CN112213611A - 一种基于短路电流的低采样率igbt结温估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法，其包括以下步骤：S1、搭建用于产生短路电流的硬件模块，并提取短路电流信号；S2、采用压缩感知方法处理提取到的短路电流信号，得到压缩数据；S3、采用数字信号处理方法还原压缩数据，获取与短路电流信号相对应的数字信号；S4、获取并根据数字信号中的峰值获取IGBT结温数据，完成基于短路电流的低采样率IGBT结温估算。本发明采用压缩感知技术对器件短路电流进行采样，在保持采样精度基本不变的情况下，显著地降低了采样频率，有效地降低了系统的复杂度和成本，解决了当前基于短路电流的结温估算方法对采样速率要求过高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法。
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器件的可靠性已有大幅提高，但其失效现象却仍然频频发生。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。
状态监测是公认的提高功率半导体器件可靠性的有效方法，通过对器件各种电气参数的监测，获取器件的健康状态信息。其中，被测器件的结温(包括结温的变化量ΔTj、平均结温Tmj等)是非常重要的参量，在一定工作条件下结温的变化反映了器件老化程度。
目前，IGBT结温的测量方法可分为直接测量和间接测量。前者需要改变器件的封装结构，对器件破坏性较大。而后者利用温敏电参数进行结温估算，是一种极具潜力的结温测试方法。其中，IGBT的短路电流与结温Tj呈现非常良好的线性关系，很适合使用来估算IGBT的结温。但是短路电流的存在时间很短，精确测量对采样速率的要求很高，大大增加了测试系统的复杂度和成本。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法解决了当前结温估算方法对采样速率要求过高的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法，其包括以下步骤：
S1、搭建用于产生短路电流的硬件模块，并提取短路电流信号；
S2、采用压缩感知方法处理提取到的短路电流信号，得到压缩数据；
S3、采用数字信号处理方法还原压缩数据，获取与短路电流信号相对应的数字信号；
S4、获取并根据数字信号中的峰值获取IGBT结温数据，完成基于短路电流的低采样率IGBT结温估算。
进一步地，步骤S1中用于产生短路电流的硬件模块包括待测IGBT的余相IGBT和旁路IGBT；所述待测IGBT的余相IGBT和旁路IGBT的C极分别与待测IGBT的E极相连接，所述待测IGBT的余相IGBT和旁路IGBT的E极均接地；所述旁路IGBT的G极与外部驱动相连接；所述旁路IGBT的C极和E极为短路电流信号的提取点。
进一步地，外部驱动包括型号为1ED020I12-F的芯片，型号为1ED020I12-F的芯片的VCC1引脚分别连接电阻R1的一端、电容C4的一端、电容C3的一端、电阻R2的一端和5V电源；型号为1ED020I12-F的芯片的RST引脚连接电阻R2的另一端和电容C4的另一端；型号为1ED020I12-F的芯片的FLT引脚连接电阻R1的另一端；型号为1ED020I12-F的芯片的IN-引脚分别连接型号为1ED020I12-F的芯片的GND1引脚和电容C3的另一端并接地；型号为1ED020I12-F的芯片的VCC2引脚分别连接二极管D1的负极和电容C2的一端；二极管D1的正极连接15V电源；型号为1ED020I12-F的芯片的Desat引脚分别连接电阻R2的一端和电容C1的一端；型号为1ED020I12-F的芯片的out引脚通过电阻RG分别连接型号为1ED020I12-F的芯片的clamp引脚、二极管D6的正极和旁路IGBT的G极；型号为1ED020I12-F的芯片的GND2引脚分别连接型号为1ED020I12-F的芯片的VEE2引脚、电容C2的另一端、电容C1的另一端和旁路IGBT的E极；旁路IGBT的C极连接二极管D3的负极，二极管D3的正极连接二极管D4的负极，二极管D4的正极分别连接二极管D2的负极和二极管D5的负极，二极管D5的正极连接二极管D6的负极，二极管D2的正极连接电阻R2的另一端。
进一步地，步骤S1中提取短路电流信号的具体方法为：
采用PEM罗氏线圈来提取短路电流信号。
进一步地，步骤S4中根据数字信号中的峰值获取IGBT结温数据的具体方法为：
根据公式：
I＝0.3453T+211.48
获取IGBT结温数据T；其中I为数字信号中的峰值。
本发明的有益效果为：本发明采用压缩感知技术对器件短路电流进行采样，在保持采样精度基本不变的情况下，显著地降低了采样频率，有效地降低了系统的复杂度和成本，解决了当前基于短路电流的结温估算方法对采样速率要求过高的问题。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为用于产生短路电流的硬件模块的电路示意图；
图3为外部驱动的电路示意图；
图4为本方法与高速采样结温估算效果对比图。
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所示，该基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法包括以下步骤：
S1、搭建用于产生短路电流的硬件模块，并提取短路电流信号；
S2、采用压缩感知方法处理提取到的短路电流信号，得到压缩数据；
S3、采用数字信号处理方法还原压缩数据，获取与短路电流信号相对应的数字信号；
S4、获取并根据数字信号中的峰值获取IGBT结温数据，完成基于短路电流的低采样率IGBT结温估算。
如图2和图3所示，步骤S1中用于产生短路电流的硬件模块包括待测IGBT(由二极管D1和三极管S1构成)的余相IGBT(由二极管D2和三极管S2构成)和旁路IGBT(由二极管D3和三极管S3构成)；待测IGBT的余相IGBT和旁路IGBT的集电极端分别与待测IGBT的发射极端相连接，待测IGBT的余相IGBT和旁路IGBT的发射极端均接地；旁路IGBT的G极与外部驱动相连接；旁路IGBT的集电极端和发射极端为短路电流信号的提取点。
外部驱动包括型号为1ED020I12-F的芯片，型号为1ED020I12-F的芯片的VCC1引脚分别连接电阻R1的一端、电容C4的一端、电容C3的一端、电阻R2的一端和5V电源；型号为1ED020I12-F的芯片的RST引脚连接电阻R2的另一端和电容C4的另一端；型号为1ED020I12-F的芯片的FLT引脚连接电阻R1的另一端；型号为1ED020I12-F的芯片的IN-引脚分别连接型号为1ED020I12-F的芯片的GND1引脚和电容C3的另一端并接地；型号为1ED020I12-F的芯片的VCC2引脚分别连接二极管D1的负极和电容C2的一端；二极管D1的正极连接15V电源；型号为1ED020I12-F的芯片的Desat引脚分别连接电阻R2的一端和电容C1的一端；型号为1ED020I12-F的芯片的out引脚通过电阻RG分别连接型号为1ED020I12-F的芯片的clamp引脚、二极管D6的正极和旁路IGBT的G极；型号为1ED020I12-F的芯片的GND2引脚分别连接型号为1ED020I12-F的芯片的VEE2引脚、电容C2的另一端、电容C1的另一端和旁路IGBT的E极；旁路IGBT的C极连接二极管D3的负极，二极管D3的正极连接二极管D4的负极，二极管D4的正极分别连接二极管D2的负极和二极管D5的负极，二极管D5的正极连接二极管D6的负极，二极管D2的正极连接电阻R2的另一端。
步骤S1中提取短路电流信号的具体方法为：采用PEM罗氏线圈来提取短路电流信号。
步骤S2的具体方法为：根据短路电流信号的稀疏特性，将时域下的短路电流信号变换到频域下，得到压缩数据。步骤S3对应了压缩感知的感知，即恢复过程，通过重构算法，恢复稀疏信号。
步骤S4中根据数字信号中的峰值获取IGBT结温数据的具体方法为：根据公式：
I＝0.3453T+211.48
获取IGBT结温数据T；其中I为数字信号中的峰值。
在本发明的一个实施例中，如图4所示，图中CS表示本方法，High-speed sampling表示高速采样方法。从图中可知本方法得到的结温估算结果与高速采样方法得到的结温估算结果相差无几，由此可见本方法行之有效。
综上所述，本发明采用压缩感知技术对器件短路电流进行采样，在保持采样精度基本不变的情况下，显著地降低了采样频率，有效地降低了系统的复杂度和成本，解决了当前基于短路电流的结温估算方法对采样速率要求过高的问题。
Claims (6)
1.一种基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、搭建用于产生短路电流的硬件模块，并提取短路电流信号；
S2、采用压缩感知方法处理提取到的短路电流信号，得到压缩数据；
S3、采用数字信号处理方法还原压缩数据，获取与短路电流信号相对应的数字信号；
S4、获取并根据数字信号中的峰值获取IGBT结温数据，完成基于短路电流的低采样率IGBT结温估算。
2.根据权利要求1所述的基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法，其特征在于，所述步骤S1中用于产生短路电流的硬件模块包括待测IGBT的余相IGBT和旁路IGBT；所述待测IGBT的余相IGBT和旁路IGBT的C极分别与待测IGBT的E极相连接，所述待测IGBT的余相IGBT和旁路IGBT的E极均接地；所述旁路IGBT的G极与外部驱动相连接；所述旁路IGBT的C极和E极为短路电流信号的提取点。
3.根据权利要求2所述的基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法，其特征在于，所述外部驱动包括型号为1ED020I12-F的芯片，型号为1ED020I12-F的芯片的VCC1引脚分别连接电阻R1的一端、电容C4的一端、电容C3的一端、电阻R2的一端和5V电源；型号为1ED020I12-F的芯片的RST引脚连接电阻R2的另一端和电容C4的另一端；型号为1ED020I12-F的芯片的FLT引脚连接电阻R1的另一端；型号为1ED020I12-F的芯片的IN-引脚分别连接型号为1ED020I12-F的芯片的GND1引脚和电容C3的另一端并接地；型号为1ED020I12-F的芯片的VCC2引脚分别连接二极管D1的负极和电容C2的一端；二极管D1的正极连接15V电源；型号为1ED020I12-F的芯片的Desat引脚分别连接电阻R2的一端和电容C1的一端；型号为1ED020I12-F的芯片的out引脚通过电阻RG分别连接型号为1ED020I12-F的芯片的clamp引脚、二极管D6的正极和旁路IGBT的G极；型号为1ED020I12-F的芯片的GND2引脚分别连接型号为1ED020I12-F的芯片的VEE2引脚、电容C2的另一端、电容C1的另一端和旁路IGBT的E极；旁路IGBT的C极连接二极管D3的负极，二极管D3的正极连接二极管D4的负极，二极管D4的正极分别连接二极管D2的负极和二极管D5的负极，二极管D5的正极连接二极管D6的负极，二极管D2的正极连接电阻R2的另一端。
4.根据权利要求1所述的基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法，其特征在于，所述步骤S1中提取短路电流信号的具体方法为：
采用PEM罗氏线圈来提取短路电流信号。
5.根据权利要求1所述的基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法为：
根据短路电流信号的稀疏特性，将时域下的短路电流信号变换到频域下，得到压缩数据。
6.根据权利要求1所述的基于短路电流的低采样率IGBT结温估算方法，其特征在于，所述步骤S4中根据数字信号中的峰值获取IGBT结温数据的具体方法为：
根据公式：
I＝0.3453T+211.48
获取IGBT结温数据T；其中I为数字信号中的峰值。
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