CN111983415A - 一种功率器件结温在线检测系统 - Google Patents

一种功率器件结温在线检测系统 Download PDF

Info

Publication number
CN111983415A
CN111983415A CN202010841265.XA CN202010841265A CN111983415A CN 111983415 A CN111983415 A CN 111983415A CN 202010841265 A CN202010841265 A CN 202010841265A CN 111983415 A CN111983415 A CN 111983415A
Authority
CN
China
Prior art keywords
junction temperature
voltage
power device
circuit
threshold voltage
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202010841265.XA
Other languages
English (en)
Inventor
王俊
俞恒裕
江希
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hunan University
Original Assignee
Hunan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hunan University filed Critical Hunan University
Priority to CN202010841265.XA priority Critical patent/CN111983415A/zh
Publication of CN111983415A publication Critical patent/CN111983415A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2601—Apparatus or methods therefor

Abstract

本发明提供了一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：包括电源电路，所述电源电路分别与门极驱动电路、隔离电路、电压采集电路、电流采集电路、信号处理电路、和DSP控制器相连接，所述电源电路能够提供隔离供电；该在线检测系统依据功率器件本身的温度敏感电参数：阈值电压；本发明所提出的功率器件结温在线监测系统能够在不影响功率器件正常运行的前提下，准确实时的反馈结温信息，避免因器件结温过高损坏器件，破坏整个系统的可靠运行。本发明检测系统成本低，可靠性高且易于实现，有很强的应用价值。

Description

一种功率器件结温在线检测系统
技术领域
本发明涉及功率半导体器件运行状态检测领域，尤其涉及一种功率器件结温在线检测系统，基于功率器件本身温度敏感电参数实现在线检测功率器件结温。
背景技术
功率半导体器件是电力电子设备中的核心元件，随着目前新一代电力电子变换器对功率器件的功率密度和转换效率上的要求不断提升，对功率器件的可靠性则是更加严苛，功率器件的长期可靠运行是保证系统安全运行的前提。功率半导体器件的故障和退化通常归因于结温波动和最高结温。功率器件可靠性的相关研究调查表明，器件结温偏高诱发的Si IGBT故障率高达55％，结温每升高10℃，器件故障率上升2倍。因此对电力电子变换器中的功率器件结温在线监测极为必要，准确的结温检测可有效改善功率器件的可靠性，实现智能化热管理，器件寿命预测以及保证系统高可靠性运行。
目前，广泛适用的结温检测方法主要有：热传感器法，热阻网络法以及温度敏感电参数法等。对于前两种方法在实时检测上具有很大的局限性，热传感器法在成本和快速高效准确的结温获取难以实现平衡，因此目前商用的热传感器具有严重的时间延迟问题，至少在毫秒级，难以瞬时反馈器件过温信号，及时采取反馈措施。热阻网络法通过建立RC网络模型，在通过实时的器件损耗来推算结温信息，因此精准全面的网络模型对器件结温的获取极为重要，精准的模型相对比较复杂且受影响因素颇多。
而基于器件自身的温度敏感电参数法在成本上就极具优越性，借助本身的热传感器属性，即随结温变化其某些电参数会规律变化。基于此搭建的检测系统简单，易于实现，对于在线实时反映结温信息最重要的一点就是延时时间，采用温度敏感电参数法提取结温延时时间在纳秒级。因此如何基于其温敏电参数提供一种稳定且易实现的功率器件结温在线检测系统，是本领域技术人员亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于通过基于器件自身阈值电压温度敏感电参数搭建结温在线实时检测系统，实时监测器件运行结温信息，保护其在安全的结温条件下运行，避免因器件结温过高而导致整个电力电子系统瘫痪。以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种功率器件结温在线检测系统，包括电源电路，所述电源电路分别与门极驱动电路、隔离电路、电压采集电路、电流采集电路、信号处理电路、和DSP控制器相连接，所述电源电路能够提供隔离供电；
该在线检测系统依据功率器件本身的温度敏感电参数：阈值电压。
进一步，所述门极驱动电路，提供多种门极驱动电阻；在检测系统检测功率器件结温的时区内，所述门极驱动电路切换至大电阻模式，降低功率器件在此次开通的速度，提高检测系统的精度以及降低检测的难度；在正常器件运行下，所述门极驱动电路提供正常的驱动电阻，保证功率器件正常运行。
进一步，所述隔离电路为检测系统的各个部分提供隔离供电，还将整个检测电路的小信号部分和功率信号部分完全隔离开。
进一步，所述电压电流采集电路分别用于实时检测器件当前工作的电压电流等级并输送到信号采集单元，为后续结温计算提供计算条件。
进一步，所述阈值电压随温度的线性关系，根据所述阈值电压的定义即器件将要导通时的门极驱动电压作为所述阈值电压。
进一步，所述阈值电压为功率器件刚有电流流过时的门极驱动电压，根据源极处的杂散电感LSs’，由
Figure BDA0002641488750000031
知，所述阈值电压即VSs’达到所设参考值Vref此刻的门极驱动电压即为阈值电压。
进一步，比较器实时将所设的电压参考值Vref与源极杂散电感上的压降进行比较,一旦杂散电感上的电压降VSs’达到参考电压即触发逻辑电路锁存采样保持器的值，即所述阈值电压。
进一步，还包括电压跟随器，所述电压跟随器实时跟随门极驱动信号，并输送至采样保持器，待比较器触发锁存信号。
进一步，在进行结温检测运行之前，获取所述阈值电压与结温的关系曲线，以及在不同电压电流等级下的关系数据。
进一步，通过所述DSP控制器配合ADC采样单元实时获取器件运行时的电压电流信息，在结温检测时区内，获取保持器锁存的阈值电压信息，结合DSP控制器内存储的数据表进行查表推算结温信息，并输出至外设。
为实现基于阈值电压的结温在线检测，首先要准确分析阈值电压电参数与结温的数学关系，根据
Figure BDA0002641488750000032
其中
Figure BDA0002641488750000033
阈值电压受结温影响的因素是费米势，且费米势与温度呈线性关系，因此阈值电压与结温有很好的线性关系。
其次是获取阈值电压信息，以常规的MOS结构器件为例，基本模型参数如附图2所示，CGD、CGS、RG_int、RG_ext、Lg、LSs’等分别为门极-漏极电容、门极-源极电容、内部驱动电阻、外部驱动电阻、门极杂散和源极杂散等。
根据附图3所示的MOS结构的开通过程，门极驱动电压达到阈值电压Vth时，器件开始导通产生漏电流Id，流过器件的电流经过源极电感LSs’，由
Figure BDA0002641488750000041
知，
一旦器件有电流流过，源极杂散电感即产生电压跳变。
因此，本发明根据这一关系搭建一套阈值电压捕获电路，准确实时的获取器件阈值电压信息。其捕获电路如附图3所示，大致分为三个部分：门极驱动部分，比较触发部分和采样保持部分。门极驱动部分作用是在对器件进行结温检测的时区内切换较大的驱动电阻，保证阈值电压准确的获取。比较触发部分的作用是在实时的捕获源极杂散电感的电压跳变。采样保持部分分为门极驱动电压跟随器和电压保持器，根据比较触发部分的触发信号锁存此时的门极驱动电压的值。
最后根据阈值电压和结温的关系曲线，将不同电压电流下结温与阈值电压对应的数据输入到数据处理系统。
在器件运行过程中实时将器件电压电流信息以及通过阈值电压捕获电路获取阈值电压信息采集到数据处理系统，经过计算即可快速得到此时器件工作的结温。
本发明具有很好的适用性和必要性，可实现低成本、简单、稳定、快速的获取功率器件的实时结温，有效避免在系统中由于功率器件结温过高而造成系统瘫痪的经济损失以及人员损伤。
附图说明
图1为一种功率器件结温在线检测系统的示意图；
图2为本发明MOS结构的器件模型示意图；
图3为本发明MOS结构的功率器件开通过程示意图；
图4为本发明的阈值电压检测电路示意图；
图5为本发明的阈值电压检测电路的时序示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种功率器件结温在线检测系统，属于半导体功率开关器件运行状态检测领域，涉及一种功率器件结温在线检测方法及检测系统。
本发明基于功率器件本身的温度敏感电参数阈值电压随结温的线性关系所提出的一种检测方法，用于实时在线检测功率器件结温并反馈给控制系统，保证功率器件可靠运行。如图1所示，该系统包括：功率器件单元101，门极驱动单元102，阈值电压获取单元103，数据采集单元104，数据处理单元105，实时结温输出单元106。其中在门极驱动信号开启时，阈值电压获取单元在功率器件开通瞬间获取器件阈值电压信息，并输出到数据采集单元，数据采集单元实时获取功率器件运行的电压和电流等级信息。在器件关断的过程中进行数据处理，计算出该功率器件在此次开通时刻的结温信息并输出到结温输出单元。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示功率MOSFET器件仅仅为了举例此发明在MOSFET器件的实例，因此不能理解为对本发明的限制。
以下结合附图对本发明在MOSFET器件上进一步的描述。
图4所示本发明的阈值电压检测电路原理框图，分为两种模式，即正常的器件工作模式和结温检测模式；通过DSP控制器发出控制信号以及模式切换信号。
在正常工作模式下：DSP控制器通过隔离电路给门极驱动部分传输驱动信号，门极驱动电路通过开关切换门极驱动电阻到较小的电阻，使门极驱动电阻为R3，保证器件正常运行。
在结温检测模式下：DSP控制器通过隔离电路给门极驱动部分传输驱动信号，门极驱动电路通过开关切换门极驱动电阻到较大的电阻，使门极驱动电阻为R2+R3。
以下对结温检测的过程进行进一步描述：
首先是阈值电压的检测，具体的时序如附图5所示，DSP控制器通过隔离电路给门极驱动部分输送PWM控制信号，采样保持部分分为电压跟随器和保持器，随着器件门极驱动电压的上升，电压跟随器快速响应并跟随驱动信号，通过常开的JETF开关器件给电容C1充电，为了保证输出信号的稳定，后级设置了输出的电压跟随器。
门极驱动电压上升，比较部分实时与器件源极杂散电感压降VSs’进行比较，一旦检测到杂散电感上的电压跳变即触发Strigger信号至触发器控制JEFT开关断开。采样保持部分锁存当电容C1上的电压即阈值电压。随后DSP控制器配合ADC采样部分获取采样保持器的输出值。
DSP控制器通过内置的器件结温与阈值电压的关系数据，采用查表法即可计算出当前的器件结温信息。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：包括电源电路，所述电源电路分别与门极驱动电路、隔离电路、电压采集电路、电流采集电路、信号处理电路、和DSP控制器相连接，所述电源电路能够提供隔离供电；
该在线检测系统依据功率器件本身的温度敏感电参数：阈值电压。
2.根据权利要求1所述的一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：所述门极驱动电路，提供多种门极驱动电阻；在检测系统检测功率器件结温的时区内，所述门极驱动电路切换至大电阻模式，降低功率器件在此次开通的速度，提高检测系统的精度以及降低检测的难度；在正常器件运行下，所述门极驱动电路提供正常的驱动电阻，保证功率器件正常运行。
3.根据权利要求1所述的一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：所述隔离电路为检测系统的各个部分提供隔离供电，还将整个检测电路的小信号部分和功率信号部分完全隔离开。
4.根据权利要求1所述的一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：所述电压、电流采集电路分别用于实时检测器件当前工作的电压电流等级并输送到信号采集单元，为后续结温计算提供计算条件。
5.根据权利要求1所述的一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：所述阈值电压随温度的线性关系，根据所述阈值电压的定义即器件将要导通时的门极驱动电压作为所述阈值电压。
6.根据权利要求5所述的一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：所述阈值电压为功率器件刚有电流流过时的门极驱动电压，根据源极处的杂散电感LSs’，由
Figure FDA0002641488740000011
知，所述阈值电压即VSs’达到所设参考值Vref此刻的门极驱动电压即为阈值电压。
7.根据权利要求6所述的一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：比较器实时将所设的电压参考值Vref与源极杂散电感上的压降进行比较,一旦杂散电感上的电压降VSs’达到参考电压即触发逻辑电路锁存采样保持器的值，即所述阈值电压。
8.根据权利要求7所述的一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：还包括电压跟随器，所述电压跟随器实时跟随门极驱动信号，并输送至采样保持器，待比较器触发锁存信号。
9.根据权利要求1所述的一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：在进行结温检测运行之前，获取所述阈值电压与结温的关系曲线，以及在不同电压电流等级下的关系数据。
10.根据权利要求1所述的一种功率器件结温在线检测系统，其特征在于：通过所述DSP控制器配合ADC采样单元实时获取器件运行时的电压电流信息，在结温检测时区内，获取保持器锁存的阈值电压信息，结合DSP控制器内存储的数据表进行查表推算结温信息，并输出至外设。
CN202010841265.XA 2020-08-20 2020-08-20 一种功率器件结温在线检测系统 Pending CN111983415A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010841265.XA CN111983415A (zh) 2020-08-20 2020-08-20 一种功率器件结温在线检测系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010841265.XA CN111983415A (zh) 2020-08-20 2020-08-20 一种功率器件结温在线检测系统

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111983415A true CN111983415A (zh) 2020-11-24

Family

ID=73443459

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010841265.XA Pending CN111983415A (zh) 2020-08-20 2020-08-20 一种功率器件结温在线检测系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111983415A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115951192A (zh) * 2023-03-09 2023-04-11 长沙丹芬瑞电气技术有限公司 一种功率器件的结温检测装置、方法及介质

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103162852A (zh) * 2013-03-20 2013-06-19 上海理工大学 基于阈值电压交流发光二极管结温检测方法
CN106771951A (zh) * 2016-12-31 2017-05-31 徐州中矿大传动与自动化有限公司 电力电子开关器件结温在线监测装置、检测电路及测试方法
CN107329070A (zh) * 2017-06-09 2017-11-07 常州银河电器有限公司 一种快速估算器件高温工作时结温的方法
CN107422243A (zh) * 2017-08-28 2017-12-01 中国电子产品可靠性与环境试验研究所 氮化镓hemt器件结温测试装置、测试板、测试系统及其方法
CN109342914A (zh) * 2018-10-23 2019-02-15 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） Igbt结温监控方法、装置及计算机设备
CN110108999A (zh) * 2019-05-07 2019-08-09 阳光电源股份有限公司 一种igbt模块工作结温在线检测系统及方法
CN110579698A (zh) * 2019-09-10 2019-12-17 江南大学 一种InAlN/GaN HEMT的结温测试方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103162852A (zh) * 2013-03-20 2013-06-19 上海理工大学 基于阈值电压交流发光二极管结温检测方法
CN106771951A (zh) * 2016-12-31 2017-05-31 徐州中矿大传动与自动化有限公司 电力电子开关器件结温在线监测装置、检测电路及测试方法
CN107329070A (zh) * 2017-06-09 2017-11-07 常州银河电器有限公司 一种快速估算器件高温工作时结温的方法
CN107422243A (zh) * 2017-08-28 2017-12-01 中国电子产品可靠性与环境试验研究所 氮化镓hemt器件结温测试装置、测试板、测试系统及其方法
CN109342914A (zh) * 2018-10-23 2019-02-15 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） Igbt结温监控方法、装置及计算机设备
CN110108999A (zh) * 2019-05-07 2019-08-09 阳光电源股份有限公司 一种igbt模块工作结温在线检测系统及方法
CN110579698A (zh) * 2019-09-10 2019-12-17 江南大学 一种InAlN/GaN HEMT的结温测试方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
DELEI HUANG,ET AL: "Extraction of junction temperature of SiC MOSFET module based on turn-on dIDS/dt", 《ENERGIES》 *
HENGYU YU,ET AL: "A Novel Real-Time Junction Temperature Monitoring Circuit for SiC MOSFET", 《2020 IEEE APPLIED POWER ELECTRONICS CONFERENCE AND EXPOSITION (APEC)》 *
俞恒裕等: "SiC MOSFET 与 Si IGBT 器件温度敏感电参数对比研究", 《电源学报》 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115951192A (zh) * 2023-03-09 2023-04-11 长沙丹芬瑞电气技术有限公司 一种功率器件的结温检测装置、方法及介质
CN115951192B (zh) * 2023-03-09 2023-06-23 长沙丹芬瑞电气技术有限公司 一种功率器件的结温检测装置、方法及介质

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102294347B1 (ko) 정션 온도 및 전류 감지 기법
CN104155587B (zh) 一种igbt模块工作结温的在线检测系统及检测方法
CN111880069A (zh) 一种基于开通电流斜率的半导体器件结温在线检测系统
CN106771951A (zh) 电力电子开关器件结温在线监测装置、检测电路及测试方法
WO2017071365A1 (zh) 数字化驱动的igbt电流检测系统及其检测方法
CN110658435B (zh) 一种igbt结温监测装置及方法
CN108982998B (zh) 一种在线检测绑定线老化过程的检测电路及检测方法
CN105572558A (zh) 一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及其检测方法
CN109507487B (zh) 晶闸管触发脉冲信号检测电路
CN206362890U (zh) 电力电子开关器件结温在线监测装置、检测电路
CN113064042B (zh) 一种功率半导体器件的结温提取方法
CN100531474C (zh) 加热器功率控制电路及使用该控制电路的老化装置
CN114839499A (zh) 基于动态阈值电压的功率器件结温在线监测系统
CN111812479B (zh) 一种igbt通态压降在线测量电路及结温检测方法
Yang et al. A method for junction temperature estimation utilizing turn-on saturation current for SiC MOSFET
Qiao et al. Online junction temperature monitoring for SiC MOSFETs using turn-on delay time
Zhou et al. Monitoring chip fatigue in an IGBT module based on grey relational analysis
CN111983415A (zh) 一种功率器件结温在线检测系统
Yu et al. A novel real-time junction temperature monitoring circuit for SiC MOSFET
US20220334001A1 (en) Method, device and system for monitoring igbt junction temperature
Yuan et al. Online junction temperature estimation system for IGBT based on BP neural network
CN109459633B (zh) 直流输电换流阀晶闸管级回路故障诊断方法及装置及系统
Wang et al. Monitoring chip branch failure in multichip IGBT modules based on gate charge
CN110611298A (zh) 用于飞轮储能装置的ipm保护系统
CN113376497A (zh) 一种适用于功率半导体器件结温和老化信息的在线监测方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
RJ01 Rejection of invention patent application after publication
RJ01 Rejection of invention patent application after publication

Application publication date: 20201124