CN112213609B - 一种igbt集电极和发射极间电压不停机测量系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统及方法，系统包括外加电流源ID、二极管D1、二极管D2、第一减法器、第二减法器、第三减法器、差分模块和加法器。本发明基于二极管的个体差异对于测量结果的直接影响，通过完善的电路结构计算出二极管的压降偏差，并将此偏差补偿到最终的测试结果中作为最终的测量值输出。本发明提高了测量的精度，使得Vce,on的测量值更加准确，有利于预测目标IGBT的寿命，评估目标IGBT的可靠性。

Description

一种IGBT集电极和发射极间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IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统及方法。
背景技术
IGBT，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。它的驱动功率小而饱和压降低，非常适合应用于直流电压为600V及以上的变流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路、牵引传动等领域。随着新能源，混合动力汽车以及新型工业设备等领域的不断发展，其应用中对于高效的电源控制与电源分配的需求，使得IGBT模块的应用市场日渐增大。
目前IGBT器件的的可靠性已有大幅提高，但其失效现象仍然频频发生。根据全领域工业调查报告，电力电子系统中最脆弱的部件为功率半导体器件，有31％的系统故障是由于功率半导体器件失效造成的。而IGBT又是使用率最高的功率半导体器件，其使用率达到了42％，其次是MOSFET，其使用率为27％。考虑到一些对安全性要求苛刻或是工作环境恶劣下的应用，我们急需进一步提升IGBT的可靠性。
目前，Vce,on(IGBT导通时集电极与发射极之间的电压)是IGBT状态监测和寿命预测中公认的最具价值的电学特征参量，其测试准确性直接影响监测及寿命预测结果。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统即方法可实时准确测量IGBT导通时集电极与发射极之间的电压。
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IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统，其包括外加电流源ID、二极管D1、二极管D2、第一减法器、第二减法器、第三减法器、差分模块和加法器；二极管D1的负极分别连接待测IGBT的集电极和第二减法器的一个输入端；二极管D1的正极分别连接二极管D2的负极、第二减法器的另一个输入端、第一减法器的一个输入端和差分模块的一个输入端；二极管D2的正极分别连接外加电流源ID、第一减法器的另一个输入端和差分模块的另一个输入端；第一减法器的输出端和第二减法器的输出端分别连接加法器的输入端，加法器的输出端和差分模块的输出端分别连接第三减法器的输入端，通过获取第三减法器的输出数据获取待测IGBT集电极和发射极间电压；
第一减法器，用于获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D2正极处的电压值Va的差值Vb-Va；
第二减法器，用于获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D1负极处的电压值Vc的差值Vb-Vc；
差分模块，用于获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp；
加法器，用于获取差值Vb-Va与差值Vb-Vc的和ΔV；
第三减法器，用于获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp与ΔV的差值Vs，差值Vs即待测IGBT集电极和发射极间电压。
进一步地，二极管D1和二极管D2规格相同。
进一步地，差分模块包括运算放大器X1；运算放大器X1的反相输入端分别连接电阻R1的一端和电阻Rf的一端；电阻R1的另一端连接二极管D2的正极；运算放大器X1的输出端连接电阻Rf的另一端并作为差分模块的输出端；运算放大器X1的同相输入端连接二极管D2的负极。
进一步地，第一减法器包括运算放大器X2，运算放大器X2的同相输入端接地，运算放大器X2的反相输入端分别连接电阻R2的一端和电阻R3的一端；电阻R2的另一端连接二极管D2的正极；运算放大器X2的输出端分别连接电阻R3的另一端和电阻R4的一端；电阻R4的另一端分别连接电阻R6的一端、电阻R5的一端和运算放大器X3的反相输入端；电阻R6的另一端连接二极管D2的负极；运算放大器X3的同相输入端接地；运算放大器X3的输出端连接电阻R5并作为第一减法器的输出端。
进一步地，第二减法器包括运算放大器X4，运算放大器X4的同相输入端接地，运算放大器X4的反相输入端分别连接电阻R7的一端和电阻R8的一端；电阻R7的另一端连接二极管D1的负极；运算放大器X4的输出端分别连接电阻R8的另一端和电阻R9的一端；电阻R9的另一端分别连接电阻R11的一端/电阻R10的一端和运算放大器X5的反相输入端；电阻R11的另一端连接二极管D2的负极；运算放大器X5的同相输入端接地，运算放大器X5的输出端连接电阻R10的另一端并作为第二减法器的输出端。
进一步地，加法器包括运算放大器X6，运算放大器X的同相输入端接地，运算放大器X6的反相输入端分别连接电阻R12的一端、电阻R13的一端和电阻R14的一端；电阻R12的另一端连接第一减法器的输出端；电阻R13的另一端连接第二减法器的输出端；运算放大器X6的输出端连接电阻R14的另一端并作为加法器的输出端。
进一步地，第三减法器包括运算放大器X7，运算放大器X7的同相输入端接地，运算放大器X7的反相输入端分别连接电阻R16的一端和电阻R17的一端；电阻R16的另一端与加法器的输出端相连；运算放大器X的输出端分别连接电阻R17的另一端和电阻R18的一端；电阻R18的另一端分别连接电阻R15的一端、电阻R19的一端和运算放大器X8的反相输入端；电阻R15的另一端连接差分模块的输出端；运算放大器X8的同相输入端接地，运算放大器X8的输出端连接电阻R19的另一端并作为第三减法器的输出端。
提供一种IGBT集电极和发射极间电压不停机测量方法，其包括以下步骤：
S1、将二极管D1的负极与待测IGBT的集电极相连，将二极管D1的正极分别与二极管D2的负极和差分模块的一个输入端相连，将二极管D2的正极分别与外加电流源ID和差分模块的另一个输入端相连；
S2、通过第一减法器获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D2正极处的电压值Va的差值Vb-Va；
S3、通过第二减法器获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D1负极处的电压值Vc的差值Vb-Vc；
S4、通过差分模块获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp；
S5、通过加法器获取差值Vb-Va与差值Vb-Vc的和ΔV；
S6、通过第三减法器获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp与ΔV的差值Vs，差值Vs即待测IGBT集电极和发射极间电压，完成IGBT集电极和发射极间电压不停机测量。
本发明的有益效果为：本发明基于二极管的个体差异对于测量结果的直接影响，通过完善的电路结构计算出二极管的压降偏差，并将此偏差补偿到最终的测试结果中作为最终的测量值输出。本发明提高了测量的精度，使得Vce,on的测量值更加准确，有利于预测目标IGBT的寿命，评估目标IGBT的可靠性。
附图说明
图1为测量系统前半部分电路图；
图2为测量系统后半部分电路图。
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和图2所示，该IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统包括外加电流源ID、二极管D1、二极管D2、第一减法器、第二减法器、第三减法器、差分模块和加法器；二极管D1的负极分别连接待测IGBT的集电极和第二减法器的一个输入端；二极管D1的正极分别连接二极管D2的负极、第二减法器的另一个输入端、第一减法器的一个输入端和差分模块的一个输入端；二极管D2的正极分别连接外加电流源ID、第一减法器的另一个输入端和差分模块的另一个输入端；第一减法器的输出端和第二减法器的输出端分别连接加法器的输入端，加法器的输出端和差分模块的输出端分别连接第三减法器的输入端，通过获取第三减法器的输出数据获取待测IGBT集电极和发射极间电压；
第一减法器，用于获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D2正极处的电压值Va的差值Vb-Va；
第二减法器，用于获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D1负极处的电压值Vc的差值Vb-Vc；
差分模块，用于获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp；
加法器，用于获取差值Vb-Va与差值Vb-Vc的和ΔV；
第三减法器，用于获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp与ΔV的差值Vs，差值Vs即待测IGBT集电极和发射极间电压。二极管D1和二极管D2规格相同。
差分模块包括运算放大器X1；运算放大器X1的反相输入端分别连接电阻R1的一端和电阻Rf的一端；电阻R1的另一端连接二极管D2的正极；运算放大器X1的输出端连接电阻Rf的另一端并作为差分模块的输出端；运算放大器X1的同相输入端连接二极管D2的负极。
第一减法器包括运算放大器X2，运算放大器X2的同相输入端接地，运算放大器X2的反相输入端分别连接电阻R2的一端和电阻R3的一端；电阻R2的另一端连接二极管D2的正极；运算放大器X2的输出端分别连接电阻R3的另一端和电阻R4的一端；电阻R4的另一端分别连接电阻R6的一端、电阻R5的一端和运算放大器X3的反相输入端；电阻R6的另一端连接二极管D2的负极；运算放大器X3的同相输入端接地；运算放大器X3的输出端连接电阻R5并作为第一减法器的输出端。
第二减法器包括运算放大器X4，运算放大器X4的同相输入端接地，运算放大器X4的反相输入端分别连接电阻R7的一端和电阻R8的一端；电阻R7的另一端连接二极管D1的负极；运算放大器X4的输出端分别连接电阻R8的另一端和电阻R9的一端；电阻R9的另一端分别连接电阻R11的一端/电阻R10的一端和运算放大器X5的反相输入端；电阻R11的另一端连接二极管D2的负极；运算放大器X5的同相输入端接地，运算放大器X5的输出端连接电阻R10的另一端并作为第二减法器的输出端。
加法器包括运算放大器X6，运算放大器X的同相输入端接地，运算放大器X6的反相输入端分别连接电阻R12的一端、电阻R13的一端和电阻R14的一端；电阻R12的另一端连接第一减法器的输出端；电阻R13的另一端连接第二减法器的输出端；运算放大器X6的输出端连接电阻R14的另一端并作为加法器的输出端。
第三减法器包括运算放大器X7，运算放大器X7的同相输入端接地，运算放大器X7的反相输入端分别连接电阻R16的一端和电阻R17的一端；电阻R16的另一端与加法器的输出端相连；运算放大器X的输出端分别连接电阻R17的另一端和电阻R18的一端；电阻R18的另一端分别连接电阻R15的一端、电阻R19的一端和运算放大器X8的反相输入端；电阻R15的另一端连接差分模块的输出端；运算放大器X8的同相输入端接地，运算放大器X8的输出端连接电阻R19的另一端并作为第三减法器的输出端。
该IGBT集电极和发射极间电压不停机测量方法包括以下步骤：
S1、将二极管D1的负极与待测IGBT的集电极相连，将二极管D1的正极分别与二极管D2的负极和差分模块的一个输入端相连，将二极管D2的正极分别与外加电流源ID和差分模块的另一个输入端相连；
S2、通过第一减法器获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D2正极处的电压值Va的差值Vb-Va；
S3、通过第二减法器获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D1负极处的电压值Vc的差值Vb-Vc；
S4、通过差分模块获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp；
S5、通过加法器获取差值Vb-Va与差值Vb-Vc的和ΔV；
S6、通过第三减法器获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp与ΔV的差值Vs，差值Vs即待测IGBT集电极和发射极间电压，完成IGBT集电极和发射极间电压不停机测量。
在具体实施过程中，差分模块中的电阻阻值均为100Ω，每个减法器和加法器中的电阻阻值均为1000Ω。若在低压条件下测试，可按比例减小所选电阻值。该阻值选择可以在IGBT正常工作电压下获得便于观测的Vce值。
综上所述，本发明基于二极管的个体差异对于测量结果的直接影响，通过完善的电路结构计算出二极管的压降偏差，并将此偏差补偿到最终的测试结果中作为最终的测量值输出。本发明提高了测量的精度，使得Vce,on的测量值更加准确，有利于预测目标IGBT的寿命，评估目标IGBT的可靠性。

Claims (8)

1.一种IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统，其特征在于，包括外加电流源ID、二极管D1、二极管D2、第一减法器、第二减法器、第三减法器、差分模块和加法器；所述二极管D1的负极分别连接待测IGBT的集电极和第二减法器的一个输入端；所述二极管D1的正极分别连接二极管D2的负极、第二减法器的另一个输入端、第一减法器的一个输入端和差分模块的一个输入端；所述二极管D2的正极分别连接外加电流源ID、第一减法器的另一个输入端和差分模块的另一个输入端；所述第一减法器的输出端和第二减法器的输出端分别连接加法器的输入端，所述加法器的输出端和差分模块的输出端分别连接第三减法器的输入端，通过获取第三减法器的输出数据获取待测IGBT集电极和发射极间电压；
所述第一减法器，用于获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D2正极处的电压值Va的差值Vb-Va；
所述第二减法器，用于获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D1负极处的电压值Vc的差值Vb-Vc；
所述差分模块，用于获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp；
所述加法器，用于获取差值Vb-Va与差值Vb-Vc的和ΔV；
所述第三减法器，用于获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp与ΔV的差值Vs，差值Vs即待测IGBT集电极和发射极间电压。
2.根据权利要求1所述的IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统，其特征在于，所述二极管D1和二极管D2规格相同。
3.根据权利要求1所述的IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统，其特征在于，所述差分模块包括运算放大器X1；运算放大器X1的反相输入端分别连接电阻R1的一端和电阻Rf的一端；电阻R1的另一端连接二极管D2的正极；运算放大器X1的输出端连接电阻Rf的另一端并作为差分模块的输出端；运算放大器X1的同相输入端连接二极管D2的负极。
4.根据权利要求1所述的IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统，其特征在于，所述第一减法器包括运算放大器X2，运算放大器X2的同相输入端接地，运算放大器X2的反相输入端分别连接电阻R2的一端和电阻R3的一端；电阻R2的另一端连接二极管D2的正极；运算放大器X2的输出端分别连接电阻R3的另一端和电阻R4的一端；电阻R4的另一端分别连接电阻R6的一端、电阻R5的一端和运算放大器X3的反相输入端；电阻R6的另一端连接二极管D2的负极；运算放大器X3的同相输入端接地；运算放大器X3的输出端连接电阻R5并作为第一减法器的输出端。
5.根据权利要求1所述的IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统，其特征在于，所述第二减法器包括运算放大器X4，运算放大器X4的同相输入端接地，运算放大器X4的反相输入端分别连接电阻R7的一端和电阻R8的一端；电阻R7的另一端连接二极管D1的负极；运算放大器X4的输出端分别连接电阻R8的另一端和电阻R9的一端；电阻R9的另一端分别连接电阻R11的一端、电阻R10的一端和运算放大器X5的反相输入端；电阻R11的另一端连接二极管D2的负极；运算放大器X5的同相输入端接地，运算放大器X5的输出端连接电阻R10的另一端并作为第二减法器的输出端。
6.根据权利要求1所述的IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统，其特征在于，所述加法器包括运算放大器X6，运算放大器X的同相输入端接地，运算放大器X6的反相输入端分别连接电阻R12的一端、电阻R13的一端和电阻R14的一端；电阻R12的另一端连接第一减法器的输出端；电阻R13的另一端连接第二减法器的输出端；运算放大器X6的输出端连接电阻R14的另一端并作为加法器的输出端。
7.根据权利要求1所述的IGBT集电极和发射极间电压不停机测量系统，其特征在于，所述第三减法器包括运算放大器X7，运算放大器X7的同相输入端接地，运算放大器X7的反相输入端分别连接电阻R16的一端和电阻R17的一端；电阻R16的另一端与加法器的输出端相连；运算放大器X的输出端分别连接电阻R17的另一端和电阻R18的一端；电阻R18的另一端分别连接电阻R15的一端、电阻R19的一端和运算放大器X8的反相输入端；电阻R15的另一端连接差分模块的输出端；运算放大器X8的同相输入端接地，运算放大器X8的输出端连接电阻R19的另一端并作为第三减法器的输出端。
8.一种IGBT集电极和发射极间电压不停机测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将二极管D1的负极与待测IGBT的集电极相连，将二极管D1的正极分别与二极管D2的负极和差分模块的一个输入端相连，将二极管D2的正极分别与外加电流源ID和差分模块的另一个输入端相连；
S2、通过第一减法器获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D2正极处的电压值Va的差值Vb-Va；
S3、通过第二减法器获取二极管D1正极处的电压值Vb与二极管D1负极处的电压值Vc的差值Vb-Vc；
S4、通过差分模块获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp；
S5、通过加法器获取差值Vb-Va与差值Vb-Vc的和ΔV；
S6、通过第三减法器获取未补偿二极管偏差的电压值Vop-amp与ΔV的差值Vs，差值Vs即待测IGBT集电极和发射极间电压，完成IGBT集电极和发射极间电压不停机测量。
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