN型三极管(Q0)，U0的1脚通过R0与差分放大电路输出端相连，2脚通过R1与U1的3脚相连，2脚通过D0和3脚相连，U0的3脚和Q0的基极B相连，Q0的集电极C连在5V电源，发射极E通过电阻R2与U1的1脚相连，同时通过R3连在电容C0的一端，电容C0的另一端接地，U1的2脚直接和3脚相连。其中，差分放大器101的输出端接在运放U0的同相输入端，反相输入端反馈的是上一时刻的最大值，如果当前时刻的输入电压大于上一时刻的最大值电压，二极管D0关断，运放U0的3脚始终输出高电平，三极管Q0导通，对电容C0充电，U1作为电压缓冲器输出电容C0两端的电压，直到U0的反相输入端电平刚好等于同相输入端电平，二极管D0导通，此时U0也相当于一个缓冲器，3脚输出等于同相输入端电压，此时三极管b极电位等于e极电位，Q0关断，不再对电容C0进行充电，电容C0上保存此时刻的最大电压值，通过缓冲器U1之后输出到核心控制器103中的ADC采样单元1031中进行采样。其中的复位电路接收来自核心控制器103输出的周期性刷新控制信号，用来放掉上一周期电容C0上储存的电荷，以便能够循环检测峰值，实现周期性测量。

图6是本申请实施例提供的一种IGBT结温测量方法600的流程图。一种IGBT结温测量方法600包括如下步骤：

S601、建立电阻-结温对应模型。在本申请实施例中，可以通过在恒温箱、介电浴或温控散热器中通过搭建双脉冲测试电路建立电阻-结温查找表。S601具体地可以包括如下步骤，如图7所示，是一种双脉冲测试电路：

S6011、将IGBT预热以达到设定温度T_j，其中j＝0，T_j＝20℃，预热时间可以是半小时；

S6012、将第一个脉冲施加到Aux IGBT(即辅助IGBT)一段时间，以确保达到目标负载水平，如图8所示；

S6013、在去除第一个脉冲之后且DUT IGBT(即待测IGBT)导通之前，对栅极关断电压V_Gneg进行采样，如图8所示；

S6014、在第二个脉冲到来之后，DUT IGBT导通之前，对栅极外部驱动电阻R_Gext两端的峰值电压V_{RGext_peak}进行采样；

S6015、当DUT IGBT完全导通时，对栅极导通电压V_Gpos进行采样，如图8所示；

S6016、根据式

计算温度T_j下的R_Gint值，然后重复执行步骤S6012到步骤S6015，对栅极导通电压V_Gpos、栅极关断电压V_Gneg和栅极外部驱动电阻R_Gext两端的峰值电压降V_{RGext_peak}进行采样以计算R_Gint值，步骤S6012到步骤S6015的重复执行次数至少是2次，以尽量减小测量误差，最后对R_Gint值取平均值；

S6017、改变预设温度T_j为T_j+1，T_j+1＝T_j+k，k为温度变化步长，可设置为5℃，也可设置为其他值，例如2℃、3℃等其他合适值，重复步骤S6012到S6016，得到温度T_j+1下的R_Gint值，当预设温度值超过125℃时，停止循环计算；

S6018、将获得的全部R_Gint值以及对应的温度值T_j，进行数据拟合，获取R_Gint和T_j之间的电阻-温度对应模型。例如，可以进行数据线性拟合，电阻-温度对应模型是两者间的近似函数，即R_Gint＝f(T_j)，还可以将R_Gint＝f(T_j)离散化为电阻-结温查找表。

S602、获取栅极外部驱动电阻R_Gext、栅极关断电压V_Gneg、栅极外部驱动电阻两端的峰值电压降V_RGext-peak、以及栅极导通电压V_Gpos。在本申请实施例中，栅极外部驱动电阻两端的峰值电压降V_RGext-peak可以通过如图1所示的一种IGBT结温测量装置100中的差分放大器101和峰值检测器102获取。

S603、基于栅极外部驱动电阻R_Gext、栅极导通电压V_Gpos、栅极关断电压V_Gneg和栅极外部驱动电阻两端的峰值电压降V_{RGext_peak}，计算得到栅极内部等效电阻R_Gint，结合电阻-结温对应模型获得IGBT结温。在本申请的实施例中，步骤S603可以由如图1所示的一种IGBT结温测量装置100中的核心控制器103执行，电阻-温度对应模型可以已经离散化为查找表，该查找表可以预置在处理器1032中以节约计算时间，从而快速计算得到IGBT实时结温。

以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims

1.一种IGBT结温测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，所述建立电阻-结温对应模型时采用双脉冲测试电路，包括以下步骤：

a、将IGBT预热以达到设定温度T_j，其中j＝0，T_j＝20℃；

b、将第一个脉冲施加到Aux IGBT一段时间，以确保达到目标负载水平；

c、在去除第一个脉冲之后且DUT IGBT导通之前，对栅极关断电压V_Gneg进行采样；

d、在第二个脉冲到来之后且DUT IGBT导通之前，对栅极外部驱动电阻R_Gext两端的峰值电压V_{RGext_peak}进行采样；

e、当DUT IGBT完全导通时，对栅极导通电压V_Gpos进行采样；

f、根据式

g、改变预设温度T_j为T_j+1，T_j+1＝T_j+k，k为温度变化步长，重复执行步骤b到步骤f，得到温度T_j+1下的R_Gint值，当预设温度值超过125℃时，停止循环计算；

h、将获得的全部R_Gint值以及对应的温度值T_j，进行数据拟合，获取R_Gint和T_j之间的电阻-结温对应模型。

3.根据权利要求1所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，所述电阻-结温对应模型是离散化的电阻-结温查找表，被预置在处理器中，所述处理器用于基于所述栅极外部驱动电阻R_Gext、栅极导通电压V_Gpos、栅极关断电压V_Gneg和栅极外部驱动电阻两端的峰值电压降V_{RGext_peak}，计算得到栅极内部等效电阻R_Gint，和结合所述电阻-结温查找表获得IGBT结温。

4.根据权利要求1所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，所述栅极外部驱动电阻R_Gext两端的峰值电压降V_{RGext_peak}是通过差分放大器和峰值检测器获得的。

5.根据权利要求1所述的IGBT结温测量方法，其特征在于，所述IGBT结温测量方法的执行不干扰IGBT器件的正常运行。

6.一种IGBT结温测量装置，其特征在于，包括：

7.根据权利要求6所述的IGBT结温测量装置，其特征在于，所述基于所述栅极外部驱动电阻的峰值电压计算得到结温，具体包括以下步骤：

根据

基于栅极外部驱动电阻两端的峰值电压V_{RGext_peak}计算栅极内部等效电阻R_Gint，其中，栅极外部驱动电阻R_Gext、栅极导通电压V_Gpos、栅极关断电压V_Gneg是预置参数，基于栅极外部驱动电阻两端的峰值电压V_{RGext_peak}；和

通过所述电阻-结温查找表，获取与所述栅极内部等效电阻R_Gint对应的IGBT结温。

8.根据权利要求6所述的IGBT结温测量装置，其特征在于，所述电阻-结温查找表是采用双脉冲测试电路获得的，具体包括以下步骤：

a、将IGBT预热以达到设定温度T_j，其中j＝0，T_j＝20℃；

d、在第二个脉冲到来之后且DUT IGBT导通之前，对栅极外部驱动电阻R_Gext两端的峰值电压降V_{RGext_peak}进行采样；

e、当DUT IGBT完全导通时，对栅极导通电压V_Gpos进行采样；

f、根据式

g、改变预设温度T_j为T_j+1，T_j+1＝T_j+k，k为变化步长，重复执行步骤b到步骤f，得到温度T_j+1下的R_Gint值，当预设温度值超过125℃时，停止循环计算；

h、将获得的全部R_Gint值以及对应的温度值T_j进行数据拟合，获取R_Gint和T_j之间的近似函数，离散化为所述电阻-结温查找表。

9.根据权利要求6所述的IGBT结温测量装置，其特征在于，所述IGBT结温测量装置的运行不干扰IGBT器件的正常运行。