CN112327127A - 集成铂温度传感器的全控型电力电子器件及结温测量方法 - Google Patents

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李宾宾
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Abstract

本发明提供了一种集成铂温度传感器的全控型电力电子器件及结温测量方法，包括：全控型电力电子器件、设于全控型电力电子器件表面结发热处的铂温度传感器，其中，所述铂温度传感器的第一电极连接点靠近全控型电力电子器件的第一极，所述铂温度传感器的第二电极连接点靠近全控型电力电子器件的第二极。本发明可以直接测量全控型电力电子器件的结温。

Description

集成铂温度传感器的全控型电力电子器件及结温测量方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种集成铂温度传感器的全控型电力电子器件及结温测量方法。
背景技术
在现代电力电子技术应用领域，全控型电力电子器件是实现电能变换和传输控制的核心器件。相较于以晶闸管为代表的半控型器件，全控型电力电子器件可以通过门极或栅极驱动控制器件的开通和关断，实现了电能变换和传输的实时准确控制。全控型电力电子器件以绝缘栅双极型晶体管器件(IGBT)和金属-氧化物半导体场效应晶体管器件(MOSFET)为代表，广泛应用于输配电、轨道交通、新能源汽车、家用电器、消费电子等高中低压领域。
全控型电力电子器件在工作过程中，由于高频率的开通与关断，会产生大量的热量，同时造成器件结温的升高。器件结温的升高一方面会影响器件的工作特性，另一方面当结温持续升高并超出特定的阈值范围时，会造成器件永久性的损坏，进而影响整个系统的安全稳定运行。因此，监测器件结温并根据器件结温变化采取有效的控制策略，对减少器件损坏和保障系统稳定运行尤为重要。
由于实际中缺少快速直接的器件结温测量手段，目前技术方案一般是在电力电子设备系统设计制造时，在电力电子器件的外部周围设置冷却系统，包括空气冷却系统和液体冷却系统。在电力电子设备运行时，通过冷却系统及时带走电力电子器件在开关过程和导通状态时产生的热量，使得电力电子器件在一定的温度范围内工作，以保证电力电子设备的稳定运行。
此外，电力电子器件的结温与电力电子器件的开关频率与工作状态直接相关，由于缺乏电力电子器件结温的直接测量方法，在电力电子器件结温接近或超过正常工作温度上限时，不能够及时地通过控制电力电子器件的开关频率和投入/切除状态直接控制电力电子器件的结温。目前技术方案一般是通过在电力电子设备拓扑中设置大量的电力电子器件冗余，并通过设置相对应的冗余控制算法，使得在电力电子器件因结温过高而发生器件损坏时，能够及时投入冗余电力电子器件代替损坏电力电子器件的功能，保证电力电子设备的稳定运行。
对于在电力电子器件的外部周围设置冷却系统的技术方案，一方面，由于增加了冷却系统硬件部分，这直接增加了电力电子设备系统的设计和制造成本；另一方面，由于冷却系统不同于电力电子设备系统，需要独立运行维护，这直接增加了电力电子设备系统的运行维护成本；此外，冷却系统在工作过程中与电力电子设备系统配合紧密，这直接增加了整个系统的设计和运行复杂性。
对于在电力电子设备拓扑中设置大量的电力电子器件冗余的技术方案，一方面，由于设置的大量额外的电力电子器件，这直接增加电力电子设备系统的设计和制造成本；另一方面，由于大量的电力电子器件冗余需要配备与之相对应的冗余控制算法，以保证在电力电子器件由于结温过高发生损坏时，冗余电力电子器件能够及时投入进行替换，这直接增加了电力电子设备系统的复杂性。
因此，目前缺乏一种针对全控型电力电子器件的结温测量方法。
发明内容
本发明实施例提出一种集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，可直接测量全控型电力电子器件的结温，包括：
全控型电力电子器件、设于全控型电力电子器件表面结发热处的铂温度传感器，其中，所述铂温度传感器的第一电极连接点靠近全控型电力电子器件的第一极，所述铂温度传感器的第二电极连接点靠近全控型电力电子器件的第二极。
本发明实施例提出一种集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法，应用于前述的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，可直接测量全控型电力电子器件的结温，包括：
在铂温度传感器上施加设定数值的电流；
测量流过铂温度传感器两端的电压，获得铂温度传感器两端电压测量值；
根据铂温度传感器两端电压测量值，计算获得全控型电力电子器件工作时的结温值。
本发明实施例还提出了一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法。
本发明实施例还提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有执行上述集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法的计算机程序。
在本发明实施例中，集成铂温度传感器的全控型电力电子器件包括：全控型电力电子器件、设于全控型电力电子器件表面结发热处的铂温度传感器，其中，所述铂温度传感器的第一电极连接点靠近全控型电力电子器件的第一极，所述铂温度传感器的第二电极连接点靠近全控型电力电子器件的第二极。在本发明实施例中，将铂温度传感器直接制造在全控型电力电子器件表面结发热处，从而可以直接测量全控型电力电子器件的结温值，且实时性好，准确度高。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1为本发明实施例中集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的示意图；
图2为本发明实施例中绝缘栅双极型晶体管器件的典型结构；
图3为本发明实施例中金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的典型结构；
图4为本发明实施例中铂温度传感器的重复S形结构的示意图；
图5为本发明实施例中集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法的流程图；
图6为本发明实施例中集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法的原理图；
图7为本发明实施例中计算机设备的示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
在本说明书的描述中，所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。参考术语“一个实施例”、“一个具体实施例”、“一些实施例”、“例如”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。各实施例中涉及的步骤顺序用于示意性说明本申请的实施，其中的步骤顺序不作限定，可根据需要作适当调整。
图1为本发明实施例中集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的示意图，如图1所示，集成铂温度传感器的全控型电力电子器件包括：
全控型电力电子器件101、设于全控型电力电子器件表面结发热处的铂温度传感器102，其中，所述铂温度传感器的第一电极连接点103靠近全控型电力电子器件的第一极105，所述铂温度传感器的第二电极连接点104靠近全控型电力电子器件的第二极106。
在本发明实施例中，将铂温度传感器直接制造在全控型电力电子器件表面结发热处，从而可以直接测量全控型电力电子器件的结温值，且实时性好，准确度高。
具体实施时，全控型电力电子器件101是通过微电子制造工艺技术制造出的。在一实施例中，所述铂温度传感器是采用金属溅射工艺制造出的。所述金属溅射工艺为在接近真空的环境下以一定能量的粒子轰击金属靶材表面，使金属靶材近表面的原子获得足够大的能量，逸出金属靶材表面的工艺。微电子制造工艺与金属溅射工艺兼容，因此，可铂温度传感器在制造全控型电力电子器件过程中实现，无需额外进行加工制造，工艺简单，成本低廉，易于制造。其中，全控型电力电子器件可以利用硅材料和碳化硅材料，这里不做限制。
在一实施例中，所述全控型电力电子器件为绝缘栅双极型晶体管器件或金属-氧化物半导体场效应晶体管器件。图2为本发明实施例中绝缘栅双极型晶体管器件的典型结构，图3为本发明实施例中金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的典型结构。其中，图1中107对应图2中的集电极，图1中的107对应图3中的漏极。
在一实施例中，在全控型电力电子器件为绝缘栅双极型晶体管器件时，所述全控型电力电子器件表面结发热处为绝缘栅双极型晶体管器件的门极与发射极之间，所述第一极为门极，所述第二极为发射极；
在全控型电力电子器件为金属-氧化物半导体场效应晶体管器件时，所述全控型电力电子器件表面结发热处为金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的栅极与源极之间，所述第一极为栅极，所述第二极为源极。
在一实施例中，所述铂温度传感器为重复S形结构。
具体实施时，重复S形结构为多个S形连接而成，图4为本发明实施例中铂温度传感器的重复S形结构的示意图。重复S形结构的铂温度传感器为通过金属溅射工艺在全控型电力电子器件表面制造形成的重复S形的铂金属薄膜结构。设计为重复S形结构可以在保证铂温度传感器的与全控型电力电子器件的接触面积的同时，增加传感器自身电阻值，有利于通过测量和计算铂温度传感器电阻值而精确测量全控型电力电子器件结温。
在一实施例中，所述铂温度传感器的铂金属薄膜厚度范围为[10纳米,1微米]。厚度范围选取主要考虑加工制造难度，铂金属薄膜太薄则铂温度传感器结构容易破损且电阻值过大不利于测量和计算温度，铂金属薄膜太厚则通过金属溅射工艺的制造成本过高且电阻值过小也不利于测量和计算温度。
在一实施例中，所述铂温度传感器的面积范围为[0.01平方毫米,1平方毫米]。面积范围选取主要考虑温度测量准确性，面积太小则铂金属传感接触面积过小准确性难以保证，面积太大则影响全控型电力电子器件本身电极布局进而影响器件性能。
本发明实施例还提供了一种集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法，应用于上述集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，如图5所示为本发明实施例中集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法的流程图，图6为本发明实施例中集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法的原理图，结合图5和图6，该方法包括：
步骤501，在铂温度传感器上施加设定数值的电流；
步骤502，测量流过铂温度传感器两端的电压，获得铂温度传感器两端电压测量值；
步骤503，根据铂温度传感器两端电压测量值，计算获得全控型电力电子器件工作时的结温值。
在一实施例中，采用如下公式，根据铂温度传感器两端电压测量值，计算获得全控型电力电子器件工作时的结温值：
Tj＝T0+(Uj-U0)/US (1)
其中，Tj为全控型电力电子器件工作时的结温值，T0为全控型电力电子器件的初始结温值，Uj为铂温度传感器两端电压测量值，U0为铂温度传感器两端电压的初始值，US为结温上升每单位数值时铂温度传感器电压增大数值。
下面给出两个具体实施例。
实施例一
本实施例提供一种集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的制造过程，以及结温测量方法，包括以下步骤：
第一步，通过微电子制造工艺技术，利用硅材料制造绝缘栅双极型晶体管器件(IGBT)；
第二步，在绝缘栅双极型晶体管器件的门极与发射极之间，通过金属溅射工艺技术制造出重复S形结构铂温度传感器，其中，铂温度传感器的铂金属薄膜厚度为10纳米，铂温度传感器的面积为0.01平方毫米；
第三步，在铂温度传感器上施加100微安培的正向电流，同时利用电压计测量铂温度传感器两端的电压，获得铂温度传感器两端电压测量值；
第四步，通过公式(1)根据铂温度传感器两端电压测量值，可以计算获得绝缘栅双极型晶体管器件(IGBT)工作时的结温值。
实施例二
本实施例提供一种集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的制造过程，以及结温测量方法，包括以下步骤：
第一步，通过微电子制造工艺技术，利用碳化硅材料制造金属-氧化物半导体场效应晶体管器件(MOSFET)；
第二步，在金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的栅极与源极之间，通过金属溅射工艺技术制造出重复S形结构的铂温度传感器，其中，铂温度传感器的铂金属薄膜厚度为1微米，铂温度传感器的面积为1平方毫米；
第三步，在铂温度传感器上施加1毫安培的正向电流，同时利用电压计测量铂温度传感器两端的电压，获得铂温度传感器两端电压测量值；
第四步，第四步，通过公式(1)根据铂温度传感器两端电压测量值，可以计算获得金属-氧化物半导体场效应晶体管器件(MOSFET)工作时的结温值。
综上所述，集成铂温度传感器的全控型电力电子器件包括：全控型电力电子器件、设于全控型电力电子器件表面结发热处的铂温度传感器，其中，所述铂温度传感器的第一电极连接点靠近全控型电力电子器件的第一极，所述铂温度传感器的第二电极连接点靠近全控型电力电子器件的第二极。在本发明实施例中，将铂温度传感器直接制造在全控型电力电子器件表面结发热处，从而可以直接测量全控型电力电子器件的结温值，且实时性好，准确度高。
本发明实施例可以达到以下有益效果：
(1)通过金属溅射工艺在全控型电力电子器件表面制造铂温度传感器，其工艺与制造全控型电力电子器件的工艺兼容，可在制造全控型电力电子器件过程中实现，无需额外进行加工制造，工艺简单，成本低廉，易于制造。
(2)将铂温度传感器直接制造在电力电子器件表面结发热处，计算获得的结温值实时准确。
(3)通过测量和计算铂温度传感器的电压值，得到全控型电力电子器件结温值，方法简单，测量和计算结果准确。
(4)在准确实时测量得到全控型电力电子器件的结温值基础上，可通过优化设计控制系统和冷却系统，降低设备系统制造成本。
本申请的实施例还提供一种计算机设备，图7为本发明实施例中计算机设备的示意图，该计算机设备能够实现上述实施例中的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法中全部步骤，所述计算机设备具体包括如下内容：
处理器(processor)701、存储器(memory)702、通信接口(CommunicationsInterface)703和通信总线704；
其中，所述处理器701、存储器702、通信接口703通过所述通信总线704完成相互间的通信；所述通信接口703用于实现服务器端设备、检测设备以及用户端设备等相关设备之间的信息传输；
所述处理器701用于调用所述存储器702中的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述实施例中的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法中的全部步骤。
本申请的实施例还提供一种计算机可读存储介质，能够实现上述实施例中的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法中全部步骤，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述实施例中的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法的全部步骤。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，其特征在于，包括：
全控型电力电子器件、设于全控型电力电子器件表面结发热处的铂温度传感器，其中，所述铂温度传感器的第一电极连接点靠近全控型电力电子器件的第一极，所述铂温度传感器的第二电极连接点靠近全控型电力电子器件的第二极。
2.如权利要求1所述的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，其特征在于，所述全控型电力电子器件为绝缘栅双极型晶体管器件或金属-氧化物半导体场效应晶体管器件。
3.如权利要求2所述的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，其特征在于，在全控型电力电子器件为绝缘栅双极型晶体管器件时，所述全控型电力电子器件表面结发热处为绝缘栅双极型晶体管器件的门极与发射极之间，所述第一极为门极，所述第二极为发射极；
在全控型电力电子器件为金属-氧化物半导体场效应晶体管器件时，所述全控型电力电子器件表面结发热处为金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的栅极与源极之间，所述第一极为栅极，所述第二极为源极。
4.如权利要求1所述的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，其特征在于，所述铂温度传感器是采用金属溅射工艺制造出的。
5.如权利要求1所述的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，其特征在于，所述铂温度传感器为重复S形结构。
6.如权利要求1所述的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，其特征在于，所述铂温度传感器的铂金属薄膜厚度范围为[10纳米,1微米]。
7.如权利要求1所述的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，其特征在于，所述铂温度传感器的面积范围为[0.01平方毫米,1平方毫米]。
8.一种集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法，其特征在于，应用于权利要求1至7任一项所述的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件，包括：
在铂温度传感器上施加设定数值的电流；
测量流过铂温度传感器两端的电压，获得铂温度传感器两端电压测量值；
根据铂温度传感器两端电压测量值，计算获得全控型电力电子器件工作时的结温值。
9.如权利要求8所述的集成铂温度传感器的全控型电力电子器件的结温测量方法，其特征在于，采用如下公式，根据铂温度传感器两端电压测量值，计算获得全控型电力电子器件工作时的结温值：
Tj＝T0+(Uj-U0)/US
其中，Tj为全控型电力电子器件工作时的结温值，T0为全控型电力电子器件的初始结温值，Uj为铂温度传感器两端电压测量值，U0为铂温度传感器两端电压的初始值，US为结温上升每单位数值时铂温度传感器电压增大数值。
10.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8至9任一项所述方法。
11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有执行权利要求8至9任一项所述方法的计算机程序。
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