CN113376497A - 一种适用于功率半导体器件结温和老化信息的在线监测方法 - Google Patents

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Abstract

一种适用于功率半导体器件结温和老化信息的在线监测方法，涉及功率半导体器件技术领域，解决了功率半导体器件结温提取困难的问题，将导通压降Vce(on)测量电路和栅极驱动电路集成设计，通过实时在线提取导通压降Vce(on)和负载电流I，可以实现在线提取IGBT的结温信息和老化信息；导通压降Vce(on)测量电路与栅极驱动电路集成设计，实现在不破坏IGBT封装情况下提取结温信息和老化信息；通过长时间采集同一条件下导通压降Vce(on)变化情况，可以对IGBT的运行状况进行量化分析，辅助实现人工干预，提高装置运行的可靠性。

Description

一种适用于功率半导体器件结温和老化信息的在线监测方法
技术领域
本发明涉及功率半导体器件技术领域，尤其涉及一种适用于功率半导体器件结温和老化信息的在线监测方法。
背景技术
基于功率半导体器件为核心的电力电子技术，在诸如轨道交通能馈系统、高压级联变频器、高压SVG、防爆变频器和储能系统等工控领域的高可靠性应用中扮演着越来越重要的角色。然而，随着IGBT、SiC MOSFET等功率半导体器件的广泛应用，以及电力电子装置功率等级、功率密度和动态响应速度的提高，功率半导体器件的可靠性问题严重制约着系统整体可靠性的提升。
以电力电子系统中常用的绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate BipolarTransistor，IGBT)为例，实现其健康状况的综合性能评估和在线管理最重要的是准确和快速提取器件结温信息和老化信息。
纵观学术界近年来的研究成果，功率半导体器件结温提取方法主要有“物理接触测温法”，“光学测温法”，“热阻抗模型预测法”和“热敏电参数法(TSEP)”四种方法。
物理接触测温法检测响应较慢，无法提供准确地实时信息；光学测温法需要将被测器件的封装外壳打开，在一定程度破坏了器件的封装完整性，而且测温设备成本太高，实际操作流程复杂；热阻抗模型预测法由于热传导速度缓慢限制检测响应速度，仅适合检测器件在正常运行状态下的结温。由于功率半导体器件的芯片被介电凝胶包裹在器件内部，因此采用以上三种测温方法在不破坏封装的情况下对IGBT结温的快速准确地观测有着一定的难度。
在实际运行条件下，通过外接的测量电路对目标热敏电参数(TSEP)进行实时在线的监测，并根据热敏电参数(TSEP)与结温Tj关系进行逆向预估，从而得出对应时刻器件的结温信息。同时，通过对功率半导体器件长时间在线提取合适的热敏电参数(TSEP)，可以实现对其老化状况的监测。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种适用于功率半导体器件结温和老化信息的在线监测方法，将导通压降Vce(on)测量电路和栅极驱动电路集成设计，通过实时在线提取导通压降Vce(on)和负载电流I，可以实现在线提取IGBT的结温信息和老化信息。为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种适用于功率半导体器件结温和老化信息的在线监测方法，包括以下步骤：
1)设计导通压降Vce(on)测量电路，设计的导通压降Vce(on)测量电路供电电源来自驱动电路，做到导通压降Vce(on)测量电路与栅极驱动电路集成设计，实现在线条件下应用；
2)IGBT导通时，导通压降Vce(on)测量电路的实测输出电压与实际值可实现等比例输出，导通压降Vce(on)经过电压衰减电路，ADC采样后接入DSP，再通过RS485通信传至上位机，对导通压降Vce(on)进行存储并监控；
3)IGBT的导通压降Vce(on)与结温Tj和负载电流I有关，制作IGBT的初始Vce(on)＝f(Tji,Ij)特性曲线，在不同结温Tji(i＝1,2,……n)和特定的电流Ij(j＝1,2,……m)下测量其导通压降Vce(on)，存储于上位机中作为初始对比数据；
4)根据同一时刻在线提取的导通压降Vce(on)和采集负载电流I，结合步骤3)的Vce(on)＝f(Tji,Ij)特性曲线，逆向预估出被测IGBT的结温Tj；
5)通过长时间在线提取某一特定结温Tj和电流I下导通压降Vce(on)的值，与前期保存的数据对比可以得出IGBT的键铝合引线的老化状况，当导通压降Vce(on)的值出现阶跃式上升并超过初始值的20％时，即可判定该被测IGBT临界失效并及时更换。
进一步地，导通压降Vce(on)测量电路包括恒流源电路、导通压降Vce(on)提取电路、电压衰减与隔离采样电路和数据存储与监控电路，导通压降Vce(on)提取电路分别与驱动电路、恒流源电路电连接，电压衰减与隔离采样电路与Vce(on)提取电路电连接，数据存储与监控电路与电压衰减与隔离采样电路电连接。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：导通压降Vce(on)测量电路与栅极驱动电路集成设计，实现在不破坏IGBT封装情况下提取结温信息和老化信息；可应用于实际工况下，通过提取IGBT的导通压降Vce(on)和负载电流I，运行数据进行存储和监控；通过长时间采集同一条件下导通压降Vce(on)变化情况，可以对IGBT的运行状况进行量化分析，辅助实现人工干预，提高装置运行的可靠性。
附图说明
以下结合附图对本发明做进一步详细描述。
图1是本发明提取导通压降Vce(on)的原理图；
图2是本发明导通压降Vce(on)测量电路原理图；
图3是本发明导通压降Vce(on)测量电路与栅极驱动电路集成设计方案的结构示意图；
图4是本发明某一结温Tj和电流I下，导通压降Vce(on)测量电路实测图；
图5是本发明导通压降Vce(on)的温度灵敏度曲线图；
图6是本发明导通压降Vce(on)测量电路的Vce(on)＝f(Tji,Ij)特性曲线。
图7是本发明通过长时间运行提取的导通压降Vce(on)变化趋势图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的说明。
以IGBT为例，下面结合附图详细说明本发明的技术方案。
国内外研究成果表明：IGBT的导通压降Vce(on)是负载电流I，栅极-发射极电压Vge和结温Tj的函数，即：
Figure BDA0003107500400000041
其中，Vce0和R0表示参考结温Tj0时的导通压降和电阻；ΔVce0和ΔR0表示导通压降和电阻的温度系数；αge是栅极-发射极电压差ΔVge的比例系数。
当栅极-发射极电压Vge和负载电流I一定，以及电阻R0的变化忽略不计时，公式(1)可简化为：
Vce(on)(Tj,I,Vge)＝V′ce0+ΔVce0·(Tj-Tj0) (2)
其中，V′ce0为在参考结温Tj0、固定的负载电流I和栅极-发射极电压Vge下的导通压降。
因此，负载电流I一定时，IGBT的导通压降Vce(on)与结温Tj存在一定的线性关系，通过提取导通压降Vce(on)的变化情况，可以用来预测其结温Tj状况。
如附图1所示，展示出了提取导通压降Vce(on)的原理：IGBT完全导通后，负载电流I和恒流源电路产生的约50mA小电流同时流过集电极C和发射极E，当负载电流I一定时，不同结温Tj下的导通压降Vce(on)的值就会通过测量电路提取出来。
如附图2所示，展示出了导通压降Vce(on)测量电路由恒流源电路、导通压降Vce(on)提取电路、电压衰减与隔离采样电路和数据存储与监控电路组成。
当IGBT在某负载电流I下导通时，设计的导通压降Vce(on)测量电路实测输出电压与实际值可实现等比例输出，导通压降Vce(on)经过电压衰减电路，ADC采样后接入DSP，再通过RS485通信传至上位机，对电流I和相对应电流下的导通压降Vce(on)进行存储并监控。
如附图3所示，展示出了设计的导通压降Vce(on)测量电路与栅极驱动电路集成设计实现方案，实现在三电平拓扑电路的实际工况条件下的应用。
如附图4所示，展示出了某一结温Tj与负载电流I下，IGBT导通时，使用设计的测量电路提取的导通压降Vce(on)的实测波形。
如附图5所示，展示出了负载电流I一定，不同结温Tj条件下，提取的导通压降Vce(on)与结温Tj存在一定的线性关系，其表现出正温度系数。
如附图6所示，展示出了不同结温Tj和负载电流I下，通过导通压降Vce(on)测量电路提取的Vce(on)＝f(Tji,Ij)特性曲线，以作为初始对比数据。
如附图7所示，展示出了通过长时间在线提取某一特定结温Tj和电流I下导通压降Vce(on)的值，当导通压降Vce(on)的值出现阶跃式上升现象，表明IGBT的键合引线出现老化状况。
利用本发明所述的技术方案，或本领域的技术人员在本发明技术方案的启发下，设计出类似的技术方案，而达到上述技术效果的，均是落入本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种适用于功率半导体器件结温和老化信息的在线监测方法，其特征是，包括以下步骤：
1)设计导通压降Vce(on)测量电路，设计的导通压降Vce(on)测量电路供电电源来自驱动电路，做到导通压降Vce(on)测量电路与栅极驱动电路集成设计，实现在线条件下应用；
2)IGBT导通时，导通压降Vce(on)测量电路的实测输出电压与实际值可实现等比例输出，导通压降Vce(on)经过电压衰减电路，ADC采样后接入DSP，再通过RS485通信传至上位机，对导通压降Vce(on)进行存储并监控；
3)IGBT的导通压降Vce(on)与结温Tj和负载电流I有关，制作IGBT的初始Vce(on)＝f(Tji,Ij)特性曲线，在不同结温Tji(i＝1,2,……n)和特定的电流Ij(j＝1,2,……m)下测量其导通压降Vce(on)，存储于上位机中作为初始对比数据；
4)根据同一时刻在线提取的导通压降Vce(on)和采集负载电流I，结合步骤3)的Vce(on)＝f(Tji,Ij)特性曲线，逆向预估出被测IGBT的结温Tj；
5)通过长时间在线提取某一特定结温Tj和电流I下导通压降Vce(on)的值，与前期保存的数据对比可以得出IGBT的键铝合引线的老化状况，当导通压降Vce(on)的值出现阶跃式上升并超过初始值的20％时，即可判定该被测IGBT临界失效并及时更换。
2.根据权利要求1所述的适用于功率半导体器件结温和老化信息的在线监测方法，其特征是导通压降Vce(on)测量电路包括恒流源电路、导通压降Vce(on)提取电路、电压衰减与隔离采样电路和数据存储与监控电路，导通压降Vce(on)提取电路分别与驱动电路、恒流源电路电连接，电压衰减与隔离采样电路与Vce(on)提取电路电连接，数据存储与监控电路与电压衰减与隔离采样电路电连接。
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