CN113030682A - 一种高精度结温在线监测方法和系统 - Google Patents

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Abstract

一种高精度结温在线监测方法和系统，高精度结温在线监测系统包括：结温标定模块，结温标定模块包括第一电压采样单元和第一电流采样单元；数据拟合模块；工作采样模块，工作采样模块包括第二电压采样单元和第二电流采样单元，第二电压采样单元适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降，第二电流采样单元适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通电流；第一电压采样单元和第二电压采样单元均包括：第一级运放单元；与第一级运放单元电学连接的调幅单元，调幅单元包括减法器和比例放大器，减法器的输出端与比例放大器的输入端连接；测试结温获取单元。所述结温在线监测系统兼顾了高的测试精度和低的测试成本。

Description

一种高精度结温在线监测方法和系统
技术领域
本发明涉及功率半导体器件测试领域，具体涉及一种高精度结温在线监测方法和系统。
背景技术
结温是表征功率半导体器件工作状态和健康状态的重要参数。而功率半导体器件中的芯片被封装在模块内部，且工作在高压大电流环境，因此芯片的结温无法直接测得。因而对功率半导体器件在工作状态下的结温在线监测颇具难度，也是目前研究的热点。
传统对功率半导体芯片结温的检测方法主要是基于SiIGBT的研究，包括物理接触法，光学测量法、模型预测法和热敏感电参数法(Thermal Sensitive Electrical Parameters，TSEPs)提取法四大类。热敏感电参数法将芯片本身作为温度传感器，通过测量温度敏感电参数的变化来反映芯片平均结温的变化，可以实现对被测功率模块无侵入的测量，理论上是最适合做结温在线监测的方法。
热敏感电参数法根据不同的敏感参数分为许多类型。其中应用大电流情况下的导通压降对结温进行测量的方法，对测量时序要求不高，不影响控制器原有的控制算法，硬件侵入性底，目前在实验室层面已经开展了广泛的研究。
然而，目前应用大电流情况下的导通压降对结温进行测量的方法，无法兼顾高的测试精度和低的测试成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中无法兼顾高的测试精度和低的测试成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种高精度结温在线监测系统，包括：结温标定模块，所述结温标定模块包括第一电压采样单元和第一电流采样单元，所述结温标定模块适于在结温标定过程中对待测的主功率开关管正向注入电流，并获取待测的主功率开关管在离线状态下的第一导通饱和压降和第一导通电流与待测的主功率开关管的结温之间的映射关系；数据拟合模块，所述数据拟合模块适于对所述映射关系中数据进行拟合以获取特征函数关系，所述特征函数关系以第一导通饱和压降和第一导通电流为自变量，以待测的主功率开关管的结温为因变量；工作采样模块，所述工作采样模块包括第二电压采样单元和第二电流采样单元，所述第二电压采样单元适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降，所述第二电流采样单元适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通电流；所述第一电压采样单元和第二电压采样单元均包括：与待测的主功率开关管连接的第一级运放单元；与所述第一级运放单元电学连接的调幅单元，所述调幅单元包括减法器和比例放大器，所述减法器的输出端与所述比例放大器的输入端连接；测试结温获取单元，所述测试结温获取单元适于获取第二导通饱和压降和第二导通电流在所述特征函数关系中对应的结温数值。
可选的，所述结温标定模块适于在结温标定过程中对待测的主功率开关管正向注入的电流为5mA－200mA。
可选的，所述减法器具有参考电压端，所述参考电压端的电压可调，所述减法器的输出端的电压等于所述减法器的输入端的电压减去所述参考电压端的电压。
可选的，所述第一电压采样单元和第二电压采样单元还均包括：第一低通滤波器，所述第一低通滤波器的输入端与所述第一级运放单元的输出端连接，所述第一低通滤波器的输出端与所述减法器的输入端连接。
可选的，所述第一级运放单元包括第一电流电压转换运放器、偏置电流源、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第一电阻和第二电阻，所述第一电流电压转换运放器的正极输入端连接第七二极管的正向连接端、第八二极管的负向连接端、第九二极管的正向连接端；第八二极管的正向连接端连接第九二极管的负向连接端、第一电阻的一端以及偏置电流源，第一电阻的另一端连接第一电流电压转换运放器的负极输入端、以及第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接第一电流电压转换运放器的输出端，第七二极管的负向连接端作为第一级运放单元的输入端，第一电流电压转换运放器的输出端作为第一级运放单元的输出端。
可选的，所述第一电阻的阻值等于第二电阻的阻值。
可选的，所述第八二极管的导通压降和所述第七二极管的导通压降相等。
可选的，第八二极管和第七二极管之间的距离小于或等于10mm。
可选的，所述第一电压采样单元和第二电压采样单元还均包括：模拟信号隔离单元，所述模拟信号隔离单元的输入端与所述比例放大器的输出端连接。
可选的，所述第一电压采样单元和第二电压采样单元还均包括：与所述第一级运放单元连接的电流泄放单元，所述电流泄放单元适于在待测的主功率开关管关断时泄放所述第一级运放单元中的电流。
可选的，所述电流泄放单元包括MOS晶体管。
可选的，所述第一电流采样单元和所述第二电流采样单元为同一电流采样单元。
可选的，所述待测的主功率开关管为电力设备模块的工作元件，所述电力设备模块包括变流器电路单元、电流采样内部模块和主控制模块，所述变流器电路单元包括若干主功率开关管，所述电流采样内部模块的输出端适于连接所述主控制模块的输入端，所述主控制模块的输出端适于给变流器电路单元中的各主功率开关管提供工作时序；所述第一电流采样单元和所述第二电流采样单元均采用所述电流采样内部模块构成。
本发明还提供一种高精度结温在线监测方法，采用本发明的结温在线监测系统，包括：采用所述结温标定模块对待测的主功率开关管正向注入电流，并获取待测的主功率开关管在离线状态下的第一导通饱和压降与第一导通电流和待测的主功率开关管的结温之间的映射关系；采用数据拟合模块对所述映射关系中数据进行拟合以获取特征函数关系，所述特征函数关系以第一导通饱和压降和第一导通电流为自变量，以待测的主功率开关管的结温为因变量；采用所述工作采样模块在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降和第二导通电流；采用所述测试结温获取单元获取第二导通饱和压降和第二导通电流在所述特征函数关系中对应的结温数值。
可选的，所述待测的主功率开关管为电力设备模块的工作元件，所述电力设备模块包括变流器电路单元、电流采样内部模块和主控制模块，所述变流器电路单元包括若干主功率开关管，所述电流采样内部模块的输入端电学连接变流器电路单元，所述电流采样内部模块的输出端适于连接所述主控制模块的输入端，所述主控制模块的输出端适于给变流器电路单元中的各主功率开关管提供工作时序；所述第一电流采样单元和所述第二电流采样单元均采用所述电流采样内部模块构成；第一导通电流和第二导通电流均采用所述电流采样内部模块测试获取。
可选的，所述电流采样内部模块在第一特征时段为所述主控制模块采样电流，所述电流采样内部模块在第二特征时段采样第二导通电流；所述第一特征时段和所述第二特征时段相互间隔。
可选的，变流器电路单元包括若干个半桥，每个半桥由两个串联的主功率开关管构成；至少在一个半桥中，一个主功率开关管作为待测的主功率开关管时，另一个主功率开关管作为待测的主功率开关管的对管；当电力设备模块处于工作状态时，所述待测的主功率开关管的对管上施加交替的第一高电平和第一低电平；所述第一特征时段具有第一起始时刻，第一起始时刻选择任意第一高电平对应的时间段的中间时刻。
可选的，当电力设备模块处于工作状态时，待测的主功率开关管上施加交替的第二高电平和第二低电平；所述第二特征时段具有第二起始时刻，第二起始时刻选择任意第二高电平对应的时间段的中间时刻。
本发明的技术方案具有以下有益效果：
本发明技术方案提供的高精度结温在线监测方法，采用所述结温标定模块对待测的主功率开关管正向注入电流，并获取待测的主功率开关管在离线状态下的第一导通饱和压降和第一导通电流与待测的主功率开关管的结温之间的映射关系。采用所述工作采样模块在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降和第二导通电流。结温标定模块中的第一电压采样单元测试获取第一导通饱和压降。工作采样模块中的第二电压采样单元测试获取第二导通饱和压降。由于所述第一电压采样单元和第二电压采样单元均包括：与待测的主功率开关管连接的第一级运放单元；与所述第一级运放单元电学连接的调幅单元，所述调幅单元包括减法器和比例放大器，所述减法器的输出端与所述比例放大器的输入端连接。这样无论在结温标定过程中还是在线采样的过程中，都能采用减法器去除无效范围数据，再通过比例放大器将减法器输出的数据放大，这样使得在所述映射关系中第一电压采样单元采样的第一导通饱和压降对结温的分辨率得到提高。第二导通饱和压降采用第二电压采样单元测试获取，而第二电压采样单元和第一电压采样单元具有相同的结构。由于所述映射关系中第一电压采样单元采样的第一导通饱和压降对结温的分辨率得到提高，因此采用所述测试结温获取单元获取第二导通饱和压降和第二导通电流在所述特征函数关系中对应的结温数值后，测试结温获取单元获取到的结温的精度得到提高。且本方案中无需依赖高精度的测试电压测试仪器，因此使得测试成本得到降低。综上，本方案兼顾了高的测试精度和低的测试成本。
进一步，所述第一电流采样单元和所述第二电流采样单元为同一电流采样单元。在结温标定过程中测试的第一导通电流带入确定误差，且在在线采样过程中测试的第二导通电流也带入了确定误差，这样第二导通电流中的确定误差对第一导通电流中的确定误差进行了抵消，使得电流测试的精度提高，进而使得测试结温获取单元最终获取结温数值的精度得到提高。
进一步，所述第一电流采样单元和所述第二电流采样单元均采用所述电流采样内部模块构成。本方案中利用了电力设备模块中自身具有的电流采样内部模块作为第一电流采样单元和所述第二电流采样单元，也就是说在结温标定过程中利用电流采样内部模块测试获取第一导通电流，在线采样过程中利用电流采样内部模块测试获取第二导通电流。这样就需要额外设置用于采样电流的模块，因此降低了成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
图1为现有技术中结温标定的不同导通电流下的Tj和VCE之间的关系曲；
图2为典型的三相桥式变流器；
图3为本发明一实施例提供的一种高精度结温在线监测系统的示意图；
图4为本发明一实施例提供的结温标定模块的示意图；
图5为本发明一实施例提供的工作采样模块的示意图；
图6为本发明一实施例提供的一种电力设备模块和第二电压采样单元的示意图；
图7为本发明一实施例提供的第二电压采样单元在线采样的示意图；
图8为本发明一实施例提供的第二电流采样单元在线采样的示意图；
图9为本发明一实施例提供的结温标定模块对待侧的主功率开关管进行结温标定过程的示意图；
图10为本发明一实施例提供的高精度结温在线监测方法的流程图；
图11为本发明一实施例提供的电流采样内部模块在线进行采样的时序图。
具体实施方式
正如背景技术所述，现有技术无法兼顾高的测试精度和低的测试成本。
大电流导通压降法目前的研究基本上限于理论层次，认为在一定电流下，导通压降与结温呈现单调相关性，通过实验室阶段的原理模型，证明通过对于特定条件下的导通电流和导通压降测量，可以实现结温的映射计算。Tj＝f(VCE，I)，其中，Tj为结温，VCE为导通压降，I为导通电流。
应用导通压降法测量结温，在工程实际应用中存在以下诸多问题。对于大部分功率器件(以下为论述方便，应用IGBT举例，为表述直观，选取一款1700V/1000A IG BT功率模块举例，Tj和VCE、I的映射关系如图1所示。不同的线条代表导通电流不同下的Tj和VCE之间的关系曲线。图1中不同的线示出不同的导通电流，导通电流在6.25mA时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为－2.77mV/℃，导通电流在100A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为－0.90mV/℃，导通电流在200A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为－0.15mV/℃，导通电流在300A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为0.56mV/℃，导通电流在400A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为1.07mV/℃，导通电流在500A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为1.62mV/℃，导通电流在600A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为2.10mV/℃，导通电流在700A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为2.59mV/℃，导通电流在800A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为3.09mV/℃，导通电流在900A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为3.54mV/℃，导通电流在1000A时导通压降VCE对于结温Tj的分辨率为4.02mV/℃。
由图1可以看出，导通压降VCE对于结温Tj的分辨率并不高，因此对电压采样精度要求高，并且导通压降VCE受导通电流I耦合影响大于结温，以至于对于3V量级的导通压降，其在固定电流值下25－150℃温度变化范围中的导通压降VCE变化范围只有0.5V左右。
典型的三相桥式变流器如图2所示，被测器件在本例中为T6’，T6’在工作状态中处于交替导通关断状态。在T6’稳定导通时刻，采样流过T6’的电流I6和导通电压VCE6；当T6’截止T5’导通时，T6’两端电压为变流器直流母线电压Udc，一般为300－1000V，因此需要隔离高压以保护被测电路。然而对于隔离电压较高，被测电压较低的电路，很难保证其测量精度。
受电流耦合影响大，对电流采样精度要求高。电流采样精度严重影响结温估计精度。在理论上达到1℃的温度分辨率，需要电流传感器具备0.2％的精度。而只有实验室测量级的电流传感器能满足精度要求，大多数工业设备上应用的电流传感器一般采用开环霍尔电流传感器或者在回路中串联精密电阻，其电流测量精度一般为3％左右，远远无法满足结温测量精度的要求。表1为电压电流采样误差对结温测量结果的影响。
表1
Figure BDA0002973355700000081
其次，结温测试过程对采样时序要求高，对噪声抑制要求高。为了得到准确结温，要求电压电流采样必须保持同步；同时由于变流器工作于交替导通状态，其它开关动作产生很高的dv/dt和di/dt，对被测器件产生很大干扰，因此需要控制采样时序并在采样环节增加滤波抑制干扰；同时采样和滤波处理算法应该独立控制，不对干扰正常控制功能。
基于以上问题，大部分基于大电流导通压降法的研究，均是基于实验室内昂贵精密的测量设备，在特定时序、特定工作条件下的测量结果。对于实际工程应用中，需要在现有的硬件条件下应用较低的成本和体积来实现结温测量的功能，并且能够达到一定的精度要求。
在此基础上，本发明实施例提供一种高精度结温在线监测系统1，结合参考图3至图5，包括：
结温标定模块10，所述结温标定模块10包括第一电压采样单元101和第一电流采样单元102，所述结温标定模块10适于在结温标定过程中对待测的主功率开关管正向注入电流，并获取待测的主功率开关管在离线状态下的第一导通饱和压降和第一导通电流与待测的主功率开关管的结温之间的映射关系；
数据拟合模块20，所述数据拟合模块20适于对所述映射关系中数据进行拟合以获取特征函数关系，所述特征函数关系以第一导通饱和压降和第一导通电流为自变量，以待测的主功率开关管的结温为因变量；
工作采样模块30，所述工作采样模块30包括第二电压采样单元301和第二电流采样单元302，所述第二电压采样单元301适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降，所述第二电流采样单元302适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通电流；
所述第一电压采样单元101和第二电压采样单元301均包括：与待测的主功率开关管连接的第一级运放单元；与所述第一级运放单元电学连接的调幅单元，所述调幅单元包括减法器和比例放大器，所述减法器的输出端与所述比例放大器的输入端连接；
测试结温获取单元40，所述测试结温获取单元40适于获取第二导通饱和压降和第二导通电流在所述特征函数关系中对应的结温数值。
所述结温标定模块10能执行结温标定步骤，结温标定步骤在待测的主功率开关管处理离线状态下进行。所述待测的主功率开关管为电力设备模块的工作元件，所述待测的主功率开关管处理离线状态下指的是：电力设备模块中除了待测的主功率开关管之外，其余的有源器件均处于关闭状态。
所述工作采样模块30能执行在线采样的步骤。在线采样指的是：在所述电力设备模块工作状态下对待测的主功率开关管进行测试，待测的主功率开关管的栅极上施加交替导通的电压。
第一电压采样单元101适于在结温标定过程中获取待测的主功率开关管在离线状态下的第一导通饱和压降，第一电流采样单元102适于在结温标定过程中获取待测的主功率开关管在离线状态下的第一导通电流。
所述第二电压采样单元301适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降，所述第二电流采样单元302适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通电流。
本实施例中，所述第一电压采样单元101和第二电压采样单元301的结构相同。
所述待测的主功率开关管为电力设备模块的工作元件。
参考图6，所述电力设备模块包括变流器电路单元W、电流采样内部模块Q1和主控制模块41，所述变流器电路单元W包括若干主功率开关管，所述电流采样内部模块Q1的输出端适于连接所述主控制模块41的输入端，所述主控制模块41的输出端适于给变流器电路单元W中的各主功率开关管提供工作时序。
参考图6，变流器电路单元W包括：直流网络、交流网络和桥式功率开关管电路，所述桥式功率开关管电路中具有若干功率开关管单元，各功率开关管单元包括：主功率开关管和与所述主功率开关管反向并联连接的二极管；所述交流网络包括与所述主功率开关管电学连接的负载电感，所述直流网络包括与串联连接的负载电阻以及直流母线电源Udc。
在一个实施例中，以变流器电路单元为三相全桥变流器电路为示例进行说明，参考图6，变流器电路单元W中的桥式功率开关管电路包括第一功率开关管单元、第二功率开关管单元、第三功率开关管单元、第四功率开关管单元、第五功率开关管单元和第六功率开关管单元。第一功率开关管单元包括第一主功率开关管T1和与第一主功率开关管T1反向并联的第一二极管D1；第二功率开关管单元包括第二主功率开关管T2和与第二主功率开关管T2反向并联的第二二极管D2；第三功率开关管单元包括第三主功率开关管T3和与第三主功率开关管T3反向并联的第三二极管D3；第四功率开关管单元包括第四主功率开关管T4和与第四主功率开关管T4反向并联的第四二极管D4；第五功率开关管单元包括第五主功率开关管T5和与第五主功率开关管T5反向并联的第五二极管D5；第六功率开关管单元包括第六主功率开关管T6和与第六主功率开关管T6反向并联的第六二极管D6。第一主功率开关管T1的集电极、第三主功率开关管T3的集电极和第五主功率开关管T5的集电极连接在一起并与直流母线电源UDC的正极连接，第二主功率开关管T2的发射极、第四主功率开关管T4的发射极和第六主功率开关管T6的发射极连接在一起并与直流母线电源Udc的负极连接。第一主功率开关管T1、第二主功率开关管T2、第三主功率开关管T3、第四主功率开关管T4、第五主功率开关管T5和第六主功率开关管T6均为IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。本实施例选择IGBT作为待测的主功率开关管。当然，在其他实施例中，还可以选择MOSFET等功率开关管作为待测的主功率开关管。
参考图6，变流器电路单元W还包括：第一负载电感LA，第一负载电感LA的一端与第一主功率开关管T1的发射极以及第二主功率开关管T2的集电极电学连接；与第一负载电感LA串联连接的第一负载电阻RA，第一负载电感LA的另一端与第一负载电阻RA的一端连接；第二负载电感LB，第二负载电感LB的一端与第三主功率开关管T3的发射极以及第四主功率开关管T4的集电极电学连接；与第二负载电感LB串联连接的第二负载电阻RB，第二负载电感LB的另一端与第二负载电阻RB的一端连接；第三负载电感LC，第三负载电感LC的一端与第五主功率开关管T5的发射极以及第六主功率开关管T6的集电极电学连接；与第三负载电感LC串联连接的第三负载电阻RC，第三负载电感LC的另一端与第三负载电阻RC的一端连接；第一负载电阻RA的另一端、第二负载电阻RB的另一端和第三负载电阻RC的另一端连接在一起。本实施例选择第六主功率开关管T6作为待测的主功率开关管。当然，在其他实施例中，还可以任意选择其他的主功率开关管作为待测的主功率开关管。
所述电力设备模块还包括：CPU(中央处理器)42。主控制模块41、CPU(中央处理器)42和测试结温获取单元40集成在一起构成控制单元的结构。
图7示出第二电压采样单元301的具体电路结构。第二电压采样单元301包括偏置电流源Y11。
所述第二电压采样单元301包括：与待测的主功率开关管连接的第一级运放单元Y1；与所述第一级运放单元Y1电学连接的调幅单元Y3，所述调幅单元Y3包括减法器Y31和比例放大器Y32，所述减法器Y31的输出端与所述比例放大器Y32的输入端连接。
本实施例中，所述第二电压采样单元301包括：第一级运放单元Y1、第一低通滤波器Y2、调幅单元Y3、模拟信号隔离单元Y4和电流泄放单元S1。所述第一低通滤波器Y2的输入端与所述第一级运放单元Y1的输出端连接，所述第一低通滤波器Y2的输出端与所述减法器Y31的输入端连接。比例放大器Y32的输出端的电压信号大于比例放大器Y32的输入端的电压信号。所述模拟信号隔离单元Y4的输入端与所述比例放大器Y32的输出端连接。
电流泄放单元S1与所述第一级运放单元Y1连接，所述电流泄放单元S1适于在待测的主功率开关管关断时泄放所述第一级运放单元Y1中的电流。所述电流泄放单元S1包括MOS晶体管。
模拟信号隔离单元Y4的输出端适于输出导通电压，具体的，第二电压采样单元301在线采样时，模拟信号隔离单元Y4的输出端输出第二导通饱和压降。
所述第一级运放单元Y1包括第一电流电压转换运放器Y12、偏置电流源Y11、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第一电阻R1、第二电阻R2，所述第一电流电压转换运放器Y12的正极输入端连接第七二极管D7的正向连接端、第八二极管D8的负向连接端、第九二极管D9的正向连接端、以及电流泄放单元S1。第八二极管D8的正向连接端连接第九二极管D9的负向连接端、第一电阻R1的一端以及偏置电流源Y11，第一电阻R1的另一端连接第一电流电压转换运放器Y12的负极输入端、以及第二电阻R2的一端，第二电阻R2的另一端连接第一电流电压转换运放器Y12的输出端，第七二极管D7的负向连接端作为第一级运放单元Y1的输入端，第一电流电压转换运放器Y12的输出端作为第一级运放单元Y1的输出端。
本实施例中，以第六主功率开关管T6为待测的主功率开关管为示例，相应的，第七二极管D7的负向连接端连接第六主功率开关管T6的集电极。
本实施例中，电流泄放单元S1包括MOS晶体管，MOS晶体管的源极连接所述第八二极管D8的负向连接端，MOS晶体管的漏极接地，MOS晶体管的栅极上施加的电压与所述待测的主功率开关管的栅极上施加的电压相反。
本实施例中，当待测的主功率开关管导通时，也就是第六主功率开关管T6导通时，M点相对于GNDH点的电势差为第六主功率开关管T6的本证导通压降Vce，此时，第一级运放单元Y1将本证导通压降Vce按照1：1的比例转换输出到后级电路，实现阻抗隔离。当第五主功率开关管T5导通时，M点相对于GNDH点的电势差为直流母线电压Udc，此时第七二极管D7截至，由于第一级运放单元Y1的存在，因此电压采样单元101在线采样的过程中能防止后级电路过压损坏。
当第一电阻R1的阻值等于第二电阻R2的阻值时，N点相对于GNDH点的电势差VN＝2Va—Vb＝2VCE+2VD7—(VCE+VD7+VD8)＝VCE
为抵消第七二极管D7管压降对测量的干扰，第八二极管D8设置为与第七二极管D7相同型号的高压快恢复二极管，并要求第七二极管D7与第八二极管D8的位置靠近排列，环境温度相似，以消除温度引起的第七二极管D7的压降和温度引起的第八二极管D8的压降不一致。
当T6关断时，MOS晶体管为偏置电流源Y11提供泄放回路。
在一个具体的实施例中，第八二极管D8的导通压降和第七二极管D7的导通压降相等。
在一个具体的实施例中，第八二极管D8和第七二极管D7之间的距离小于或等于10mm。第七二极管D7与第八二极管D8的位置靠近排列，环境温度相似，以消除温度引起的第七二极管D7的压降和温度引起的第八二极管D8的压降不一致。
所述第一低通滤波器Y2包括第三电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1、第二电容C2和第二运算放大器Y21，第三电阻R3的一端与第一级运放单元Y1的输出端连接，所述第三电阻R3的另一端与第四电阻R4的一端、第一电容C1的一端连接，第一电容C1的另一端与第二运算放大器Y21的负极输入端连接，第二运算放大器Y21的正极输入端与第四电阻R4另一端、第二电容C2的一端连接，第二电容的另一端接地，第二运算放大器Y21的负极输入端与第二运算放大器Y21的输出端连接。
所述第一低通滤波器Y2滤除主功率开关管(本例为T1－T6)开关过程中产生的高频干扰。
所述减法器Y31具有参考电压端，所述参考电压端的电压VREF可调，所述减法器Y31的输出端的电压等于所述减法器Y31的输入端的电压减去所述参考电压端的电压VREF。
调幅单元Y3将输入至调幅单元Y3的电压范围调整至合适范围并输出。
大多数的采样电路放大倍数是固定的。由图1(导通电压－结温－电流三维对应关系)可知，有温度分辨率的一段只占整个测量范围很窄部分。本实施例中，为了提高温度分辨率，采用了减法器Y31去除了无效范围数据，本实施例中，无效范围数据指的是：低于VREF的数据。去除无效范围数据后，通过变比可调的比例放大器Y32将P点相对于GNDH点的电势差VP调整为后级电路需要的范围。
在已知待测的主功率开关管的特性曲线的情况下，选择高精电压参考芯片作为VREF的参考值；在待测的主功率开关管不确定的情况下，或者待测的主功率开关管的特性范围随着电流变化较大的情况下，选择可编程电压信号作为VREF的参考值。
模拟信号隔离单元Y4实现模拟信号隔离功能，用来隔离强电干扰，保证设备安全运行和人员安全。模拟信号隔离单元Y4隔离的方法可选择高阻隔离、光耦隔离、磁隔离、或者电容隔离。
参考图8，第二电流采样单元302包括：霍尔采样单元4203、第二初始运放单元4201和第二低通滤波器4202，所述霍尔采样单元4203的电流输入端适于与待测的主功率开关管电学连接，当待测的主功率开关管为IGBT时，所述霍尔采样单元4203的电流输入端适于与待测的主功率开关管的集电极后发射极电学连接，当待测的主功率开关管为MOSFET时，所述霍尔采样单元4203的电流输入端适于与待测的主功率开关管的源极或漏极电学连接。所述霍尔采样单元4203的两个电压输出端分别与第二初始运放单元4201的第一输入端和第二输入端电学连接，第二初始运放单元4201的输出端与第二低通滤波器4202的输入端连接，第二低通滤波器4202的输出端适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通电流。
所述霍尔采样单元4203包括第一磁芯，所述第一磁芯为环状结构且具有缺口，所述第一磁芯的缺口处放置第一霍尔元件，所述第一磁芯中具有第一导杆，第一磁芯环绕所述第一导杆，具体的，第一导杆适于与待测主的功率开关管电学连接，第一导杆的一端作为第一霍尔采样单元的电流输入端。
第二初始运放单元4201适于将霍尔采样单元4203输出的差分电压输出为单端固定定压。
本实施例中，第二低通滤波器4202的结构与前述的第一低通滤波器Y42的结构一致，不再详述。
本实施例中，采用第二低通滤波器4202调节第二电流采样单元302的延时，使得工作采样模块30对待测的主功率开关管采样的第二导通饱和压降和第二导通电流的信号同步。图9为本发明一实施例提供的结温标定模块对待侧的主功率开关管进行结温标定过程的示意图。
参考图9，以待测的主功率开关管(DUT)搭建半桥单脉冲测试电路，结温标定模块10包括：电压源60；电容C；加热平台64；第五主功率开关管、第五二极管、电阻63、第六主功率开关管T6和第六二极管D6；第一电压采样单元101和第一电流采样单元102。
第一电压采样单元101的结构参考第二电压采样单元301的结构，不再详述。
采用结温标定模块10进行结温标定的过程中，电力设备模块处于停止工作的状态，待测的主功率开关管保持导通状态，第一电压采样单元101的偏置电流源对待测的主功率开关管正向注入电流，第一电压采样单元101输出第一导通饱和压降，第一电流采样单元102测试出待测的主功率开关管的第一导通电流。第一电压采样单元101的偏置电流源对待测的主功率开关管正向注入电流的大小为5mA－200mA，如5mA、10mA、50mA、100mA、150mA或者200mA，这样使得恒定电流较小，能避免待测的主功率开关管内部的导通电流过大而发热。
具体的，采用结温标定模块10进行结温标定的过程中，将待测的主功率开关管放置在加热平台上64，具体的，将待测的主功率开关管对应的芯片放置在加热平台64上，由加热平台64对待测的主功率开关管加热至预定温度，对待测的主功率开关管的栅极被导通，第一电压采样单元101的偏置电流源对待测的主功率开关管正向注入电流。在结温标定模块10对待测的主功率开关管标定的过程中，通过调节加热平台64的温度，就可以得到待测的主功率开关管在不同的结温Tj1下的第一导通饱和压降VCE1和第一导通电流ID1的映射数据，从而得到待测的主功率开关管在离线状态下且导通状态下的第一导通饱和压降VCE1和第一导通电流ID1与待测的主功率开关管的结温Tj1之间的第一映射关系。第一映射关系中的待测的主功率开关管的结温由加热平台64的温度标定。
所述数据拟合模块20拟合成的特征函数关系可以是多项式或者三角函数。需要说明的是，本实施例中对于具体的数据拟合模块20并不做限制，只要数据拟合模块20实现根据映射关系拟合为特征函数关系就可以。
在一个实施例中，所述第一电流采样单元102和第二电流采样单元302为同一电流采样单元，所述第一电流采样单元102的详细结构参照第二电流采样单元302的前述描述。第一电流采样单元102中的第二低通滤波器的输出端适于在结温标定过程中输出待测的主功率开关管的第一导通电流。
由于所述第一电流采样单元102和第二电流采样单元302为同一电流采样单元，在结温标定过程中测试的第一导通电流带入确定误差，且在在线采样过程中测试的第二导通电流也带入了确定误差，这样第二导通电流中的确定误差对第一导通电流中的确定误差进行了抵消，使得电流测试的精度提高，进而使得测试结温获取单元最终获取结温数值的精度得到提高。
需要说明的是，在其他实施例中，第一电流采样单元和第二电流采样单元可以为不同的采样单元。
在一个实施例中，所述第一电流采样单元102和第二电流采样单元302均采用所述电流采样内部模块Q1构成。本方案中利用了电力设备模块中自身具有的电流采样内部模块作为第一电流采样单元102和所述第二电流采样单元302，也就是说在结温标定过程中利用电流采样内部模块测试获取第一导通电流，在线采样过程中利用电流采样内部模块测试获取第二导通电流。这样就需要额外设置用于采样电流的模块，因此降低了成本。
在一个实施例中，所述电流采样内部模块Q1的采样误差小于等于3％。本实施例中，即使电流采样内部模块Q1的采样误差较大，但是也能实现对于电流的较高的采样精度，也就是说，第一导通电流和第二导通电流的确定误差在校准过程中被补偿掉，因此使得测试结温获取单元最终测试的结温数值的精度提高。
本实施例中，所述第一电流采样单元102包括开环形霍尔电流传感器；第二电流采样单元302包括开环形霍尔电流传感器。
相应的，本发明另一实施例还提供一种高精度结温在线监测方法，参考图10，包括以下步骤：
S01：采用所述结温标定模块对待测的主功率开关管正向注入电流，并获取待测的主功率开关管在离线状态下的第一导通饱和压降与第一导通电流和待测的主功率开关管的结温之间的映射关系；
S02：采用数据拟合模块对所述映射关系中数据进行拟合以获取特征函数关系，所述特征函数关系以第一导通饱和压降和第一导通电流为自变量，以待测的主功率开关管的结温为因变量；
S03：采用所述工作采样模块在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降和第二导通电流；
S04：采用所述测试结温获取单元获取第二导通饱和压降和第二导通电流在所述特征函数关系中对应的结温数值。
对待测的主功率开关管正向注入电流的过程中，待测的主功率开关管适于放置于加热平台64上，所述映射关系中待测的主功率开关管的结温由所述加热平台64的温度标定。
采用所述工作采样模块30在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降和第二导通电流，具体的，采用第二电压采样单元301在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降VCE2，采用第二电流采样单元302在线获取待测的主功率开关管的第二导通电流ID2。
在一个实施例中，所述第一电流采样单元和所述第二电流采样单元均采用所述电流采样内部模块构成，第一导通电流和第二导通电流均采用所述电流采样内部模块测试获取。
所述电流采样内部模块在第一特征时段为所述主控制模块采样电流，所述电流采样内部模块在第二特征时段采样第二导通电流。所述第一特征时段和所述第二特征时段相互间隔。这样使得第二导通电流的数据和为所述主控制模块采样的电流数据相互不干扰。
参考图11，在电力设备模块工作过程中，主控制模块41采用载波作为时间标准进行时序控制。本实施例中，待测的主功率开关管为下桥，具体的第六主功率开关管为下桥，相应的，第五主功率开关管为第六主功率开关管的上桥，上桥上施加的时序和下桥上施加的时序相反，在载波的上溢中断，主控制模块41进行相关的模拟量采样和计算；在载波下溢中断，进行第二导通电流的采样，在第二导通电流采样的过程中同步进行第二导通饱和压降VCE2的采样。
变流器电路单元包括若干个半桥，每个半桥由两个串联的主功率开关管构成；至少在一个半桥中，一个主功率开关管作为待测的主功率开关管时，另一个主功率开关管作为待测的主功率开关管的对管。当电力设备模块处于工作状态时，所述待测的主功率开关管的对管上施加交替的第一高电平和第一低电平。所述第一特征时段具有第一起始时刻，第一起始时刻选择任意第一高电平对应的时间段的中间时刻。
当电力设备模块处于工作状态时，待测的主功率开关管上施加交替的第二高电平和第二低电平；所述第二特征时段具有第二起始时刻，第二起始时刻选择任意第二高电平对应的时间段的中间时刻。
当待测的主功率开关管上施加第二高电平时，所述待测的主功率开关管的对管上施加第一低电平，当待测的主功率开关管上施加第二低电平时，所述待测的主功率开关管的对管上施加第一高电平。
本实施例中，所述测试结温获取单元最终输出的结温数值的精度较高，在一个具体的实施例中，所述测试结温获取单元最终输出的结温数值的分辨率小于等于1℃，如0.8℃、1℃。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (18)

1.一种高精度结温在线监测系统，其特征在于，包括：
结温标定模块，所述结温标定模块包括第一电压采样单元和第一电流采样单元，所述结温标定模块适于在结温标定过程中对待测的主功率开关管正向注入电流，并获取待测的主功率开关管在离线状态下的第一导通饱和压降和第一导通电流与待测的主功率开关管的结温之间的映射关系；
数据拟合模块，所述数据拟合模块适于对所述映射关系中数据进行拟合以获取特征函数关系，所述特征函数关系以第一导通饱和压降和第一导通电流为自变量，以待测的主功率开关管的结温为因变量；
工作采样模块，所述工作采样模块包括第二电压采样单元和第二电流采样单元，所述第二电压采样单元适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降，所述第二电流采样单元适于在线获取待测的主功率开关管的第二导通电流；
所述第一电压采样单元和第二电压采样单元均包括：与待测的主功率开关管连接的第一级运放单元；与所述第一级运放单元电学连接的调幅单元，所述调幅单元包括减法器和比例放大器，所述减法器的输出端与所述比例放大器的输入端连接；
测试结温获取单元，所述测试结温获取单元适于获取第二导通饱和压降和第二导通电流在所述特征函数关系中对应的结温数值。
2.根据权利要求1所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述结温标定模块适于在结温标定过程中对待测的主功率开关管正向注入的电流为5mA－200mA。
3.根据权利要求1所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述减法器具有参考电压端，所述参考电压端的电压可调，所述减法器的输出端的电压等于所述减法器的输入端的电压减去所述参考电压端的电压。
4.根据权利要求1所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述第一电压采样单元和第二电压采样单元还均包括：第一低通滤波器，所述第一低通滤波器的输入端与所述第一级运放单元的输出端连接，所述第一低通滤波器的输出端与所述减法器的输入端连接。
5.根据权利要求1所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述第一级运放单元包括第一电流电压转换运放器、偏置电流源、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第一电阻和第二电阻，所述第一电流电压转换运放器的正极输入端连接第七二极管的正向连接端、第八二极管的负向连接端、第九二极管的正向连接端；第八二极管的正向连接端连接第九二极管的负向连接端、第一电阻的一端以及偏置电流源，第一电阻的另一端连接第一电流电压转换运放器的负极输入端、以及第二电阻的一端，第二电阻的另一端连接第一电流电压转换运放器的输出端，第七二极管的负向连接端作为第一级运放单元的输入端，第一电流电压转换运放器的输出端作为第一级运放单元的输出端。
6.根据权利要求5所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述第一电阻的阻值等于第二电阻的阻值。
7.根据权利要求5或6所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述第八二极管的导通压降和所述第七二极管的导通压降相等。
8.根据权利要求5或6所述的结温在线监测系统，其特征在于，第八二极管和第七二极管之间的距离小于或等于10mm。
9.根据权利要求1至5任意一项所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述第一电压采样单元和第二电压采样单元还均包括：模拟信号隔离单元，所述模拟信号隔离单元的输入端与所述比例放大器的输出端连接。
10.根据权利要求1至5任意一项所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述第一电压采样单元和第二电压采样单元还均包括：与所述第一级运放单元连接的电流泄放单元，所述电流泄放单元适于在待测的主功率开关管关断时泄放所述第一级运放单元中的电流。
11.根据权利要求10所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述电流泄放单元包括MOS晶体管。
12.根据权利要求1所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述第一电流采样单元和所述第二电流采样单元为同一电流采样单元。
13.根据权利要求12所述的高精度结温在线监测系统，其特征在于，所述待测的主功率开关管为电力设备模块的工作元件，所述电力设备模块包括变流器电路单元、电流采样内部模块和主控制模块，所述变流器电路单元包括若干主功率开关管，所述电流采样内部模块的输出端适于连接所述主控制模块的输入端，所述主控制模块的输出端适于给变流器电路单元中的各主功率开关管提供工作时序；
所述第一电流采样单元和所述第二电流采样单元均采用所述电流采样内部模块构成。
14.一种高精度结温在线监测方法，采用如权利要求1至13任意一项所述的结温在线监测系统，其特征在于，包括：
采用所述结温标定模块对待测的主功率开关管正向注入电流，并获取待测的主功率开关管在离线状态下的第一导通饱和压降与第一导通电流和待测的主功率开关管的结温之间的映射关系；
采用数据拟合模块对所述映射关系中数据进行拟合以获取特征函数关系，所述特征函数关系以第一导通饱和压降和第一导通电流为自变量，以待测的主功率开关管的结温为因变量；
采用所述工作采样模块在线获取待测的主功率开关管的第二导通饱和压降和第二导通电流；
采用所述测试结温获取单元获取第二导通饱和压降和第二导通电流在所述特征函数关系中对应的结温数值。
15.根据权利要求14所述的高精度结温在线监测方法，其特征在于，所述待测的主功率开关管为电力设备模块的工作元件，所述电力设备模块包括变流器电路单元、电流采样内部模块和主控制模块，所述变流器电路单元包括若干主功率开关管，所述电流采样内部模块的输入端电学连接变流器电路单元，所述电流采样内部模块的输出端适于连接所述主控制模块的输入端，所述主控制模块的输出端适于给变流器电路单元中的各主功率开关管提供工作时序；所述第一电流采样单元和所述第二电流采样单元均采用所述电流采样内部模块构成；
第一导通电流和第二导通电流均采用所述电流采样内部模块测试获取。
16.根据权利要求15所述的高精度结温在线监测方法，其特征在于，所述电流采样内部模块在第一特征时段为所述主控制模块采样电流，所述电流采样内部模块在第二特征时段采样第二导通电流；
所述第一特征时段和所述第二特征时段相互间隔。
17.根据权利要求16所述的高精度结温在线监测方法，其特征在于，变流器电路单元包括若干个半桥，每个半桥由两个串联的主功率开关管构成；至少在一个半桥中，一个主功率开关管作为待测的主功率开关管时，另一个主功率开关管作为待测的主功率开关管的对管；
当电力设备模块处于工作状态时，所述待测的主功率开关管的对管上施加交替的第一高电平和第一低电平；
所述第一特征时段具有第一起始时刻，第一起始时刻选择任意第一高电平对应的时间段的中间时刻。
18.根据权利要求16所述的高精度结温在线监测方法，其特征在于，当电力设备模块处于工作状态时，待测的主功率开关管上施加交替的第二高电平和第二低电平；
所述第二特征时段具有第二起始时刻，第二起始时刻选择任意第二高电平对应的时间段的中间时刻。
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