CN112491250A - 一种估算igbt开关转换时间的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种估算IGBT开关转换时间的方法，其包括以下步骤：S1、连续采样IGBT集电极和发射极之间的电压，并检测开关转换；S2、统计开关转换过程中采集的样本数量；S3、统计开关转换的次数；S4、估算IGBT的开关转换时间。本发明利用常规电压测量方法和较低的采样率来估算开关转换时间，这种方法降低了采样对硬件和软件的要求，方法简单，实用性强，提高了对于功率器件开关转换时间分析的准确性。

Description

一种估算IGBT开关转换时间的方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种估算IGBT开关转换时间的方法。

背景技术

功率变换器是现代电力电子系统的重要组成部分，而基于绝缘栅双极型晶体管(Insulate Gate Bipolar Transistor，IGBT)的功率模块是变换器故障的主要来源，变换器的状态监测方法对降低运行成本有着重要的意义。通过监测功率模块和相关的门驱动器的运行参数的变化，可以预测功率模块出现的故障。在现有的技术中，已经提出了几种基于温敏电参数的监测方法，其中开关转换时间作为温敏电参数之一，能很好的应用于IGBT的状态监测。但是，开关转换时间往往较短，需要较高的采样率。

为了降低实时采样率，可采用一些等效时间采样方法，如随机等效时间采样，随机交错抽样，顺序等效时间采样等方法，但这些方法需要一个与输入信号同步的显式触发器和精确的定时电路来跟踪触发点和采样点之间的时间差，此外，该方法还要求被采样的波形按顺序重复，所以这种方法的使用条件较高，且硬件成本也较高。压缩感知已被证明能够有效地重建严重不足的采样数据从而降低采样率，该方法也被运用到IGBT的状态监测等应用中。典型的压缩感知方法是将采样数据从时域的一个基变换到频域的一个基，如傅里叶基或小波基。但由于采样间隔可能接近甚至超过IGBT器件的开关转换时间，因此可能无法获取嵌入在开关转换过程中的信号频率信息，使得该方法不合适运用在开关转换时间小于采样间隔时间的场合，且压缩感知方法需要复杂的数学计算，软件成本较高。

发明内容

本发明提出了一种估算IGBT开关转换时间的方法。这种方法利用常规电压测量方法和较低的采样率(与信号的上升时间相比)来估算IGBT的开关转换时间，与现有的技术相比，本发明降低了采样对硬件和软件的要求。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种估算IGBT开关转换时间的方法，其包括以下步骤：

S1、连续采样IGBT集电极和发射极之间的电压，并检测开关转换；

S2、统计开关转换过程中采集的样本数量；

S3、统计开关转换的次数；

S4、估算IGBT的开关转换时间。

进一步地，步骤S1的具体方法为：

采样间隔根据变换器的开关频率任意选择，且不与变换器的PWM电压频率同步，采样间隔确定后保持固定不变；当连续采样的Vce从低值转变到高值(或从高值转变到低值)时，即为检测到一次开关转换。

进一步地，步骤S2的具体方法为：

将处于开关转换时间内的采样样本记为正，令Vce最大值与最小值之差为ΔV。若采样的IGBT集电极和发射极之间Vce的电压处于低值，即小于Vce最小值和最大值之和的一半，当检测到采样点的电压变化大于ΔV的20％时，开始计数正样本的数量，当检测到采样点的电压大于Vce最大值的80％时，停止计数；若采样的IGBT集电极和发射极之间Vce的电压处于高值，即大于Vce最小值和最大值之和的一半，当检测到采样点的电压变化大于ΔV的20％时，开始计数正样本的数量，当检测到采样点的电压小于Vce最小值的120％时，停止计数。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

当所述步骤S2停止计数时，增加一次开关转换次数。

进一步地，步骤S4的具体方法为：

将统计的所有开关转换过程中的正样本数量求和后与采样周期相乘，再除以统计的开关转换次数，得到估算的开关转换时间，当检测到的开关转换次数越大时，通过本方法估算的开关转换时间越接近实际的开关转换时间。

本发明的有益效果为：本发明只需要计算开关转换时间，不需要使用算法重构输入信号的波形，由于计算方案只需要更新计数器值，所以不需要存储原始样本值。该方法利用常规电压测量方法和较低的采样率(与信号的上升时间相比)来估算开关转换时间。估算开关转换时间的准确性通过检测到的开关转换次数而提高。本发明相比于现有的技术，降低了采样对硬件和软件的要求，方法更简单，实用性更强。

附图说明

图1为本方法的流程示意图。

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，该估算IGBT开关转换时间的方法包括以下步骤：

S1、连续采样IGBT集电极和发射极之间的电压，并检测开关转换；

S2、统计开关转换过程中采集的样本数量；

S3、统计开关转换的次数；

S4、估算IGBT的开关转换时间。

步骤S1的具体方法为：

采样间隔根据变换器的开关频率任意选择，且不与变换器的PWM电压频率同步，采样间隔确定后保持固定不变；当连续采样的Vce从低值转变到高值(或从高值转变到低值)时，即为检测到一次开关转换。

步骤S2的具体方法为：

将处于开关转换时间内的采样样本记为正，令Vce最大值与最小值之差为ΔV。若采样的IGBT集电极和发射极之间Vce的电压处于低值，即小于Vce最小值和最大值之和的一半，当检测到采样点的电压变化大于ΔV的20％时，开始计数正样本的数量，当检测到采样点的电压大于Vce最大值的80％时，停止计数；若采样的IGBT集电极和发射极之间Vce的电压处于高值，即大于Vce最小值和最大值之和的一半，当检测到采样点的电压变化大于ΔV的20％时，开始计数正样本的数量，当检测到采样点的电压小于Vce最小值的120％时，停止计数。

步骤S3的具体方法为：

当所述步骤S2停止计数时，增加一次开关转换次数。

步骤S4的具体方法为：

将统计的所有开关转换过程中的正样本数量求和后与采样周期相乘，再除以统计的开关转换次数，得到估算的开关转换时间，当检测到的开关转换次数越大时，通过本方法估算的开关转换时间越接近实际的开关转换时间。

在具体实施过程中，对电力电子系统中某一IGBT器件进行开关转换时间计算时，连续采集目标IGBT的集电极和发射极之间的电压，不断更新计数器值，通过方法估算开关转换时间。该方法利用常规电压测量方法和较低的采样率(与信号的上升时间相比)来估算开关转换时间。通过对变换器监测单元现场数据和综合生成数据的测试，当采样时长为1小时，采样周期为1.88微秒，变换器开关频率为1250Hz时，估算平均误差小于1.1ns，验证了该方法的有效性，其估算开关转换时间的准确性可通过检测到的转换次数增多而进一步提高。

综上所述，本发明提出了一种估算IGBT开关转换时间的方法。所提出的方法的简单性将使成本效益高的变换器监测解决方案成为可能，这是在现场大规模实施的一项重要条件。本发明相比于现有的技术，降低了采样对硬件和软件的要求，提高了对于功率器件开关转换时间分析的准确性。

Claims (5)

1.一种估算IGBT开关转换时间的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、连续采样IGBT集电极和发射极之间的电压Vce，并检测开关转换；

S2、统计开关转换过程中采集的样本数量；

S3、统计开关转换的次数；

S4、估算IGBT的开关转换时间。

2.根据权利要求1所述的估算IGBT开关转换时间的方法，其特征在于，所述步骤S1的具体方法为：

采样间隔根据变换器的开关频率任意选择，且不与变换器的PWM电压频率同步，采样间隔确定后保持固定不变；当连续采样的Vce从低值转变到高值(或从高值转变到低值)时，即为检测到一次开关转换。

3.根据权利要求1所述的估算IGBT开关转换时间的方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法为：

将处于开关转换时间内的采样样本记为正，令Vce最大值与最小值之差为ΔV。若采样的IGBT集电极和发射极之间Vce的电压处于低值，即小于Vce最小值和最大值之和的一半，当检测到采样点的电压变化大于ΔV的20％时，开始计数正样本的数量，当检测到采样点的电压大于Vce最大值的80％时，停止计数；若采样的IGBT集电极和发射极之间Vce的电压处于高值，即大于Vce最小值和最大值之和的一半，当检测到采样点的电压变化大于ΔV的20％时，开始计数正样本的数量，当检测到采样点的电压小于Vce最小值的120％时，停止计数。

4.根据权利要求1所述的估算IGBT开关转换时间的方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：

当所述步骤S2停止计数时，增加一次开关转换次数。

5.根据权利要求1所述的估算IGBT开关转换时间的方法，其特征在于，所述步骤S4的具体方法为：

将统计的所有开关转换过程中的正样本数量求和后与采样周期相乘，再除以统计的开关转换次数，得到估算的开关转换时间，当检测到的开关转换次数越大时，通过本方法估算的开关转换时间越接近实际的开关转换时间。

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