CN111830389A - 一种基于发射极功率端子温度的igbt结温估算系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法，该系统包括测温元件、温度采集电路、IGBT门极驱动器及主控制器，其中，测温元件用于测量IGBT功率发射极端子上的温度；IGBT门极驱动器包含门极驱动及保护电路和温度采集电路;门极驱动及保护电路主要用于功率器件IGBT的开关控制和短路保护；温度采集电路用于采集测温元件输出的IGBT功率发射极端子上的温度信号;主控制器用于向IGBT门极驱动器发送门极触发信号，同时接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，并根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温。该发明实现了IGBT的过温保护，在控制器侧实现了IGBT温度估算。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法。
背景技术
随着电力电子技术产业的发展，绝缘栅双极性晶体管IGBT作为能源变换和传输的核心半导体器件，其应用范围越来越广泛。功率变换器系统运行时，由于IGBT的开关损耗和导通损耗会使其芯片的温度升高，使得IGBT内部材料承受热应力，加速了器件老化程度以及失效率，导致变换器发生故障。因此IGBT的结温估算对其可靠性，健康状态以及使用寿命评估具有重要意义。
现有的IGBT模块内部芯片的结温检测技术可大致分为四种方法：物理接触式测试法，光学非接触测试法，热阻模型预测法与热敏感电参数法。常见的物理接触测量法主要通过测量器件的基板或散热器温度，进行结温估算。目前，只有部分低压小功率IGBT内部集成了热敏元件，通过该热敏元件可以实现IGBT基板温度的测量。由于封装类型和应用场合不同，大部分商用IGBT模块内部仍没有安置测温元件。针对没有内置测温元件的IGBT，可通过监视散热器温度进行IGBT温度监视，但需要额外的测量电路或测量系统，增加了系统的复杂性。光学非接触测试法一般采用热成像仪进行温度测量。该方法需先将待测IGBT模块封装打开，除去芯片表面透明硅脂，然后将待测芯片表面涂黑，从而增加被测芯片的福射系数用以提高温度测量的准确度。光学非接触测试法一般在产品的开发过程中使用，并不适合IGBT温度的实时在线监控。热阻抗模型预测法结合了器件、电路和散热系统等综合因素，在精准确定IGBT模块的实时损耗模型和瞬态热阻抗网络模型的前提下，通过仿真或者离线查表等方式获得内部芯片结温及其变化趋势。热阻抗模型预测法需要同时获取IGBT实时损耗及热阻网络才可对IGBT的结温进行实时预测。在变流器长期的运行过程中，衬底板下面的焊料层与导热珪脂均会出现不同程度的老化现象。经过测量的热阻网络由于老化原因将会变成未知的热阻网络，从而带来结温预测的误差。半导体材料受温度影响的特性将会使得IGBT外部电气特性呈现一定的变化趋势,这种受温度影响而变化的电气特征参数称之为热敏感电参数。因此可以通过获取IGBT外部端子的电气参数，进行结温估算。目前，常用的热敏感电参数法包括通电压测量法、阈值电压法，短路电流法，最大电压变化率法，最大电流变化率法等。热敏感电参数法具有响应快、精度高、可在线测量等优点，但对测量电路的要求较高，且存在一定的耦合因素影响，需进行一定的解耦处理。
针对以上各种方法的不足，本发明提出一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种易于集成在IGBT的门极驱动电路上，可实现IGBT结温的在线监控，对提升电力电子变流系统的可靠性具有重要意义的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，该系统包括测温元件、温度采集电路、IGBT门极驱动器及主控制器，其中，
所述测温元件用于测量IGBT功率发射极端子上的温度；
所述门极驱动及保护电路用于功率器件IGBT的驱动控制和保护；
所述温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上，用于采集测温元件输出的IGBT功率发射极端子上的温度信号；
所述主控制器用于向IGBT门极驱动器发送门极触发信号，同时接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，并根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温。
进一步，所述主控制器估算出的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制器发送关断信号至IGBT门极驱动器，实现IGBT过温保护。
进一步，所述测温元件包括热敏元件及金属垫片，所述金属垫片固定在IGBT的功率发射极端子上，所述热敏元件固定在IGBT门极驱动器的薄金属垫片上，将金属垫片压接在母排和IGBT发射极端子之间。
进一步，所述主控制器接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，按照公式(1)进行结温Tj(t)的估算，
Tj(t)＝Pj(t)·Zth(jE)(t)+(TE(t)-T′E(t)) (1)
其中，Pj(t)为IGBT的实时功率损耗，Zth(jE)(t)为IGBT芯片至功率发射极端子的热阻抗，TE(t)为测温元件测得的IGBT功率发射极端子的温度,TE'(t)为IGBT功率发射极端子的自热温度。
进一步，所述Pj(t)包括开关损耗和导通损耗，其可以根据母线电压、输出电流以及开关函数确定；所述Zth(jE)(t)由热阻Rth(jE)和热容Cth(jE)决定，Zth(jE)(t)具体公式为：
式中，Rth(EA)和Cth(EA)分别为IGBT芯片至功率发射极端子的热阻和热容。进一步，所述TE'(t)为IGBT功率发射极端子的自热温度,由公式(3)决定：
T′E(t)＝f1(IC,ReE,TA) (3)
自热温度TE'(t)也可以通过Ansys电热耦合仿真确定，并建立数据表格，供查表使用。
本发明还提供了一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算方法，所述方法步骤包括：
获取IGBT功率发射极端子上的温度信号；
将IGBT功率发射极端子上的温度信号，传输至主控制器；
主控制器根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温；
其中，所述获取IGBT功率发射极端子上的温度，通过测温元件和温度采集电路实现；所述温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上。
进一步，该方法还包括，所述主控制器根据估算出的结温对IGBT实施保护，当估算的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制发送关断信号至门极驱动器，从而保护IGBT。
进一步，该方法还包括，所述主控制器根据估算出的结温进行IGBT健康状态监测，当IGBT出现老化问题时，实现可预测性维护。
进一步，该方法还包括，将温度信号传送至IGBT门极驱动及保护电路；保护电路根据IGBT功率发射极端子上的温度信号，实现IGBT的过温保护；其中，所述保护电路将接收的温度信号与预设值比较，当超过预设值时，关断IGBT,
实现IGBT过温保护。
本发明的有益效果：
该发明针对大功率半导体器件，温度采集电路容易集成在IGBT门极驱动电路上，实现IGBT温度在线监测；由于测温点在发射极端子，因此不用该考虑测温元件与被测点的高压绝缘问题；该发明还实现了IGBT的过温保护，在控制器侧实现了IGBT温度估算；通过实时监测IGBT的结温信息，可以实现IGBT的健康状态监测，监视器件的老化问题，进而实现IGBT的可预测性维护。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统的结构示意图；
图2为IGBT端子热阻等效电路；
图3为IGBT端子实物平面图；
图4为本发明实施例提供的一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统的IGBT安装示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统的测温元件安装示意图；
具体实施方式
为了更为具体的描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本方法进行详细说明。
本发明提出一种基于IGBT发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统的结构图如图1所示。该系统主要包括测温元件、温度采集电路、IGBT门极驱动器及主控制器。其中，
测温元件用于测量IGBT功率发射极端子上的温度；
IGBT门极驱动及保护电路用于功率器件IGBT的驱动控制和保护；
温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上，用于采集测温元件输出的IGBT功率发射极端子上的温度信号；
主控制器用于向IGBT门极驱动器发送门极触发信号，同时接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，并根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温。
具体的，如图1所示，温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上，IGBT门极驱动及保护电路包括门极驱动电路和故障保护电路。门极驱动电路负责将主控制传输至驱动器的门极触发信号转换为能够驱动IGBT的开关信号，故障保护电路主要针对IGBT短路故障。温度采集电路主要负责测温元件温度信号的采集，IGBT门极驱动器温度采集电路采集到的IGBT发射极功率端子的温度信息传输给主控制器。需要说明的是IGBT功率发射极端子温度信息可以单通道传输，也可以与短路故障信息统一编码，同一通道传输。
由于测温元件测量的是IGBT的发射极端子温度，同时温度采集电路也集成在门极驱动器上，两者的参考电平都为发射极端子，因此不用考虑高压绝缘问题。控制器用于接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，并根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温。
进一步，主控制器估算出的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制器发送关断信号至IGBT门极驱动器，实现IGBT过温保护。
具体的，当估算的IGBT结温超过最大可耐受温度时主控制器发送关断信号至门极驱动器，从而保护IGBT。最大可耐受温度一般由数据手册给出，考虑到留有一定的裕量，可以在最大值的基础上减10℃。
进一步，测温元件包括热敏元件及金属垫片，所述金属垫片固定在IGBT的功率发射极端子上，所述热敏元件固定在IGBT门极驱动器的薄金属垫片上，将金属垫片压接在母排和IGBT发射极端子之间
具体的，测温元件为热敏电阻、热敏二极管等热敏元件或测温芯片。金属垫片固定在IGBT的功率发射极端子上，热敏元件固定在IGBT门极驱动器的薄金属垫片上，将金属垫片压接在母排和IGBT发射极端子之间，通过获取金属垫片的温度即可得出发射极端子的温度。测温元件的温度感知点需要与测温元件的信号侧隔离，考虑到测温元件的绝缘耐压能力，测温元件需要安装在IGBT的功率发射极端子上。
主控制器主要负责IGBT的触发控制、故障处理及结温估算。其中，主控制器根据IGBT门极驱动器传输过来的IGBT功率发射极端子温度信息TE(t)按照公式(1)进行结温Tj(t)的估算：
Tj(t)＝Pj(t)·Zth(jE)(t)+(TE(t)-T′E(t)) (1)
其中，Pj(t)为IGBT的实时功率损耗，Zth(jE)(t)为IGBT芯片至功率发射极端子的热阻抗，TE(t)为测温元件测得的IGBT功率发射极端子的温度。TE'(t)为IGBT功率发射极端子的自热温度。
IGBT的功率损耗Pj(t)包括开关损耗和导通损耗，在实际应用是可以根据母线电压、输出电流以及开关函数确定。
IGBT芯片至功率发射极端子的热阻抗为Zth(jE)(t)，主要取决于IGBT芯片至功率发射极端子局部热网络模型(Foster模型)，如图2所示。Zth(jE)(t)由两者之间的热阻Rth(jE)和热容Cth(jE)决定，具体公式为：
图2中的Rth(EA)和Cth(EA)分别为IGBT芯片至功率发射极端子的热阻和热容，对本发明意义不大，不需要进一步阐述。IGBT芯片至功率发射极端子的热阻抗Zth(jE)(t)可以通过现有的热阻测试方法确定，也可以通过有限元仿真软件确定，在此不在赘述。
所述功率发射极自热温度TE'(t)主要与IGBT的集电极电流Ic，IGBT芯片发射极至功率发射极的电阻ReE以及环境温度TA有关，由公式(3)决定：
T′E(t)＝f1(IC,ReE,TA) (3)
自热温度TE'(t)可以通过Ansys电热耦合仿真确定，并建立数据表格，供查表使用。
具体地，为了更好阐述该发明，以Infineon IHM封装的IGBT模块FZ1500R33HE3为例说明该方法。
该模块的物理端子如图3所示。其中，g、c、e为辅助控制端子，分别代表IGBT的门极、集电极和发射极。辅助控制端子用来安装IGBT驱动电路，实现IGBT的触发控制及保护。C和E为功率端子,分别代表IGBT的集电极和发射极，为承受大电流，C和E分别设置了三个安装固定孔。
在实际应用中，IGBT导通时集电极C和发射极E电位基本相同，IGBT阻断时，集电极C与发射极E之间存在高压。门极驱动电路上所有电子元件的电压与发射极处于同一电位。为了降低测温元件的绝缘耐压能力，因此，将测温元件安装在发射极端子上。
IGBT在应用过程中的安装如图4所示，功率端子通过母排引出。为了获取发射极端子E的温度，需要在母排和发射极端子之间加入测温元件。测温元件安装如图5所示，包括热敏元件及金属垫片，热敏元件固定在薄金属垫片上。金属垫片具有良好的导热性和导电性，将金属垫片压接在母排和IGBT发射极端子之间。通过获取金属垫片的温度即可得出发射极端子E的温度，从而进一步推算IGBT的温度。由于IGBT存在3个发射极端子，金属薄片可以安装在任意一个端子上。
本发明还提出一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算方法，所述方法步骤包括：
获取IGBT功率发射极端子上的温度；
将IGBT功率发射极端子上的温度信号，分别传输至IGBT门极驱动器中的故障保护电路及主控制器；
主控制器根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温；
其中，所述获取IGBT功率发射极端子上的温度，通过测温元件和温度采集电路实现；所述温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上。
具体地，主控器IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温，具体实现方式可参照系统中所述。
进一步，该方法还包括：
所述主控制器根据估算出的结温对IGBT实施保护，当估算的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制发送关断信号至门极驱动器，从而保护IGBT。进一步，该方法还包括：
所述主控制器根据估算出的结温进行IGBT健康状态监测，当IGBT出现老化问题时，实现可预测性维护。
具体的，当IGBT出现老化问题(键合线老化和焊料层疲劳)时，会导致IGBT结温升高，采用基于数据驱动的方式，通过实时监测IGBT结温，当发现IGBT的结温有增长趋势时，可以判定器件存在老化问题，进而实现可预测性维护。
主控制器根据估算出的结温进行IGBT健康状态监测，进而实现可预测性维护，当估算的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制发送关断信号至门极驱动器，从而保护IGBT。
进一步，该方法还包括，
将温度信号传送至IGBT门极驱动及保护电路；保护电路根据IGBT功率发射极端子上的温度信号，实现IGBT的过温保护；其中，所述保护电路将接收的温度信号与预设值比较，当超过预设值时，关断IGBT,实现IGBT过温保护。
该发明针对大功率半导体器件，温度采集电路容易集成在IGBT门极驱动电路上，实现IGBT温度在线监测。由于测温点在发射极端子，因此不用该考虑测温元件与被测点的绝缘问题。该发明还实现了IGBT的过温保护，在控制器侧实现了IGBT温度估算。通过本结温估算系统，还可以实现IGBT健康状态监测。
上述实例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实例的限制，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，该系统包括测温元件、温度采集电路、IGBT门极驱动器及主控制器，其中，
所述测温元件用于测量IGBT功率发射极端子上的温度；
所述IGBT门极驱动及保护电路用于功率器件IGBT的驱动控制和保护；
所述温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上，用于采集测温元件输出的IGBT功率发射极端子上的温度信号；
所述主控制器用于向IGBT门极驱动器发送门极触发信号，同时接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，并根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温。
2.根据权利要求1所述的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，所述主控制器估算出的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制器发送关断信号至IGBT门极驱动器，实现IGBT过温保护。
3.根据权利要求1-2任一所述的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，所述测温元件包括热敏元件及金属垫片，所述金属垫片固定在IGBT的功率发射极端子上，所述热敏元件固定在IGBT门极驱动器的薄金属垫片上，将金属垫片压接在母排和IGBT发射极端子之间。
4.根据权利要求1所述的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，所述主控制器接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，按照公式(1)进行结温Tj(t)的估算，
Tj(t)＝Pj(t)·Zth(jE)(t)+(TE(t)-T′E(t)) (1)
其中，Pj(t)为IGBT的实时功率损耗，Zth(jE)(t)为IGBT芯片至功率发射极端子的热阻抗，TE(t)为测温元件测得的IGBT功率发射极端子的温度,TE'(t)为IGBT功率发射极端子的自热温度。
5.根据权利要求4所述的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，所述Pj(t)包括开关损耗和导通损耗，其可以根据母线电压、输出电流以及开关函数确定；所述Zth(jE)(t)由热阻Rth(jE)和热容Cth(jE)决定，Zth(jE)(t)具体公式为：
式中，Rth(EA)和Cth(EA)分别为IGBT芯片至功率发射极端子的热阻和热容。
6.根据权利要求5所述的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，所述TE'(t)为IGBT功率发射极端子的自热温度,由公式(3)决定：
T′E(t)＝f1(IC,ReE,TA) (3)
自热温度TE'(t)也可以通过Ansys电热耦合仿真确定，并建立数据表格，供查表使用。
7.一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算方法，其特征在于，所述方法步骤包括：
获取IGBT功率发射极端子上的温度信号；
将IGBT功率发射极端子上的温度信号，传输至主控制器；
主控制器根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温；
其中，所述获取IGBT功率发射极端子上的温度，通过测温元件和温度采集电路实现；所述温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上。
8.根据权利要求7所述基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算方法，其特征在于，该方法还包括，所述主控制器根据估算出的结温对IGBT实施保护，当估算的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制发送关断信号至门极驱动器，从而保护IGBT。
9.根据权利要求7所述基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算方法，其特征在于，该方法还包括，所述主控制器根据估算出的结温进行IGBT健康状态监测，当IGBT出现老化问题时，进而实现可预测性维护。
10.根据权利要求9所述基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算方法，其特征在于，该方法还包括，将温度信号传送至IGBT门极驱动及保护电路；保护电路根据IGBT功率发射极端子上的温度信号，实现IGBT的过温保护；其中，所述保护电路将接收的温度信号与预设值比较，当超过预设值时，关断IGBT,实现IGBT 过温保护。
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