CN112327130A - 一种开关管工作结温实时测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种开关管工作结温实时测量装置及方法，所述开关管工作结温实时测量装置包括米勒时延测量模块，所述米勒时延测量模块包括微分电路、比较器电路、矩形脉冲时间间隔测量模块。本发明通过微分电路在开关管进入和离开米勒平台时分别输出一个尖脉冲波，然后通过比较器电路将所述尖脉冲波转换为两个与尖脉冲波同时刻的矩形脉冲信号输出至矩形脉冲时间间隔测量模块，矩形脉冲时间间隔测量模块根据获取的两个所述矩形脉冲信号计算出米勒平台时延并发送至结温转换及控制模块，结温转换及控制模块根据开关管的米勒平台时延获取开关管结温，可以在不影响开关管的正常工作的前提下，对开关管的结温进行快速、准确的测量。

Description

一种开关管工作结温实时测量装置及方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种开关管工作结温实时测量装置及方法。

背景技术

开关管是电子电路中常用的电子元件，在各个领域应用极广，例如三极管、MOS管、IGBT等，随着应用行业的快速发展，对开关管提出了大功率和耐高温环境的要求，然而器件的工作结温越高，其失效率越大，因此温度控制和热管理越来越受关注；另外准确结温的估计对开关管的健康状态和寿命评估也具有重要意义；在开关管出现故障失效时，很大一部分是由于热击穿所导致，所以过热保护也需要准确结温的估计。

因此，在不影响开关管的正常工作的前提下，对开关管的结温进行快速、准确的测量极为重要。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足之处而提供一种开关管工作结温实时测量装置及方法, 在不影响开关管的正常工作的前提下，对开关管的结温进行快速、准确的测量。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

第一方面，本发明提供了一种开关管工作结温实时测量装置，包括开关管驱动模块、被测开关管模块、米勒时延测量模块和结温转换及控制模块，所述结温转换及控制模块的输出端连接所述开关管驱动模块的控制端，所述开关管驱动模块的输出端连接所述被测开关管模块的控制端，所述米勒时延测量模块包括微分电路、比较器电路、矩形脉冲时间间隔测量模块，所述微分电路的输入端连接所述被测开关管模块的输出端，所述微分电路的输出端连接所述比较器电路的反向输入端，所述比较器电路的输出端连接所述矩形脉冲时间间隔测量模块的输入端，所述矩形脉冲时间间隔测量模块的输出端连接所述结温转换及控制模块的输入端。

进一步地，所述被测开关管模块中包括一个或多个开关管，所述微分电路的输入端分别连接所述开关管的控制端和输出端。

进一步地，所述米勒时延测量模块还包括滤波电路、参考电压设定电路和限压电路，所述滤波电路的输入端连接所述微分电路的输出端，所述滤波电路的输出单连接所述比较器电路的反向输入端，所述参考电压设定电路的输出端连接所述比较器电路的同向输入端，所述限压电路的输入端连接所述比较器电路的输出端，所述限压电路的输出端连接所述矩形脉冲时间间隔测量模块的输入端。

进一步地，所述矩形脉冲时间间隔测量模块包括时间测量单元、编码预处理单元、编码单元和数据处理单元，所述时间测量单元的一个输入端连接所述比较器电路的输出端，所述时间测量单元的输出端连接所述编码预处理单元的输入端，所述编码预处理单元的输出端连接所述数据处理单元的输入端，所述数据处理单元的输出端连接所述结温转换及控制模块的输入端。

进一步地，所述开关管具体为IGBT、MOSFET、三极管中的任意一种。

进一步地，所述结温转换及控制模块包括有控制芯片，所述时间测量单元的另一个输入端连接所述控制芯片。

进一步地，所述时间测量单元包括多个串联的延时二极管、与延时二极管数量对应的触发器、粗计数器，每个延时二极管的阳极分别连接对应的触发器的触发端，第一个延时二极管的阳极还连接所述比较器电路的输出端和所述粗计数器的输入端，所述粗计数器的输出端连接所述数据处理单元，所有所述触发器的输入端连接所述结温转换及控制模块。

第二方面，本发明还提供一种开关管工作结温实时测量方法，所述开关管工作结温实时测量方法应用于第一方面所述的开关管工作结温实时测量装置。

进一步地，所述开关管工作结温实时测量方法包括以下步骤：获取开关管的米勒平台时延，根据开关管的米勒平台时延通过公式（1）计算开关管结温：

t_m＝0.707Tj+843.9 （1）

其中，t_m为门极米勒平台时延，Tj为开关管结温。

进一步地，所述获取开关管的米勒平台时延具体包括以下步骤：

通过微分电路在开关管进入和离开米勒平台时分别输出一个尖脉冲波；

比较器电路将所述尖脉冲波转换为两个与尖脉冲波同时刻的矩形脉冲信号；

矩形脉冲时间间隔测量模块根据获取的两个所述矩形脉冲信号的时间差计算出米勒平台时延。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种开关管工作结温实时测量装置及方法，通过微分电路在开关管进入和离开米勒平台时分别输出一个尖脉冲波，然后通过比较器电路将所述尖脉冲波转换为两个与尖脉冲波同时刻的矩形脉冲信号输出至矩形脉冲时间间隔测量模块，矩形脉冲时间间隔测量模块根据获取的两个所述矩形脉冲信号计算出米勒平台时延并发送至结温转换及控制模块，结温转换及控制模块根据开关管的米勒平台时延获取开关管结温，可以在不影响开关管的正常工作的前提下，对开关管的结温进行快速、准确的测量。

附图说明

利用附图对发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制，对于本领域的普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据以下附图获得其它的附图。

图1是本发明的一种开关管工作结温实时测量装置的控制结构框图。

图2是本发明的一种开关管工作结温实时测量装置的结构示意图。

图3是本发明的一种开关管工作结温实时测量装置的IGBT的开通过程暂态波形示意图。

其中，附图标记如下：1.开关管驱动模块，2.被测开关管模块，3.米勒时延测量模块，4.结温转换及控制模块，31.微分电路，32.滤波电路，33.比较器电路，34.限压电路，35.矩形脉冲时间间隔测量模块，36. 参考电压设定电路。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

实施例1，一种开关管工作结温实时测量装置。

如附图1和附图2所示，本实施例的一种开关管工作结温实时测量装置，包括开关管驱动模块1、被测开关管模块2、米勒时延测量模块3和结温转换及控制模块4，结温转换及控制模块4的输出端连接开关管驱动模块1的控制端，开关管驱动模块1的输出端连接被测开关管模块2的控制端，米勒时延测量模块3包括微分电路31、比较器电路33、矩形脉冲时间间隔测量模块35、滤波电路32、参考电压设定电路36和限压电路34，微分电路31的输入端连接被测开关管模块2的输出端，微分电路31的输出端连接比较器电路33的反向输入端，比较器电路33的输出端连接矩形脉冲时间间隔测量模块35的输入端，矩形脉冲时间间隔测量模块35的输出端连接结温转换及控制模块4的输入端，滤波电路32的输入端连接微分电路31的输出端，滤波电路32的输出单连接比较器电路33的反向输入端，参考电压设定电路36的输出端连接比较器电路33的同向输入端，限压电路34的输入端连接比较器电路33的输出端，限压电路34的输出端连接矩形脉冲时间间隔测量模块35的输入端。

在本实施例中，开关管具体为IGBT、MOSFET、三极管中的任意一种，本实施例以IGBT为例进行说明。

如附图3所示，IGBT的开通过程中，IGBT的控制端G极和输出端E极之间的电压为V_GE，在t0-t1时间段，V_GE处于上升阶段，V_GE电压值增大，在t1-t2时间段，V_GE处于米勒平台阶段，V_GE电压值不变，在t2-t3时间段，V_GE处于上升阶段，V_GE电压值增大。

本实施例中，微分电路31包括电容C1和电阻R1，电容C1的一端连接IGBT的G极，电容C1的另一端连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接IGBT的E极和信号地，微分电路31用于将IGBT的米勒平台前后的两个上升沿信号提取出来，以尖脉冲波的形式输出，使IGBT进入和离开米勒平台时的信号突出，便于后续电路获取并对其进行处理。

滤波电路32包括电容C2、电容C3、电阻R2和电阻R3，电阻R2的一端连接电阻R3的一端且它们的公共端连接电阻R1和电容C1的公共端，电阻R2的另一端连接电容C2的一端，电容C2的另一端连接信号地，电阻R3的另一端连接电容C3的一端，电容C3的另一端连接信号地，电容C2、电容C3、电阻R2和电阻R3构成两组LC滤波电路32，用于过滤微分电路31输出的尖脉冲波中的杂波，避免干扰信号。

参考电压设定电路36包括电源VCC和可调电阻R4，电源VCC连接可调电阻R4的输入端，可调电阻R4的输出端接地，可调电阻R4的调节端连接比较器电路33，由分压原理可知，当可调电阻R4的电阻调节器向接地端移动时，参考电压设定电路36输出给比较器电路33的电压值就会降低，当可调电阻R4的电阻调节器向电源VCC移动时，参考电压设定电路36输出给比较器电路33的电压值就会升高，通过移动电阻调节器，可以改变输出至比较器电路33的电压值。

比较器电路33包括比较器U1、电阻R5和可调电阻R6，电阻R5的一端连接可调电阻R4的调节端，电阻R5的另一端连接比较器U1的同向输入端、可调电阻R6的一端和可调电阻R6的调节端，比较器U1的同向输入端连接电阻R3和电容C3的公共端，比较器U1的同向输入端的参考电压值由参考电压设定电路36输出，比较器U1的反向输入端的电压值由微分电路31经过滤波后输入，比较器电路33可以将微分电路31输出的两个尖脉冲波转换为与尖脉冲波同时刻的两个矩形脉冲信号。

限压电路34包括一个稳压二极管D1，稳压二极管D1的正极接地，负极连接比较器U1的输出端，稳压二极管D1将比较器U1生成的矩形脉冲信号的幅值限制在一定范围内，避免电压太大损坏后级电路。

矩形脉冲时间间隔测量模块35包括时间测量单元、编码预处理单元、编码单元和数据处理单元，时间测量单元的输入端连接比较器电路33的输出端，时间测量单元的输出端连接编码预处理单元的输入端，编码预处理单元的输出端连接数据处理单元的输入端，数据处理单元的输出端连接结温转换及控制模块4的输入端。

结温转换及控制模块4包括有控制芯片，控制芯片可以为MCU、FPGA、DSP、CPU等任意具有逻辑控制功能的芯片中的一种，本实施例中的控制芯片以FPGA芯片为例进行说明，FPGA芯片的一路时钟信号输出端口连接时间测量单元。

其中，时间测量单元包括多个串联的延时二极管、与延时二极管数量对应的触发器、粗计数器，每个延时二极管的阳极分别连接对应的触发器的触发端，第一个延时二极管的阳极还连接稳压二极管D1和比较器U1输出端的公共端，稳压二极管D1和比较器U1输出端的公共端还连接一个粗计数器的输入端，粗计数器的输出端连接数据处理单元，触发器的输入端连接FPGA芯片的时钟信号输出端，时间测量单元利用时基信号对门限电平进行计数；编码预处理单元和编码单元将细时间测量单元得到的延迟链抽头信号码值进行处理，将其转换为二进制码；数据处理单元对时间测量得到的二进制码进行计算处理得到米勒平台时延。

数据处理单元获取到IGBT的米勒平台时延后，将其以二级制数据的形式发送给FPGA芯片，FPGA芯片根据以下公式（1）计算得到IGBT结温：

tm＝0.707Tj+843.9 （1）

其中，tm为门极米勒平台时延，Tj为开关管结温。

本实施例的工作原理：本实施例的一种IGBT工作结温实时测量装置，通过微分电路31在IGBT进入和离开米勒平台时分别输出一个尖脉冲波，进过滤波电路32滤波后将两个尖脉冲波发送至比较器电路33，比较器电路33将尖脉冲波转换为两个与尖脉冲波同时刻的矩形脉冲信号，经过限压电路34限压后将两个矩形脉冲信号发送个矩形脉冲时间间隔测量模块35，矩形脉冲时间间隔测量模块35根据获取的两个矩形脉冲信号计算出米勒平台时延，并将IGBT的米勒平台时延发送给FPGA芯片，FPGA芯片根据IGBT的米勒平台时延计算得到IGBT结温。

本实施例的可以在不影响开关管的正常工作的前提下，对开关管的结温进行快速、准确的测量，避免IGBT等开关管因受到热冲击而损坏。

实施例2，一种开关管工作结温实时测量方法。

本实施例提供了一种开关管工作结温实时测量方法，开关管工作结温实时测量方法应用于实施例1所述的开关管工作结温实时测量装置，包括以下步骤：获取开关管的米勒平台时延，根据开关管的米勒平台时延通过公式（1）计算开关管结温：

t_m＝0.707Tj+843.9 （1）

其中，t_m为门极米勒平台时延，Tj为开关管结温。

其中，获取开关管的米勒平台时延具体包括以下步骤：

通过微分电路31在开关管进入和离开米勒平台时分别输出一个尖脉冲波；

比较器电路33将尖脉冲波转换为两个与尖脉冲波同时刻的矩形脉冲信号；

矩形脉冲时间间隔测量模块35根据获取的两个矩形脉冲信号的时间差计算出米勒平台时延。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细地说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (10)

1.一种开关管工作结温实时测量装置，包括开关管驱动模块、被测开关管模块、米勒时延测量模块和结温转换及控制模块，所述结温转换及控制模块的输出端连接所述开关管驱动模块的控制端，所述开关管驱动模块的输出端连接所述被测开关管模块的控制端，其特征在于，所述米勒时延测量模块包括微分电路、比较器电路、矩形脉冲时间间隔测量模块，所述微分电路的输入端连接所述被测开关管模块的输出端，所述微分电路的输出端连接所述比较器电路的反向输入端，所述比较器电路的输出端连接所述矩形脉冲时间间隔测量模块的输入端，所述矩形脉冲时间间隔测量模块的输出端连接所述结温转换及控制模块的输入端。

2.如权利要求1所述的一种开关管工作结温实时测量装置，其特征在于，所述被测开关管模块中包括一个或多个开关管，所述微分电路的输入端分别连接所述开关管的控制端和输出端。

3.如权利要求1所述的一种开关管工作结温实时测量装置，其特征在于，所述米勒时延测量模块还包括滤波电路、参考电压设定电路和限压电路，所述滤波电路的输入端连接所述微分电路的输出端，所述滤波电路的输出单连接所述比较器电路的反向输入端，所述参考电压设定电路的输出端连接所述比较器电路的同向输入端，所述限压电路的输入端连接所述比较器电路的输出端，所述限压电路的输出端连接所述矩形脉冲时间间隔测量模块的输入端。

4.如权利要求1所述的一种开关管工作结温实时测量装置，其特征在于，所述矩形脉冲时间间隔测量模块包括时间测量单元、编码预处理单元、编码单元和数据处理单元，所述时间测量单元的一个输入端连接所述比较器电路的输出端，所述时间测量单元的输出端连接所述编码预处理单元的输入端，所述编码预处理单元的输出端连接所述数据处理单元的输入端，所述数据处理单元的输出端连接所述结温转换及控制模块的输入端。

5.如权利要求2所述的一种开关管工作结温实时测量装置，其特征在于，所述开关管具体为IGBT、MOSFET、三极管中的任意一种。

6.如权利要求4所述的一种开关管工作结温实时测量装置，其特征在于，所述结温转换及控制模块包括有控制芯片，所述时间测量单元的另一个输入端连接所述控制芯片。

7.如权利要求4所述的一种开关管工作结温实时测量装置，其特征在于，所述时间测量单元包括多个串联的延时二极管、与延时二极管数量对应的触发器、粗计数器，每个延时二极管的阳极分别连接对应的触发器的触发端，第一个延时二极管的阳极还连接所述比较器电路的输出端和所述粗计数器的输入端，所述粗计数器的输出端连接所述数据处理单元，所有所述触发器的输入端连接所述结温转换及控制模块。

8.一种开关管工作结温实时测量方法，其特征在于，所述开关管工作结温实时测量方法应用于权利要求1至7任意一项所述的开关管工作结温实时测量装置。

9.如权利要求8所述的一种开关管工作结温实时测量方法，其特征在于，包括以下步骤：获取开关管的米勒平台时延，根据开关管的米勒平台时延通过公式（1）计算开关管结温：

t_m＝0.707Tj+843.9 （1）

其中，t_m为门极米勒平台时延，Tj为开关管结温。

10.如权利要求9所述的一种开关管工作结温实时测量方法，其特征在于，所述获取开关管的米勒平台时延具体包括以下步骤：

通过微分电路在开关管进入和离开米勒平台时分别输出一个尖脉冲波；

比较器电路将所述尖脉冲波转换为两个与尖脉冲波同时刻的矩形脉冲信号；

矩形脉冲时间间隔测量模块根据获取的两个所述矩形脉冲信号的时间差计算出米勒平台时延。

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