CN112285521A - 一种自校正的igbt健康监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自校正的IGBT健康监测方法，其包括以下步骤：S1、建立老化数据采集平台；S2、建立原始老化特征数据库；S3、获取目标IGBT在工作环境中的初始状态；S4、获取集电极与发射极间的电压差值；S5、生成校正参数函数；S6、校正原始老化特征数据库；S7、通过将目标IGBT的集电极与发射极间的电压与校正后的老化特征数据库中同工作条件下的集电极与发射极间的电压进行比较，完成IGBT的健康监测。本发明考虑了IGBT个体差异对于Vce,on测量值分析产生的影响，建立了具有校正补偿性的参数函数模型，提高了电力电子系统中对于IGBT参数分析的准确性，减小了由于个体差异引起误差提供了监测精度。

Description

一种自校正的IGBT健康监测方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种自校正的IGBT健康监测方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是一种功率半导体开关器件，广泛应用于中、大型的功率设备中，它在一定程度上提高了电力电子系统的可靠性，可以有效地预防电力电子系统的意外故障，在电力电子系统中所使用的开关有大约42％是IGBT。同时，功率半导体器件也是电力电子转换器中最脆弱的组件，有大约34％的电力电子系统故障是由于电力电子器件的芯片或焊接失效造成的，若不能快速采取实时的有效的维护措施，则可能造成严重的后果和巨额的经济损失。

目前，IGBT可靠性技术主要包含状态监测和寿命预测，常常利用老化特征参数来评估器件的健康状况。其中，Vce,on(集电极与发射极间的电压)由于易于监测，是公认的最有效的特征参数。对于电力电子系统中的IGBT，现有的技术通常是通过直接测量其Vce,on，然后与老化特征数据库中同工况下的标准值进行对比分析，并结合相关算法进行状态监测和寿命预测。

但是由于生产技术和水平的限制，每个IGBT的个体之间都会有差异，就算是同型号的两个IGBT之间也会有很多细微的差别，在相同健康状态下，对应的Vce,on也是不一样的，所以使用固定数据库进行参数分析，会造成算法运算的误差，降低状态监测和寿命预测的准确性。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种自校正的IGBT健康监测方法解决了现有IGBT健康监测方法因个体差异造成监测准确性低的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种自校正的IGBT健康监测方法，其包括以下步骤：

S1、建立老化数据采集平台，对至少一个与目标IGBT同规格的IGBT进行老化试验，获取与目标IGBT相对应的参考数据库；参考数据库包括与目标IGBT同规格的IGBT在不同工作条件下的集电极与发射极间的电压；工作条件包括栅极与发射极间的栅电压和集电极电流；

S2、根据与目标IGBT相对应的参考数据库中的集电极与发射极间的电压数据建立原始老化特征数据库；

S3、至少测量一次目标IGBT在工作环境中的初始状态；初始状态包括工作条件和集电极与发射极间的电压；

S4、将目标IGBT初始状态中的集电极与发射极间的电压和原始老化特征数据库中同工作条件下的集电极与发射极间的电压进行比较，得到若干个集电极与发射极间的电压差值；

S5、基于若干个集电极与发射极间的电压差值通过曲线拟合生成校正参数函数；

S6、采用校正参数函数对原始老化特征数据库进行校正，得到校正后的老化特征数据库；

S7、通过将目标IGBT的集电极与发射极间的电压与校正后的老化特征数据库中同工作条件下的集电极与发射极间的电压进行比较，完成IGBT的健康监测。

进一步地，老化数据采集平台包括驱动模块、电压采集模块、电流采集模块和信号处理模块；

驱动模块，用于给与目标IGBT同规格的IGBT提供驱动信号；

电压采集模块，用于采集与目标IGBT同规格的IGBT工作时集电极与发射极间的电压数据；

电流采集模块，用于采集与目标IGBT同规格的IGBT工作时的集电极电流数据；

信号处理模块，用于把采集到的与目标IGBT同规格的IGBT工作时集电极与发射极间的电压数据和集电极电流数据转换成数字信号。

进一步地，驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片U1和型号为QA01的隔离电源M1，驱动芯片U1的OUT引脚为驱动信号输出引脚；驱动芯片U1的引脚20分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、驱动芯片U1的引脚19、驱动芯片U1的引脚14、驱动芯片U1的引脚12、驱动芯片U1的引脚11和电阻R1的一端并接地；驱动芯片U1的IN+引脚连接电阻R1的另一端并作为控制信号输入引脚；驱动芯片U1的引脚19分别连接电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端和5V电源；

驱动芯片U1的引脚1分别连接驱动芯片U1的引脚2、电容C15的一端、电容C16的一端、电容C17的一端、电容C8的一端、电容C7的一端、驱动芯片U1的引脚10、驱动芯片U1的引脚9和隔离电源M1的引脚5；电容C8的另一端与电容C7的另一端相连并接地；驱动芯片U1的引脚3和引脚4相连并接地；

隔离电源M1的引脚6分别连接电容C15的另一端、电容C16的另一端、电容C17的另一端、电容C12的一端、电容C13的一端和电容C14的一端并接地；隔离电源M1的引脚7分别连接电容C12的另一端、电容C13的另一端、电容C14的另一端、电容C6的一端、电容C5的一端、电容C4的一端和驱动芯片U1的引脚6；电容C4的另一端分别连接电容C5的另一端和电容C6的另一端并接地；隔离电源M1的引脚1分别连接电容C9的一端、电容C10的一端、电容C11的一端和15V电源；电容C9的另一端分别连接电容C10的另一端和电容C11的另一端并接地。

进一步地，驱动信号输出引脚与目标IGBT同规格的IGBT之间还设置有电桥推挽电路；电桥推挽电路包括电阻R2，电阻R2的一端分别连接驱动芯片U1的引脚7和电阻R3的一端；电阻R2的另一端分别连接电阻R3的另一端、NPN型功率三极管T1的基极、PNP型功率三极管T3的基极、NPN型功率三极管T2的基极和PNP型功率三极管T4的基极；NPN型功率三极管T1的发射极分别连接NPN型功率三极管T2的发射极、PNP型功率三极管T3的发射极和PNP型功率三极管T4的发射极并作为电桥推挽电路的输出端；PNP型功率三极管T3的集电极分别连接接地电阻R4和PNP型功率三极管T4的集电极；NPN型功率三极管T1的集电极分别连接NPN型功率三极管T2的集电极和隔离电源M1的引脚7。

进一步地，电压采集模块包括型号为IR25750LTRPBF的芯片IC2，用于采集与目标IGBT同规格的IGBT的集电极与发射极间的电压数据；其中芯片IC2的VSAM引脚为电压采集模块的信号输出引脚；芯片IC2的引脚3分别连接电阻R4的一端和与目标IGBT同规格的IGBT的G极；电阻R4的另一端连接驱动模块的输出端；芯片IC2的4接地；芯片IC2的引脚1为芯片IC2的输出端；芯片IC2的引脚5分别连接电阻R6的一端和与目标IGBT同规格的IGBT的C极；

电阻R6的另一端分别连接电容C19的一端、电感L1的一端和开关二极管D1的正极；电容C19的另一端连接电阻R7的一端；电阻R7的另一端分别连接电感L1的另一端、开关二极管D1的负极和400V功率电源；与目标IGBT同规格的IGBT的E极接地。

本发明的有益效果为：本发明考虑了IGBT个体差异对于Vce,on测量值分析产生的影响，建立了具有校正补偿性的参数函数模型，提高了电力电子系统中对于IGBT参数分析的准确性，减小了由于个体差异引起误差，为健康管理方面的研究提供了更高精度的数据基础。

附图说明

图1为本方法的流程示意图；

图2为驱动模块的电路示意图；

图3为IGBT及电压采集模块的电路示意图。

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，该自校正的IGBT健康监测方法包括以下步骤：

S1、建立老化数据采集平台，对至少一个与目标IGBT同规格的IGBT进行老化试验，获取与目标IGBT相对应的参考数据库；参考数据库包括与目标IGBT同规格的IGBT在不同工作条件下的集电极与发射极间的电压；工作条件包括栅极与发射极间的栅电压和集电极电流；

S2、根据与目标IGBT相对应的参考数据库中的集电极与发射极间的电压数据建立原始老化特征数据库；

S3、至少测量一次目标IGBT在工作环境中的初始状态；初始状态包括工作条件和集电极与发射极间的电压；

S4、将目标IGBT初始状态中的集电极与发射极间的电压和原始老化特征数据库中同工作条件下的集电极与发射极间的电压进行比较，得到若干个集电极与发射极间的电压差值；

S5、基于若干个集电极与发射极间的电压差值通过曲线拟合生成校正参数函数；

S6、采用校正参数函数对原始老化特征数据库进行校正，得到校正后的老化特征数据库；

S7、通过将目标IGBT的集电极与发射极间的电压与校正后的老化特征数据库中同工作条件下的集电极与发射极间的电压进行比较，完成IGBT的健康监测。

老化数据采集平台包括驱动模块、电压采集模块、电流采集模块和信号处理模块；

驱动模块，用于给与目标IGBT同规格的IGBT提供驱动信号；

电压采集模块，用于采集与目标IGBT同规格的IGBT工作时集电极与发射极间的电压数据；

电流采集模块，用于采集与目标IGBT同规格的IGBT工作时的集电极电流数据；

信号处理模块，用于把采集到的与目标IGBT同规格的IGBT工作时集电极与发射极间的电压数据和集电极电流数据转换成数字信号。

如图2所示，驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片U1和型号为QA01的隔离电源M1，驱动芯片U1的OUT引脚为驱动信号输出引脚；驱动芯片U1的引脚20分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、驱动芯片U1的引脚19、驱动芯片U1的引脚14、驱动芯片U1的引脚12、驱动芯片U1的引脚11和电阻R1的一端并接地；驱动芯片U1的IN+引脚连接电阻R1的另一端并作为控制信号输入引脚；驱动芯片U1的引脚19分别连接电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端和5V电源；

驱动芯片U1的引脚1分别连接驱动芯片U1的引脚2、电容C15的一端、电容C16的一端、电容C17的一端、电容C8的一端、电容C7的一端、驱动芯片U1的引脚10、驱动芯片U1的引脚9和隔离电源M1的引脚5；电容C8的另一端与电容C7的另一端相连并接地；驱动芯片U1的引脚3和引脚4相连并接地；

隔离电源M1的引脚6分别连接电容C15的另一端、电容C16的另一端、电容C17的另一端、电容C12的一端、电容C13的一端和电容C14的一端并接地；隔离电源M1的引脚7分别连接电容C12的另一端、电容C13的另一端、电容C14的另一端、电容C6的一端、电容C5的一端、电容C4的一端和驱动芯片U1的引脚6；电容C4的另一端分别连接电容C5的另一端和电容C6的另一端并接地；隔离电源M1的引脚1分别连接电容C9的一端、电容C10的一端、电容C11的一端和15V电源；电容C9的另一端分别连接电容C10的另一端和电容C11的另一端并接地。

驱动信号输出引脚与目标IGBT同规格的IGBT之间还设置有电桥推挽电路；电桥推挽电路包括电阻R2，电阻R2的一端分别连接驱动芯片U1的引脚7和电阻R3的一端；电阻R2的另一端分别连接电阻R3的另一端、NPN型功率三极管T1的基极、PNP型功率三极管T3的基极、NPN型功率三极管T2的基极和PNP型功率三极管T4的基极；NPN型功率三极管T1的发射极分别连接NPN型功率三极管T2的发射极、PNP型功率三极管T3的发射极和PNP型功率三极管T4的发射极并作为电桥推挽电路的输出端；PNP型功率三极管T3的集电极分别连接接地电阻R4和PNP型功率三极管T4的集电极；NPN型功率三极管T1的集电极分别连接NPN型功率三极管T2的集电极和隔离电源M1的引脚7。

如图3所示，电压采集模块包括型号为IR25750LTRPBF的芯片IC2，用于采集与目标IGBT同规格的IGBT的集电极与发射极间的电压数据；其中芯片IC2的VSAM引脚为电压采集模块的信号输出引脚；芯片IC2的引脚3分别连接电阻R4的一端和与目标IGBT同规格的IGBT的G极；电阻R4的另一端连接驱动模块的输出端；芯片IC2的4接地；芯片IC2的引脚1为芯片IC2的输出端；芯片IC2的引脚5分别连接电阻R6的一端和与目标IGBT同规格的IGBT的C极；

电阻R6的另一端分别连接电容C19的一端、电感L1的一端和开关二极管D1的正极；电容C19的另一端连接电阻R7的一端；电阻R7的另一端分别连接电感L1的另一端、开关二极管D1的负极和400V功率电源；与目标IGBT同规格的IGBT的E极接地；

与目标IGBT同规格的IGBT的E极分别连接电阻R5的一端和型号为INA240A1EDRQ1的芯片IC1的引脚8并接地；电阻R5的另一端分别连接400V功率电源的地端和芯片IC1的引脚1；芯片IC1的引脚2分别连接芯片IC1的引脚3、芯片IC1的引脚6和电容C18并接地；电容C18的另一端分别连接5V电源和芯片IC1的引脚6；芯片IC1的引脚5输出IGBT的集电极电流。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，INT为驱动模块的输入，由信号处理及控制模块进行控制；OUT为驱动模块的输出，给IGBT电路提供驱动信号；QA01为隔离电源(隔离强弱电、稳压、保护电路等作用)，给驱动模块的输出提供电源支持。1ED020I12FA2为驱动芯片，根据INT输入的信号输出相应的数字信号；T1、T2、T3、T4组成电桥推挽电路，通过驱动芯片的输出来控制桥选的信号，进行推挽输出，采样两组电桥可以增加信号的推挽输出能力，从而增强驱动模块的驱动能力；R1下拉电阻，用于吸收电流，保护电路，并且当INT输入为低电平时，进行下拉输入，稳定低电平的输入电压；R2、R3可以在驱动芯片输出为低电平的时候，进一步拉低电压，防止电桥电路对于低电平输入信号的错误识别，并联使用是为了当驱动芯片输出为高电压时，降低单个电阻的承受功率，减小电阻的损耗，同时稳定输出电压；其余电容可以消除电源与地之间的噪声，以到达滤波的目的。

ED020I12FA2驱动芯片可以直接与IGBT连接使用来驱动IGBT，但是其输出的驱动电压范围是固定的，无法更改。驱动芯片与后面的电桥电路组合使用，可以根据需要改变驱动输出的电压范围，使该驱动电路可以作为多种功率器件的驱动电路使用，所以该驱动电路的使用范围更广。具体的做法是通过改变电桥电路上下两端(即接+VO和R4的两个端口)接入的电源电压来改变驱动电压的输出范围，本方法的驱动电压输出范围是0V至+15V。

如图3所示，OUT接驱动模块的输出；Q1为IGBT；R4为栅极电阻，用于消除栅极驱动回路中的振荡，承受驱动模块的功率损耗，并且调节IGBT的开关速度；R5为高精度的分流电阻，可以用于采集电流，配合INA240A1EDRQ1使用，用于对IGBT的集电极电流进行准确的采集，并通过ISAM端进行输出；IR25750LTRPBF为电压采集芯片，用于对IGBT的Vce的采集，VSAM为该芯片的输出；INA240A1EDRQ1可以用于对IGBT的Ic的采集，并通过ISAM进行输出；PGND为对应400V的功率电源的地端；R6为大功率电阻，承担电路中的主要压降，模拟电力电子系统中的大功率设备；D1为开关二极管，具有较低的反向恢复电荷和较低的正向导通电压，用于防止IGBT被反向击穿，且开关速度快，对电路的影响较小；L1为电感，使IGBT关断时的电流缓慢释放；R7、C19组成RC吸收电路，用于降低IGBT关断瞬间的感应尖峰电压，防止IGBT关断时被击穿。

在具体实施过程中，对该电力电子系统中某一工作状态下的IGBT进行状态监测或寿命预测时，测量该状态下的集电极与发射极间的电压，并与得到的该IGBT特有的数据库中对应参数值进行对比分析，结合机器学习的相关算法，获得器件此时健康状况(主要是指剩余寿命)。

综上所述，本发明考虑了IGBT个体差异对于Vce,on测量值分析产生的影响，建立了具有校正补偿性的参数函数模型，提高了电力电子系统中对于IGBT参数分析的准确性，减小了由于个体差异引起误差，为健康管理方面的研究提供了更高精度的数据基础。

Claims (5)

1.一种自校正的IGBT健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、建立老化数据采集平台，对至少一个与目标IGBT同规格的IGBT进行老化试验，获取与目标IGBT相对应的参考数据库；参考数据库包括与目标IGBT同规格的IGBT在不同工作条件下的集电极与发射极间的电压；工作条件包括栅极与发射极间的栅电压和集电极电流；

S2、根据与目标IGBT相对应的参考数据库中的集电极与发射极间的电压数据建立原始老化特征数据库；

S3、至少测量一次目标IGBT在工作环境中的初始状态；初始状态包括工作条件和集电极与发射极间的电压；

S4、将目标IGBT初始状态中的集电极与发射极间的电压和原始老化特征数据库中同工作条件下的集电极与发射极间的电压进行比较，得到若干个集电极与发射极间的电压差值；

S5、基于若干个集电极与发射极间的电压差值通过曲线拟合生成校正参数函数；

S6、采用校正参数函数对原始老化特征数据库进行校正，得到校正后的老化特征数据库；

S7、通过将目标IGBT的集电极与发射极间的电压与校正后的老化特征数据库中同工作条件下的集电极与发射极间的电压进行比较，完成IGBT的健康监测。

2.根据权利要求1所述的自校正的IGBT健康监测方法，其特征在于，所述老化数据采集平台包括驱动模块、电压采集模块、电流采集模块和信号处理模块；

所述驱动模块，用于给与目标IGBT同规格的IGBT提供驱动信号；

所述电压采集模块，用于采集与目标IGBT同规格的IGBT工作时集电极与发射极间的电压数据；

所述电流采集模块，用于采集与目标IGBT同规格的IGBT工作时的集电极电流数据；

所述信号处理模块，用于把采集到的与目标IGBT同规格的IGBT工作时集电极与发射极间的电压数据和集电极电流数据转换成数字信号。

3.根据权利要求2所述的自校正的IGBT健康监测方法，其特征在于，所述驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片U1和型号为QA01的隔离电源M1，驱动芯片U1的OUT引脚为驱动信号输出引脚；驱动芯片U1的引脚20分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、驱动芯片U1的引脚19、驱动芯片U1的引脚14、驱动芯片U1的引脚12、驱动芯片U1的引脚11和电阻R1的一端并接地；驱动芯片U1的IN+引脚连接电阻R1的另一端并作为控制信号输入引脚；驱动芯片U1的引脚19分别连接电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端和5V电源；

驱动芯片U1的引脚1分别连接驱动芯片U1的引脚2、电容C15的一端、电容C16的一端、电容C17的一端、电容C8的一端、电容C7的一端、驱动芯片U1的引脚10、驱动芯片U1的引脚9和隔离电源M1的引脚5；电容C8的另一端与电容C7的另一端相连并接地；驱动芯片U1的引脚3和引脚4相连并接地；

隔离电源M1的引脚6分别连接电容C15的另一端、电容C16的另一端、电容C17的另一端、电容C12的一端、电容C13的一端和电容C14的一端并接地；隔离电源M1的引脚7分别连接电容C12的另一端、电容C13的另一端、电容C14的另一端、电容C6的一端、电容C5的一端、电容C4的一端和驱动芯片U1的引脚6；电容C4的另一端分别连接电容C5的另一端和电容C6的另一端并接地；隔离电源M1的引脚1分别连接电容C9的一端、电容C10的一端、电容C11的一端和15V电源；电容C9的另一端分别连接电容C10的另一端和电容C11的另一端并接地。

4.根据权利要求3所述的自校正的IGBT健康监测方法，其特征在于，所述驱动信号输出引脚与目标IGBT同规格的IGBT之间还设置有电桥推挽电路；电桥推挽电路包括电阻R2，电阻R2的一端分别连接驱动芯片U1的引脚7和电阻R3的一端；电阻R2的另一端分别连接电阻R3的另一端、NPN型功率三极管T1的基极、PNP型功率三极管T3的基极、NPN型功率三极管T2的基极和PNP型功率三极管T4的基极；NPN型功率三极管T1的发射极分别连接NPN型功率三极管T2的发射极、PNP型功率三极管T3的发射极和PNP型功率三极管T4的发射极并作为电桥推挽电路的输出端；PNP型功率三极管T3的集电极分别连接接地电阻R4和PNP型功率三极管T4的集电极；NPN型功率三极管T1的集电极分别连接NPN型功率三极管T2的集电极和隔离电源M1的引脚7。

5.根据权利要求2所述的自校正的IGBT健康监测方法，其特征在于，所述电压采集模块包括型号为IR25750LTRPBF的芯片IC2，用于采集与目标IGBT同规格的IGBT的集电极与发射极间的电压数据；其中芯片IC2的VSAM引脚为电压采集模块的信号输出引脚；芯片IC2的引脚3分别连接电阻R4的一端和与目标IGBT同规格的IGBT的G极；电阻R4的另一端连接驱动模块的输出端；芯片IC2的4接地；芯片IC2的引脚1为芯片IC2的输出端；芯片IC2的引脚5分别连接电阻R6的一端和与目标IGBT同规格的IGBT的C极；

电阻R6的另一端分别连接电容C19的一端、电感L1的一端和开关二极管D1的正极；电容C19的另一端连接电阻R7的一端；电阻R7的另一端分别连接电感L1的另一端、开关二极管D1的负极和400V功率电源；与目标IGBT同规格的IGBT的E极接地。

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