CN113466647B - 一种用于结温监测的导通压降在线监测电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，包括待测上下桥臂功率器件、上下桥臂导通压降测量电路、隔离电路、16位ADC转换器和数字信号处理器；上下桥臂导通压降测量电路一致，其中电压钳位电路为稳压管方向串联超快恢复二极管组成，并联nF级别的电容对负压过冲进行抑制；上下桥臂导通压降测量电路的输出接入隔离电路，再接入16位ADC转换器，最终传入数字信号处理器进行处理，通过离线拟合的函数关系即可监测上下桥臂IGBT和二极管芯片的结温。本发明的监测电路简单、可靠，测量精度高、能隔离高压，能在变流器及加速老化试验平台中正常使用。

Description

一种用于结温监测的导通压降在线监测电路

技术领域

本发明属于电力电子技术领域，具体涉及一种用于结温监测的导通压降在线监测电路。

背景技术

作为能量变换与传输的重要功率半导体器件，IGBT自问世以来，以其高耐压、导通压降低、开关速度快等特点在轨道交通，智能电网，航天航空等领域得到诸多关注。在变流器中，IGBT可靠运行是实现高性能能量变换的重要保证，对整个电力电子系统的可靠运行起着重要作用。温度循环和稳态温度显著影响功率器件的老化与失效。因此对IGBT的结温监测对于保证IGBT可靠运行起着重要的作用。

当前IGBT模块结温监测方法大致可以分为四种，即物理接触法、光学测量法、热网络模型法、温敏电参数法。物理接触法需打开模块封装，且热响应时间较慢；光学测量法也需打开模块封装，还需特定药水去除芯片表面硅胶，芯片绝缘性能会变差。因此，这两种方法均不适合在实际中应用。热模型法基于热网络模型去估测结温，需进行复杂的模型计算，受IGBT老化后热特性和散热回路变化的影响。温敏电参数法则是将IGBT芯片作为传感器，研究其静态电参数、动态电参数与结温之间的关系，最终通过对电参数的监测实现对IGBT芯片结温的监测，该方法不必拆封模块，是现有唯一能在100μs内对带有封装的功率器件进行结温监测的方法，因此温敏电参数法在实际中得到广泛关注。

目前，在温敏电参数法中，导通压降V_ce是各种温敏电参数中最令人关注的一个参数，为实现对结温的在线监测，对导通压降进行在线监测是很有必要的。目前对导通压降V_ce的监测分为离线型和在线型两种。其中，离线监测一般在变流器非工作状态时测量模块导通压降变化；在线监测一般通过观察变流器正常工作时导通压降的变化，对结温进行在线监测。在线监测不仅可以实时监测IGBT模块健康状态，也可根据监测参数变化调整相应控制算法，保证变流器可靠工作。

目前，导通压降在线监测电路的电压钳位电路设计、短路风险、测量精度是限制V_ce测量电路应用于实际工况的重要原因。

申请号为201611049398.3的发明专利中电压钳位电路提供了一种导通压降在线监测电路，但其钳位电路由二极管串联耐浮压隔离电源组成，其成本较高，当钳位电路依赖于共模瞬态抗扰度高的隔离电源，否则会对主电路带来干扰。

发明内容

为解决现有技术中存在的缺点，本发明提供一种用于结温监测的导通压降在线监测电路。

本发明的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，包括待测上下桥臂功率器件、上下桥臂导通压降测量电路、隔离电路、16位ADC转换器和数字信号处理器。

其中，上下桥臂导通压降测量电路一致，导通压降测量电路中电压钳位电路为稳压管D3串联超快恢复二极管D4组成，稳压管D3和超快恢复二极管D4的阳极连接在一起，稳压管D3的阴极和超快恢复二极管D2的阳极、超快恢复二极管D1的阴极、电容C_be1的一端、运算放大器U1的同相输入端连接在一起；超快恢复二极管D1的阳极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运算放大器U1的反向输入端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1的输出。

上下桥臂导通压降测量电路的输出接入隔离电路，再接入16位ADC转换器，最终传入数字信号处理器进行处理，通过离线拟合的函数关系即可监测上下桥臂IGBT和二极管芯片的结温。

进一步的，超快恢复二极管D1、D2、D4特性相同，且耐母线高压。

进一步的，运算放大器U1的增益带宽积高、失调电压低，供电电源为隔离型耐浮压双极性电源。

进一步的，隔离电路由隔离运放组成，能有效隔离输入端和输出端，且其运算放大器增益带宽积高、精度高。

进一步的，数字信号处理器采用DSP或者FPGA。

选择的稳压管D3在其反向电压低于反向击穿电压时，反向电阻很大，漏电流很小，其漏电流为μA级别，流过超快恢复二极管D2的电流约等于超快恢复二极管D1的电流,实现高精度测量，当IGBT关断时，稳压管在通过mA级别电流下实现稳压钳位功能，且可通过选不同型号的稳压管D3来改变反向击穿电压值，来适应不同应用工况。

运算放大器U1的输出值V_{ce1_mea}和V_{ce2_mea}分别代表上下桥臂IGBT和二极管芯片的导通压降监测值，以上桥臂测量电路为例，当测量电路输出V_{ce1_mea}大于0V且小于钳位电压值时，即IGBT芯片导通压降，当输出值小于0V时，为反向二极管芯片的导通压降值。

通过用于结温监测的导通压降在线监测电路去监测功率模块的结温值，需要离线对导通压降、电流、结温之间的关系进行标定，得到相关拟合关系式或者建立数据库。在实验过程中，采集相应电流下的导通压降值，通过相关拟合关系式即可监测出实际工况下的结温值。

本发明的有益技术效果为：

一、本发明提供的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，提出用二极管串联反向稳压管进行测量电路钳位的方法，优化了传统钳位电路引起的测量误差，解决了传统钳位电路需要高共模瞬态抗扰度隔离电源的问题，减少成本的同时增强电路可靠性，且通过更换稳压管的型号可以灵活调节钳位电压值。

二、本发明提供的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，在监测过程中，运算放大器同相输入端电压负过冲问题根源是IGBT模块负压过冲，而负压过冲现象和IGBT关断尖峰电压现象同时存在，且该负压过冲可能让测量电路工作在异常情况，减少测量电路寿命的同时减弱整个测量电路可靠性，为应对IGBT模块负压过冲对测量电路的影响，本电路提出了一种在测量电路中并联nF级别的电容C_be2对负压过冲进行抑制的方法，其抑制效果明显。

三、本发明提供的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，其简单、可靠，测量精度高、能隔离高压，能在变流器中正常使用，可在10kHz开关频率环境下正常工作。

四、本发明提供的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路可在实际变流器工况中用来对IGBT和二极管导通压降进行在线监测，结合电流采样电路的电流信号去监测IGBT和二极管芯片结温。

五、本发明提供的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路可在加速老化试验平台中用来监测IGBT的结温波动。

附图说明

图1是本发明的电路示意图。

图2是整流器中IGBT模块结温监测流程图。

图3是IGBT模块离线校正过程的导通压降、电流、结温之间的关系曲线。

图4是本发明使用不同C_be1时导通压降在线监测电路负压过冲抑制结果图。

图5是整流器中IGBT模块导通压降在线监测结果图。

图6为15Hz下对IGBT芯片结温的监测效果。

图7为加速老化试验台中本文测量电路与红外测温仪的结温监测结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路如图1所示，包括待测上下桥臂功率器件、上下桥臂导通压降测量电路、隔离电路、16位ADC转换器和数字信号处理器。其中，上下桥臂导通压降测量电路一致，导通压降测量电路中电压钳位电路为稳压管D3串联超快恢复二极管D4组成，稳压管D3和超快恢复二极管D4的阳极连接在一起，稳压管D3的阴极和超快恢复二极管D2的阳极、超快恢复二极管D1的阴极、电容C_be1的一端、运算放大器U1的同相输入端连接在一起；超快恢复二极管D1的阳极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运算放大器U1的反向输入端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1的输出。上下桥臂导通压降测量电路的输出接入隔离电路，再接入16位ADC转换器，最终传入数字信号处理器进行处理，通过离线拟合的函数关系即可监测上下桥臂IGBT和二极管芯片的结温。

整流器中IGBT模块结温监测流程如图2所示。下面通过一个双脉冲离线校正实例和牵引整流器结温监测实例来进一步说明实现本发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明要求保护的技术方案包括但不限于以下实施例。

实施例1：

对牵引整流器中使用的IGBT模块进行双脉冲测试验证和离线校正操作，首先将导通压降在线监测电路分别并联在上下桥臂IGBT模块的集电极和发射极两侧，再将IGBT模块固定在不同温度的恒温板上，待其结温稳定后，进行双脉冲测试，通过上桥臂IGBT的电流增大时，记录其在此刻结温上管通过不同电流的导通压降，最终对不同结温下的导通压降、集电极电流数据进行拟合，上管IGBT结温、导通压降、电流之间的关系见图3所示。当上管IGBT关断时，其导通压降测量电路中的钳位电路进入电压钳位阶段，输出固定电压值，此时下管的反向二极管进入续流状态，与下管并联的导通压降在线监测电路对其导通压降实现在线监测,最终对不同结温下的导通压降、反向二极管电流数据进行拟合，得到下管反向续流二极管结温、导通压降、电流之间的关系。

导通压降在线监测电路工作原理：

当IGBT导通时，恒流源I_a输出100mA恒定电流通过D1、D2和IGBT后回到电流源负极形成一个回路，有V_ce1＝2V_b-V_a。当设置R1＝R2时，则有运算放大器的输出电压V_{ce1_mea}近似等于待测IGBT的导通压降；

当IGBT关断时，恒流源I_a输出的100mA恒定电流通过D1、D3、D4后回到电流源负极形成一个回路，有V_{ce1_mea}＝V_D3+V_D4-V_D1，在D1、D4特性一致的情况下，有V_{ce1_mea}＝V_D3。

当二极管反向续流时，恒流源I_a输出的100mA恒定电流通过D1、D2再通过外部负载后流回恒流源负极，此时测量电路输出二极管续流时的导通压降。为抑制此过程中负压过冲问题，在测量电路中并联了C_be1，可提供一个高频低阻抗支路来减小测量电路的负压过冲，不同C_be1的负压过冲抑制效果见图4所示。

实施例2：对牵引整流器中IGBT芯片进行结温监测工作，将本发明导通压降在线监测电路分别并联在上下桥臂IGBT模块集电极和发射极两端。然后将上下桥臂的导通压降在线监测电路连入隔离电路，再将隔离电路连到16位ADC转换器中，再传入DSP控制器，当测量电路输出值大于0V且小于钳位电压值时，为IGBT芯片导通压降，当输出值小于0V时，为反向二极管芯片的导通压降值。通过电流采样电路采集牵引整流器网侧电流，将其通过16位ADC转换器后，再传入DSP控制器，对电流信号进行处理后得到通过IGBT芯片的电流波形。再通过结温监测算法将采集到的IGBT导通压降和电流进行处理后即可监测IGBT芯片结温。本发明的导通压降在线监测电路测量结果如图5所示，其IGBT开关频率为1KHz,网侧电压基波频率为50Hz，导通压降在线监测电路对主电路无干扰，且能阻断高电压对测量电路的影响，同时能实现对IGBT和二极管芯片导通压降高精度的测量。图6展示了15Hz下对IGBT芯片结温的监测效果。

CH1为上桥臂IGBT芯片导通压降的监测值，CH2为牵引整流器的网侧电压波形，CH3为直流侧电压波形，CH4为网侧电流波形。

实施例3：对加速老化试验平台中IGBT芯片进行结温监测工作，将本发明导通压降在线监测电路并联在待测IGBT模块集电极和发射极两端。然后将V_ce在线监测电路的输出传入控制器，并通过离线校正的结温关系对结温进行计算。图7展示了加速老化试验台中本文测量电路与红外测温仪的结温监测结果。

Claims (5)

1.一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，其特征在于，包括待测上下桥臂功率器件、上下桥臂导通压降测量电路、隔离电路、16位ADC转换器和数字信号处理器；

其中，上下桥臂导通压降测量电路一致，导通压降测量电路中电压钳位电路为稳压管D3串联超快恢复二极管D4组成，稳压管D3和超快恢复二极管D4的阳极连接在一起，稳压管D3的阴极和超快恢复二极管D2的阳极、超快恢复二极管D1的阴极、电容C_be1的一端、运算放大器U1的同相输入端连接在一起；超快恢复二极管D1的阳极连接电阻R1的一端，电阻R1的另一端连接运算放大器U1的反向输入端和电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接运算放大器U1的输出；电容C_be1的另一端连接超快恢复二极管D4的阴极，以使C_be1和电压钳位电路并联；

上下桥臂导通压降测量电路的输出接入隔离电路，再接入16位ADC转换器，最终传入数字信号处理器进行处理，通过离线拟合的函数关系即可监测上下桥臂IGBT和二极管芯片的结温。

2.根据权利要求1所述的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，其特征在于，所述超快恢复二极管D1、D2、D4特性相同，且耐母线高压。

3.根据权利要求1所述的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，其特征在于，所述运算放大器U1的供电电源为隔离型且共模瞬态抗扰度高的双极性电源。

4.根据权利要求1所述的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，其特征在于，所述隔离电路由隔离运放组成。

5.根据权利要求1所述的一种用于结温监测的导通压降在线监测电路，其特征在于，所述数字信号处理器采用DSP或者FPGA。

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