CN113589126A - 电力电子器件的瞬态时间测量装置、结温测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电力电子器件的瞬态时间测量装置、结温测量系统及方法，涉及电力电子器件技术领域，瞬态时间测量装置包括：并联在电力电子器件形成的等效电压源的RC电路；RC电路为电阻电容网络，至少包括一个电阻以及与所述电阻连接的电容；隔离提取器件连接在电阻电容网络上或者连接在电阻电容网络的一个分支电路上；隔离提取器件用于在电力电子器件的开通过程中提取电流信号的下降沿时间，和/或在电力电子器件的关断过程中提取电流信号的上升沿时间；然后基于下降沿时间和上升沿时间计算电力电子器件在开通开始时刻和关断开始时刻的结温。本发明能够达到高精度低成本测量开关电压瞬态时间、结温的目的。

Description

电力电子器件的瞬态时间测量装置、结温测量系统及方法

技术领域

本发明涉及电力电子器件技术领域，特别是涉及一种电力电子器件的瞬态时间测量装置、结温测量系统及方法。

背景技术

对于电力电子器件来说，结温(即是处于电力电子器件内部芯片(晶圆、裸片)的最高温度)与老化、故障均有密切关系。因此，准确测量电力电子器件的结温，对电力电子器件的状态检测和故障预诊断是非常重要的。

经过研究发现，结温升高会引起电力电子器件的开关过程(开关过程包括开通过程和关断过程)的时间变化，所以可以用开关过程的时间来推算电力电子器件的结温。

在电气设备和电力系统运行过程中，往往会发生高压浪涌、电弧等现象，这些现象同时也伴随着电压突变或电流突变的瞬态过程。同样，在电力电子器件开通过程和关断过程中，也存在电压突变或电流突变的瞬态过程，相应的也可以通过瞬态过程的时间来确定电子电力器件的结温。但是，瞬态过程的时间非常短，一般为ns级，很难用常规的传感器检测。例如，电流电压互感器，由于其体积较大，工作频率较低(<MHz)，不能满足对μs级甚至ns级检测的要求；示波器高频探头，虽然可以达到ns级的测量，但价格贵，使用不安全，且很难作为一个部件集成到检测装置中。

发明内容

本发明的目的是提供一种电力电子器件的瞬态时间测量装置、结温测量系统及方法，以达到高精度低成本测量开关电压瞬态时间、结温的目的。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种电力电子器件的瞬态时间测量装置，包括：

RC电路，并联在电力电子器件形成的等效电压源上；所述RC电路为电阻电容网络；所述电阻电容网络至少包括一个电阻以及与所述电阻连接的电容；

隔离提取器件，连接在所述电阻电容网络上或者连接在所述电阻电容网络的一个分支电路上；

所述隔离提取器件，用于：

在所述电力电子器件的开通过程中，提取电流信号的下降沿时间；

和/或，在所述电力电子器件的关断过程中，提取电流信号的上升沿时间；

其中，所述电流信号为流经所述RC电路的电流信号；所述瞬态时间包括上升沿时间和/或下降沿时间。

可选的，所述RC电路的时间常数小于所述电力电子器件的电压源在稳态阶段的时间周期。

可选的，所述隔离提取器件包括依次连接的隔离器件、信号放大电路、时间锁定电路以及时间测量模块；其中，所述隔离器件的输入侧连接在所述电阻电容网络上或者连接在所述电阻电容网络的一个分支电路上，所述隔离器件的输出侧与所述信号放大电路的输入端连接；所述隔离器件输出的信号为尖峰脉冲信号；

或者，所述隔离提取器件包括依次连接的隔离模块、信号放大电路、时间锁定电路以及时间测量模块；其中，所述隔离模块的输入侧连接在所述电阻电容网络上或者连接在所述电阻电容网络的一个分支电路上，所述隔离模块的输出侧与所述信号放大电路的输入端连接；所述隔离模块输出的信号为尖峰脉冲信号。

可选的，所述隔离器件为光隔离传感器或磁隔离传感器；

其中，当所述隔离器件为光隔离传感器时，所述光隔离传感器中的发光二极管为所述隔离器件的输入侧，所述光隔离传感器中的感光元件为所述隔离器件的输出侧。

可选的，所述时间锁定电路包括第一取样电路、第二取样电路以及比较器；

所述第一取样电路包括依次串联的第一二极管、第一电阻和第一电容；其中，第一公共端与所述比较器的第一输入端连接；所述第一公共端为所述第一电阻和所述第一电容的公共端；

所述第二取样电路包括依次串联的第二二极管和第二电阻；其中，第二公共端与所述比较器的第二输入端连接；所述第二公共端为所述第二二极管和所述第二电阻的公共端。

可选的，所述时间测量模块包括依次串联连接的非门和时间测量芯片；

其中，所述非门的输入端与所述时间锁定电路的输出端连接。

可选的，

当所述电阻电容网络包括一个电阻和一个电容时，所述隔离提取器件串联在一个所述电阻和一个所述电容串联的电路上；

当所述电阻电容网络包括一个电阻和多个电容时，所述隔离提取器件串联在一个所述电阻和多个所述电容串联的电路上；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和一个电容时，所述隔离提取器件串联在多个所述电阻和多个所述电容串联的电路上；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容时，所述隔离提取器件串联在多个所述电阻和多个所述电容串联的电路上；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容时，所述隔离提取器件串联在所述等效电阻和所述等效电容串联的电路上；所述等效电阻为多个电阻并联后形成的电阻；所述等效电容为多个电容并联后形成的电容；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容且所述电阻电容网络包括N条分支电路时，前N-1条分支电路均为为多个电阻串联的电路，且前N-1条分支电路均并联在电力电子器件形成的等效电压源上，第N条分支电路为电阻和电容串联的电路，所述第N条分支电路并联在所述第N-1条分支电路的一个或者多个电阻上，所述隔离提取器件串联在第N条分支电路上；所述第N条分支电路中的电阻的个数为一个或者多个，所述第N条分支电路中的电容的个数为一个或者多个；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容时且所述电阻电容网络包括N条分支电路时，前N-1条分支电路均为电阻和电容串联的电路，且前N-1条分支电路均并联在电力电子器件形成的等效电压源上，第N条分支电路为一个或者多个电阻串联的电路，所述第N条分支电路并联在所述第N-1条分支电路的一个或者多个电阻上，所述隔离提取器件串联在第N条分支电路上；在所述前N-1条分支电路中每条分支电路的电阻的个数为一个或者多个，在所述前N-1条分支电路中每条分支电路的电容的个数为一个或者多个；

其中，N为大于或者等于2的正整数。

一种电力电子器件的结温测量系统，包括结温计算模块以及电力电子器件的瞬态时间测量装置；

所述瞬态时间测量装置用于：

在所述电力电子器件的开通过程中，提取电流信号的下降沿时间；

和/或，在所述电力电子器件的关断过程中，提取所述电流信号的上升沿时间；

所述结温计算模块，用于：

根据所述电流信号的下降沿时间和电力电子器件在开通前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-开通期间电压下降时间的三维关系，计算电力电子器件在开通开始时刻的结温；

和/或，根据所述电流信号的上升沿时间和电力电子器件在关断前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-关断期间电压上升时间的三维关系，计算电力电子器件在关断开始时刻的结温。

可选的，还包括与所述结温计算模块连接的电流传感器；

所述电流传感器与电力电子器件串连连接，或者所述电流传感器串连接入在电力电子器件的负载电路中。

一种电力电子器件的结温测量方法，包括：

提取电流信号的下降沿时间和电力电子器件在开通前的通态电流信息；

根据所述电流信号的下降沿时间和所述电力电子器件在开通前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-开通期间电压下降时间的三维关系，计算电力电子器件在开通开始时刻的结温；

和/或，提取电流信号的上升沿时间和电力电子器件在关断前的通态电流信息；

根据所述电流信号的上升沿时间和所述电力电子器件在关断前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-关断期间电压上升时间的三维关系，计算电力电子器件在关断开始时刻的结温。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明在电力电子器件形成的等效电压源处并联连接一个RC电路，以使得在电力电子器件的开通过程和关断过程中获取电流响应特征，即电流信号的下降沿时间和/或电流信号的上升沿时间，进而捕获等效电压源的瞬变始末时间，然后基于结温与等效电压源的瞬变始末时间关系计算电力电子器件在开通开始时刻和/或关断开始时刻的结温。

由于直接通过RC电路的电流响应特征反映等效电压源的瞬变始末时间，避免了因使用传感器检测带来的低精度缺陷和因使用示波器高频探头带来的高成本缺陷。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明电力电子器件(IGBT)的电气示意图；

图2为本发明电力电子器件在开通过程和关断过程中电压变化示意图；

图3为本发明电力电子器件与RC电路的连接关系示意图；

图4为本发明电力电子器件在关断期间的电压变化示意图；

图5为本发明电力电子器件关断期间电容电压u_C与电流i_C随时间t的变化示意；

图6为本发明电力电子器件开通期间电容电压u_C与电流i_C随时间t的变化示意；

图7为本发明电力电子器件的瞬态时间测量装置的结构框图；

图8为本发明RC电路的结构示意图；

图9为本发明IGBT的隔离提取电路的模块示意图；

图10为本发明隔离器件与RC电路的连接关系图。

图11为本发明时间锁定电路示意图；

图12为本发明电力电子器件的结温测量系统的结构示意图；

图13为本发明电力电子器件的结温测量方法的流程示意图；

图14为本发明IGBT开关时间测量装置的结构示意图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种电力电子器件的瞬态时间测量装置、结温测量系统及方法，以达到高精度低成本测量开关电压瞬态时间、结温的目的。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

电力电子器件在开通过程或关断过程中会发生电气过渡，如电力电子器件在关断时，电力电子器件的两端电压从接近0电压突变到高电压，这个过渡过程的时间表现为电压上升时间；电力电子器件在开通时，其两端电压从高电压变到接近0电压，这个过渡过程的时间表现为电压下降时间，这两种过渡过程的时间极短(如几百纳秒、几微秒)。

鉴于针对上述电力电子器件在关断过程或开通过程中电压突变情况和现有技术存在的技术缺陷，本发明提供了一种测量电力电子器件在开通突变过程或关断突变过程中关键时间的方法，即测量电力电子器件在关断期间的电压上升时间、或开通期间的电压下降时间的方法。利用电压的瞬变过程，在电力电子器件的两端串联电阻和电容，在电压瞬变前后给电容充电/放电；其中，流过电容的电流就可以反映电压源瞬变过程的关键时间点。具体原理如下：

(1)以电力电子器件在关断期间的电压上升时间(端电压从接近零的饱和压降突变到高电压)为例说明。图1为IGBT器件的电气符号示意图，C为IGBT器件的集电极，E为IGBT器件的发射极。图2为IGBT开关在开通过程和关断过程中电压变化示意图。图3为本发明电力电子器件与RC电路的连接关系示意图。电力电子器件两端的初始稳态为接近零的饱和压降，并联在IGBT器件上的RC电路的电容电压也接近为零，当电力电子器件在关断时，两端电压从接近零的饱和压降突变到高电压，电容电流开始上升(强迫充电)，并当RC两端的电压(电力电子器件两端电压)变到母线电压(高电压恒定)时，充电电流达到最大，然后进入电流减小的充电阶段，由此可获得电压达到最大值时对应的时间，即电力电子器件的电压从“接近0”开始变大，电容开始充电，电流由0上升，据此可得到电力电子器件在关断时电压上升的起始时间点，RC电路上的电流(电阻上或电容上的电流)从0上升到最大值的时间段，即为电力电子器件关断期间的电压上升时间。

(2)同理，对于电力电子器件在开通期间的电压下降时间(端电压从高电压突变到接近0电压)，电力电子器件两端的初始稳态为高电压，RC电路的电容电压也为“高电压”，当电力电子器件两端电压从“高电压”突变到“接近0电压”时，电容开始放电，电流开始下降(强迫放电)，并当电源电压(电力电子器件两端电压两端电压)变到接近0电压时，电容电流达到最小值，然后进入电流减小的放电阶段，由此可获得电压达到0电压时对应的时间，即电力电子器件的电压从“高”开始变小，电容开始放电，电流由0开始下降，据此可得到电力电子器件开通时电压下降的起始时间点，RC电路上的电流(电阻上或电容上的电流)，从0下降到最小值的时间段，即为电力电子器件开通期间的电压下降时间。

基于以上内容，本发明可以利用外围电路(或者称为外接电路)获取电流特征，进而提取电压源瞬变过程的关键时间信息，即用外围电路测量电容电流在充/放电过程的相关特征来获得上述关键时间信息。

在本发明中，在电力电子器件形成的等效电压源的两端，并联一RC电路，当等效电压源的电压发生快速瞬态变化时，RC电路中的电流瞬态过程反映了等效电压源的电压瞬态过程，通过测量RC电路中的电流瞬态过程，即可获得等效电压源的电压瞬态过程的相关信息。

具体地，在IGBT器件的C(集电极)、E(发射极)两端并联一RC电路，当IGBT器件开通或关断的瞬态阶段，CE两端的电压以dv/dt速率下降或上升，RC电路中的电流到达波峰或波谷的时间正好与IGBT器件的关断时间或开通时间相等，这可以通过如下公式推导得到证明：

不失一般性，电力电子器件的两端电压u_s(t)上升可近似为斜坡变化，如图4所示。

初始时刻(t＝0)，u_c(0)＝0，u_s(0)＝0。

当u_s(t＝t₁)时，达到最大值u_d；电压源u_s(t)与RC电路连接，如图3所示。

(1)第一阶段，电压源电压斜坡上升(t＝0～t₁)

(t＝0～t₁)

变成一阶非线性微分方程标准形式：

根据一阶非线性微分方程的通解得：

解得：

初始条件当t＝0时，u_c(t)＝0，代入解得：

综合得：

根据u_s(t)＝Ri_c(t)+u_c(t)得：

(2)第二阶段u_s(t)＝u_d(t＞t₁)，(t>t₁)，(U_c(t)不为零)。

求解得到

u_C与i_C随时间(t)的变化如图5所示。

由此可见，电力电子器件在关断期间(电压从接近零的饱和电压上升到最大值母线电压U_d)，流过电阻R和电容C上的电流有一个最大值(波峰值)，该波峰值发生的时刻就是电力电子器件关断过程结束对应的电力电子器件电压达到U_d的时刻。

同理，可以推导，电力电子器件在开通期间(电压从最大值母线电压U_d下降接近零的饱和电压)，流过电阻R和电容C上的电流有一个最小值(波谷值)，该波谷值发生的时刻就是电力电子器件开通过程结束对应的电力电子器件电压达到接近零的饱和电压的时刻，请参见图6。

因此，本发明可以通过测量RC电路的电流到达波峰或波谷的时间，或者由该RC电路的电流驱动隔离器件后，在隔离器件输出端输出的信号到达波峰或波谷的时间，来获得电压源或IGBT的CE两端电压的瞬态时间或者过渡时间。此处介绍的隔离器件可以为光隔离器件或者是磁隔离器件。

在RC电路上串联隔离器件，以RC电路的导线为原边，可从隔离器件副边得到与原边波形基本相同的电流波形，即在RC电路串入隔离器件，可从隔离器件副边得到RC电路上的电流信号。

本发明提供的隔离器件的设计原理为：输入侧，即原边的输入阻抗近似为纯电阻r，输出侧输出的电流信号与输出侧输入的电流信号呈现单调相关变化，这样在RC电路中插入隔离器件才不会影响RC电路中电流的变化规律，也确保了隔离器件输出的电流信号上升沿时间或下降沿时间与RC电路中电流的上升沿时间或下降沿时间基本接近。

虽然隔离器件内部的响应时间或传递延时会带来误差，但是适当设计隔离器件，确保该误差在可接受的范围内，就可实现电流信号上升沿时间信息或下降沿时间信息的采样和隔离输出。

当电压源完成瞬态过程，进入稳态阶段时，如IGBT关断后CE两端电压保持高电平阶段或IGBT导通后CE两端保持较低的导通压降阶段，该RC电路按RC时间常数完成充电或放电，该RC电路中的电流按指数规律下降，因此适当设置RC参数，可使的该RC电路的时间常数远小于电压源稳态阶段的时间周期，从而在该稳态阶段的大部分时间内，流经该RC电路的电流都接近于零，达到保持低功耗的目的。

本发明还提供了一种提取尖峰脉冲信号上升沿时间或尖峰脉冲信号下降沿时间的电路，以较低的成本区分并取得上述信号的上升沿时间或下降沿时间，进而根据上述上升沿时间或下降沿时间计算当前阶段电力电子器件的结温。

基于此，本发明可达到对电力电子器件电压源瞬态时间的测量要求，具有小型化、关键时间点特征明显且准确、易于检测、成本低、经济性好等优点，也可根据上述测量结果低成本高精度的得到电力电子器件的结温。此外，本发明采用隔离器件检测，安全性好；采用电容与电阻串联的电路，功耗小。

基于上述内容，下面通过具体实施例来进一步说明本发明提供的技术方案。

实施例一

本实施例提供了一种电力电子器件的瞬态时间测量装置，如图7所示，包括：

RC电路，并联在电力电子器件形成的等效电压源上；所述RC电路为电阻电容网络；所述电阻电容网络至少包括一个电阻以及与所述电阻连接的电容。

隔离提取器件，连接在所述电阻电容网络上或者连接在所述电阻电容网络的一个分支电路上。

所述隔离提取器件，用于：

在所述电力电子器件的开通过程中，提取电流信号的下降沿时间；

和/或，在所述电力电子器件的关断过程中，提取电流信号的上升沿时间；

其中，所述电流信号为流经所述RC电路的电流信号；所述瞬态时间包括上升沿时间和/或下降沿时间。

请参见图7，本实施例通过在电力电子器件形成的等效电压源两端并联RC电路，将电压的变化转化为电流的变化，通过在RC电路上串联隔离提取器件来提取电力电子器件在开通过程或关断过程中电压突变引起的关键时间信息，即在所述电力电子器件的开通过程中，提取电流信号的下降沿时间，和/或，在所述电力电子器件的关断过程中，提取所述电流信号的上升沿时间。

进一步的，当所述电阻电容网络包括一个电阻和一个电容时，所述隔离提取器件串联在一个所述电阻和一个所述电容串联的电路上。

当所述电阻电容网络包括一个电阻和多个电容时，所述隔离提取器件串联在一个所述电阻和多个所述电容串联的电路上。

当所述电阻电容网络包括多个电阻和一个电容时，所述隔离提取器件串联在多个所述电阻和多个所述电容串联的电路上。

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容时，所述隔离提取器件串联在多个所述电阻和多个所述电容串联的电路上。

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容时，所述隔离提取器件串联在所述等效电阻和所述等效电容串联的电路上；所述等效电阻为多个电阻并联后形成的电阻；所述等效电容为多个电容并联后形成的电容。

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容且所述电阻电容网络包括N条分支电路时，前N-1条分支电路均为为多个电阻串联的电路，且前N-1条分支电路均并联在电力电子器件形成的等效电压源上，第N条分支电路为电阻和电容串联的电路，所述第N条分支电路并联在所述第N-1条分支电路的一个或者多个电阻上，所述隔离提取器件串联在第N条分支电路上；所述第N条分支电路中的电阻的个数为一个或者多个，所述第N条分支电路中的电容的个数为一个或者多个。

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容时且所述电阻电容网络包括N条分支电路时，前N-1条分支电路均为电阻和电容串联的电路，且前N-1条分支电路均并联在电力电子器件形成的等效电压源上，第N条分支电路为一个或者多个电阻串联的电路，所述第N条分支电路并联在所述第N-1条分支电路的一个或者多个电阻上，所述隔离提取器件串联在第N条分支电路上；在所述前N-1条分支电路中每条分支电路的电阻的个数为一个或者多个，在所述前N-1条分支电路中每条分支电路的电容的个数为一个或者多个。

其中，N为大于或者等于2的正整数。

通过合理设计电阻参数和电容参数，保证瞬态时间测量装置损耗较小，即保证RC电路工作可靠，对电力电子器件的工作影响极小。

一个示例为：将RC电路的时间常数远小于电力电子器件的电压源在稳态阶段的时间周期，即RC电路的时间常数使得RC电路的功耗小于或者等于设定的期望值，从而在该稳态阶段的大部分时间，流经该RC电路的电流都接近于零，达到保持低功耗的目的。

进一步地，所述隔离提取电路包括依次连接的隔离器件、信号放大电路、时间锁定电路以及时间测量模块。

其中，所述隔离器件的输入侧连接在所述电阻电容网络上或者连接在所述电阻电容网络的一个分支电路上，所述隔离器件的输出侧与所述信号放大电路的输入端连接。以IGBT为例，详细参见图9。

所述隔离器件为光隔离传感器或磁隔离传感器。以IGBT为例，图10为隔离器件与RC电路的连接关系图，该隔离器件原边的电阻产生的压降远远小于RC电路的电阻R上的电压，以保证检测的安全性。

其中，当所述隔离器件为光隔离传感器时，所述光隔离传感器中的发光二极管为所述隔离器件的输入侧，所述光隔离传感器中的感光元件为所述隔离器件的输出侧，此处的感光元件为光敏二极管或光敏三极管。

进一步地，所述隔离提取器件包括依次连接的隔离模块、信号放大电路、时间锁定电路以及时间测量模块；其中，所述隔离模块的输入侧连接在所述电阻电容网络上或者连接在所述电阻电容网络的一个分支电路上，所述隔离模块的输出侧与所述信号放大电路的输入端连接；所述隔离模块输出的信号为尖峰脉冲信号。

对于电力电子器件的关断过程，其电压从接近零的饱和电压上升到最大值母线电压U_d，流过RC电路的电流从零上升到最大值，电流上升时刻和电流达到最大值时刻，对应着电力电子器件在关断期间的电压上升的起始时间点和完成时间点。对于电力电子器件的开通过程，其电压从最大值母线电压U_d下降接近零的饱和电压，流过RC电路的电流从零变化到最小值，对应着电力电子器件在开通期间的电压下降的起始时间点和完成时间点。现在，通过图11所示的时间锁定电路，可以锁定上述电压的变化起始时间点和完成时间点。

进一步地，时间锁定电路的功能是：(以检测电力电子器件关断期间的电压上升时间为例)，检测原边电流信号的上升起始时刻和电流上升到最大值的时刻。

所述时间锁定电路包括第一取样电路、第二取样电路以及比较器。

所述第一取样电路包括依次串联的第一二极管、第一电阻和第一电容；其中，所述第一电阻和第一电容的公共端与所述比较器的第一输入端连接。

所述第二取样电路包括依次串联的第二二极管和第二电阻；其中，所述第二二极管和所述第二电阻的公共端与所述比较器的第二输入端连接。

所述隔离器件输出的电流信号为尖峰脉冲信号；待测尖峰脉冲信号分作两路，第一路施加到第一取样电路，并将第一电容上的电压信号连接至比较器的第一输入端，第二路施加到第二取样电路，并将第二电阻上的电压信号连接至上述比较器的第二输入端，比较器的输出端连接至后级脉宽的时间测量模块。

具体为：在尖峰脉冲信号上升阶段，第一取样电路的电容电压因为RC电路充电而滞后于第二采样电路中的电阻电压，比较器按照电阻电压较高的情况输出；当尖峰脉冲信号经过峰值后，第一取样电路的电容保持电容上的最高电压，而第二采样电路中的电阻电压则随着尖峰脉冲的下降沿降低，当该电阻电压低于第一取样电路的电容电压时，比较器的输出电平翻转，从而使得比较器的输出电平在输入信号的尖峰附近实现翻转，以不同电平的时间宽度提取了尖峰脉冲信号的上升沿时间或下降沿时间。

时间测量模块用于根据上述电压变化的起始时间点和完成时间点，计算电流信号的上升沿时间和电流信号的下降沿时间，进而确定电力电子器件的瞬态时间。

所述时间测量模块包括依次串联连接的非门和时间测量芯片。

其中，所述非门的输入端与所述时间锁定电路的输出端连接。

实施例二

对于电力电子器件，例如IGBT器件，结温和老化、故障具有密切的关系，结温的升高，会导致电力电子器件开关过程的时间变化，因此，可以用开关过程的时间来推算电力电子器件的结温。

据此，可以对待检测的电力电子器件进行标定试验，对于确定的母线电压，建立“结温-电流-开通期间电压下降时间”三维关系(可以以表格形式显示)，和“结温-电流-关断期间电压上升时间”三维关系(可以以表格形式显示)。

在电力电子器件实际运行中，根据电力电子器件的瞬态时间测量装置检测到的电力电子器件在开通期间的电压下降时间(即电流信号的下降沿时间)、电流传感器检测到的电力电子器件在开通前的通态电流信息，通过预先标定的“结温-电流-开通期间电压下降时间”三维关系，推算电力电子器件在该开通开始时刻的结温。

根据电力电子器件的瞬态时间测量装置检测到的电力电子器件在关断期间的电压上升时间(电流信号的上升沿时间)、电流传感器检测到的电力电子器件在关断前的通态电流信息，通过预先标定的“结温-电流-关断期间电压上升时间”三维关系，推算电力电子器件在该关断开始时刻的结温。

鉴于此，请参见图12，本实施例提供的电力电子器件的结温测量系统，包括结温计算模块以及实施例一所述的电力电子器件的瞬态时间测量装置。

所述瞬态时间测量装置用于：

在所述电力电子器件的开通过程中，提取电流信号的下降沿时间。

和/或，在所述电力电子器件的关断过程中，提取所述电流信号的上升沿时间。

所述结温计算模块，用于：

根据所述电流信号的下降沿时间和电力电子器件在开通前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-开通期间电压下降时间的三维关系，计算电力电子器件在开通开始时刻的结温。

和/或，根据所述电流信号的上升沿时间和电力电子器件在关断前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-关断期间电压上升时间的三维关系，计算电力电子器件在关断开始时刻的结温。

进一步的，本实施例提供的电力电子器件的结温测量系统，还包括与所述结温计算模块连接的电流传感器。

所述电流传感器与电力电子器件串连连接，或者所述电流传感器串连接入电力电子器件的负载电路中。

实施例三

根据检测到的电力电子器件在开通期间的电压下降时间和开通前通态电流信息，通过比较预先确定的电力电子器件在正常工作时的电压变化时间、或通过预先标定的“结温-电流-开通期间电压下降时间”三维关系，推算电力电子器件在该开通开始时刻的结温或判断该电力电子器件结温是否异常。

根据电力电子器件在关断期间的电压上升时间和关断前的通态电流信息，通过比较预先确定的电力电子器件在正常工作时的电压变化时间、或预先标定的“结温-电流-关断期间电压上升时间”三维关系，推算电力电子器件在该关断开始时刻的结温或判断该电力电子器件结温是否异常。

鉴于此，请参见图13，本实施例提供了一种电力电子器件的结温测量方法，该结温测量方法应用于实施例二所述的一种电力电子器件的结温测量系统，包括：

步骤100：提取电流信号的下降沿时间和电力电子器件在开通前的通态电流信息。

步骤200：根据所述电流信号的下降沿时间和所述电力电子器件在开通前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-开通期间电压下降时间的三维关系，计算电力电子器件在开通开始时刻的结温。

和/或，

步骤300：提取电流信号的上升沿时间和电力电子器件在关断前的通态电流信息。

步骤400：根据所述电流信号的上升沿时间和所述电力电子器件在关断前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-关断期间电压上升时间的三维关系，计算电力电子器件在关断开始时刻的结温。

实施例四

由于大功率半导体器件(例如IGBT，以下用IGBT来举例说明大功率半导体器件)在工作时，也存在电压突变或电流突变的瞬态过程，即在应用条件，包括IGBT所连接的直流母线电压、负载电流、环境温度等给定的条件下，通过检测IGBT在关断期间和开通期间时其CE两端电压或电流的瞬态过程来推测IGBT的结温，进而实现对IGBT的状态检测和故障预诊断。

IGBT在关断期间，其CE两端电压会从导通时的接近电压(饱和压降)突变到关断时的高电压(母线电压)，IGBT在开通期间，其CE两端电压会从关断时的高电压(母线电压)突变到导通时的接近电压(饱和压降)，显然可以通过测量IGBT在关断期间CE电压上升时间、或测量IGBT在关断期间CE电压上升速率、或测量IGBT在开通期间CE电压下降时间、或测量IGBT在开通期间CE电压下降速率，来推测IGBT的结温，或直接与IGBT正常工作时的CE电压上升时间或CE电压上升速率、或正常工作时的CE电压下降时间或CE电压下降速率比较，以判断IGBT结温是否出现异常，从而提前预测IGBT的故障或寿终。

另外，目前电压检测通常采用电阻分压取样方式，但是IGBT往往工作在较高的电压下，取得的电压采样信号必须经过电气隔离，才能为低压供电的信号处理及信号分析电路所用，才能保证低压电路的工作安全。通常的电气隔离方法，包括磁隔离或光隔离，都是电流驱动的，即信号的输入侧，必须达到一定的电流幅值，信号才能有效地传递到隔离的输出侧。因此，为了对IGBT的开关电压信号进行采样，若采用串联电阻分压电路，即串联电阻分压电路并联到IGBT的CE两端，则该串联电阻分压电路的总阻值就必须保证在期望的最小CE电压时，流过该串联电阻分压电路的电流幅值仍足以驱动隔离器件，在隔离器件的输出侧获得有效的信号。在这样一种条件下，无论是磁隔离还是光隔离，流过该串联电阻分压电路的电流幅值都不能忽略。但IGBT往往工作于较高的电压下，这样，该串联电阻分压电路的功耗是不能忽略的，甚至可能达到无法接受的程度。

因此，需要用新方法新技术来解决上述问题，即需要高精度、低功耗采样纳秒量级开关电压瞬态时间，以及有效隔离精准输出有效信号的测量装置，然后结合测量装置获取的有效信号计算IGBT的结温。

鉴于此，本实施例提供了一种IGBT结温的确定系统，该系统包括IGBT开关时间测量装置以及结温计算模块。图14为本发明IGBT开关时间测量装置的结构示意图。

IGBT开关时间测量装置包括电阻R、电容C和发光二极管D1，电阻R、电容C和发光二极管D1构成串联电路，该串联电路并联到IGBT的发射极E和集电极C两端。其中，发光二极管D1和光敏二极管D2组成隔离器件，即发光二极管D1为隔离器件的输入侧(原边)，光敏二级管D2为隔离器件的输出侧(副边)。

光敏二极管D2连接到信号放大模块，信号放大模块由已知技术构成，将光敏二极管D2的光电流信号放大为相同波形的输出电压信号；信号放大模块的输出连接至时间锁定电路(或者为时间锁止电路)，时间锁定电路的输出端连接时间测量模块。

当IGBT处于开通状态时，CE两端电压很低，无法使发光二极管D1发光。当IGBT关断的瞬间，其CE两端电压以dv/dt速度上升，在串联电路中产生电流尖峰脉冲，如上文分析，该电流尖峰脉冲的上升时间等于IGBT关断时间。适当设计RC参数，可保证该电流尖峰脉冲在发光二极管D1可承受的范围内。当该电流尖峰脉冲流经发光二极管D1时，发光二极管D1即发出既定波长的光，由设计保证发光二极管D1发出的光能照射到光敏二级管D2的光接收面，因为发光二极管D1的发光强度与流经发光二极管D1的电流成正比，光敏二级管D2的光电流与其接收到的光强成正比，所以光敏二级管D2的光电流与RC串联电路中的电流具有相同的波形，光敏二级管D2的光电流从零到达峰值的时间与RC串联电路中电流上升沿时间相等，即与IGBT关断时间相等。光敏二级管D2的光电流信号经信号放大后输出至时间锁定电路，经时间锁定电路取得脉冲信号的上升沿时间长度信号后，输出至时间测量模块以完成上升沿时间长度的测量。

时间锁定电路的具体电路构成与实施例一所述相同，不再赘述。

时间测量模块由一个非门和高精度时间测量芯片TDC-GP1构成。时间锁定电路的输出信号作为时间测量芯片TDC-GP1的START信号，即时间锁定电路输出由零翻转为高电平的时刻，启动时间测量芯片TDC-GP1并开始计时；时间锁定电路输出信号经非门后输出的信号作为时间测量芯片TDC-GP1的STOP信号，即时间锁定电路输出信号由高电平翻转为零的时刻，时间测量芯片TDC-GP1停止计时，这样时间测量芯片TDC-GP1测量出时间锁定电路输出高电平的脉宽，即测得IGBT关断瞬变过程的时间长度，完成所述的测量工作。

同理，也可以测得IGBT开通瞬变过程的时间长度。

本实施例所述的结温计算模块的功能与实施例二描述的结温计算模块的功能相同，在此不再赘述。

将IGBT开关时间测量装置和结温计算模块相结合，即可获取的IGBT的结温。

基于上述内容描述，本专利申请的创新点为：

1)功能创新：用RC电路检测电压瞬变(从接近0电压变到高电压或高电压变到接近0电压)的起始时间和完成时间。

2)原理创新：利用电力电子器件的电压源接的RC电路的电流响应特征，捕获电压源瞬变始末时间。

3)利用隔离器件，可以把电流信息在隔离后获得，进一步利用时间锁定电路和时间测量模块，把电压上升时间测量出来。

4)利用电力电子器件开通期间的电压下降时间，推算电力电子器件在开通开始时刻的结温；利用电力电子器件关断期间的电压上升时间，推算电力电子器件在关断开始时刻的结温。

5)创新的脉冲边沿提取技术：通过隔离器件隔离后获得的电流信号呈现尖峰脉冲的特征，通过RC电路获得并保持脉冲的峰值，当输入信号低于该峰值时，比较器翻转。创新之处，在于采用两个相同特性的二极管，抵消二极管压降带来的测量误差。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种电力电子器件的瞬态时间测量装置，其特征在于，包括：

RC电路，并联在电力电子器件形成的等效电压源上；所述RC电路为电阻电容网络；所述电阻电容网络至少包括一个电阻以及与所述电阻连接的电容；

隔离提取器件，连接在所述电阻电容网络上或者连接在所述电阻电容网络的一个分支电路上；

所述隔离提取器件，用于：

在所述电力电子器件的开通过程中，提取电流信号的下降沿时间；

和/或，在所述电力电子器件的关断过程中，提取电流信号的上升沿时间；

其中，所述电流信号为流经所述RC电路的电流信号；所述瞬态时间包括上升沿时间和/或下降沿时间。

2.根据权利要求1所述的一种电力电子器件的瞬态时间测量装置，其特征在于，所述RC电路的时间常数小于所述电力电子器件的电压源在稳态阶段的时间周期。

3.根据权利要求1所述的一种电力电子器件的瞬态时间测量装置，其特征在于，所述隔离提取器件包括依次连接的隔离器件、信号放大电路、时间锁定电路以及时间测量模块；其中，所述隔离器件的输入侧连接在所述电阻电容网络上或者连接在所述电阻电容网络的一个分支电路上，所述隔离器件的输出侧与所述信号放大电路的输入端连接；所述隔离器件输出的信号为尖峰脉冲信号；

或者，所述隔离提取器件包括依次连接的隔离模块、信号放大电路、时间锁定电路以及时间测量模块；其中，所述隔离模块的输入侧连接在所述电阻电容网络上或者连接在所述电阻电容网络的一个分支电路上，所述隔离模块的输出侧与所述信号放大电路的输入端连接；所述隔离模块输出的信号为尖峰脉冲信号。

4.根据权利要求3所述的一种电力电子器件的瞬态时间测量装置，其特征在于，所述隔离器件为光隔离传感器或磁隔离传感器；

其中，当所述隔离器件为光隔离传感器时，所述光隔离传感器中的发光二极管为所述隔离器件的输入侧，所述光隔离传感器中的感光元件为所述隔离器件的输出侧。

5.根据权利要求3所述的一种电力电子器件的瞬态时间测量装置，其特征在于，所述时间锁定电路包括第一取样电路、第二取样电路以及比较器；

所述第一取样电路包括依次串联的第一二极管、第一电阻和第一电容；其中，第一公共端与所述比较器的第一输入端连接；所述第一公共端为所述第一电阻和所述第一电容的公共端；

所述第二取样电路包括依次串联的第二二极管和第二电阻；其中，第二公共端与所述比较器的第二输入端连接；所述第二公共端为所述第二二极管和所述第二电阻的公共端。

6.根据权利要求3所述的一种电力电子器件的瞬态时间测量装置，其特征在于，所述时间测量模块包括依次串联连接的非门和时间测量芯片；

其中，所述非门的输入端与所述时间锁定电路的输出端连接。

7.根据权利要求1所述的一种电力电子器件的瞬态时间测量装置，其特征在于，

当所述电阻电容网络包括一个电阻和一个电容时，所述隔离提取器件串联在一个所述电阻和一个所述电容串联的电路上；

当所述电阻电容网络包括一个电阻和多个电容时，所述隔离提取器件串联在一个所述电阻和多个所述电容串联的电路上；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和一个电容时，所述隔离提取器件串联在多个所述电阻和多个所述电容串联的电路上；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容时，所述隔离提取器件串联在多个所述电阻和多个所述电容串联的电路上；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容时，所述隔离提取器件串联在所述等效电阻和所述等效电容串联的电路上；所述等效电阻为多个电阻并联后形成的电阻；所述等效电容为多个电容并联后形成的电容；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容且所述电阻电容网络包括N条分支电路时，前N-1条分支电路均为为多个电阻串联的电路，且前N-1条分支电路均并联在电力电子器件形成的等效电压源上，第N条分支电路为电阻和电容串联的电路，所述第N条分支电路并联在所述第N-1条分支电路的一个或者多个电阻上，所述隔离提取器件串联在第N条分支电路上；所述第N条分支电路中的电阻的个数为一个或者多个，所述第N条分支电路中的电容的个数为一个或者多个；

当所述电阻电容网络包括多个电阻和多个电容时且所述电阻电容网络包括N条分支电路时，前N-1条分支电路均为电阻和电容串联的电路，且前N-1条分支电路均并联在电力电子器件形成的等效电压源上，第N条分支电路为一个或者多个电阻串联的电路，所述第N条分支电路并联在所述第N-1条分支电路的一个或者多个电阻上，所述隔离提取器件串联在第N条分支电路上；在所述前N-1条分支电路中每条分支电路的电阻的个数为一个或者多个，在所述前N-1条分支电路中每条分支电路的电容的个数为一个或者多个；

其中，N为大于或者等于2的正整数。

8.一种电力电子器件的结温测量系统，其特征在于，包括结温计算模块以及权利要求1所述的电力电子器件的瞬态时间测量装置；

所述瞬态时间测量装置用于：

在所述电力电子器件的开通过程中，提取电流信号的下降沿时间；

和/或，在所述电力电子器件的关断过程中，提取所述电流信号的上升沿时间；

所述结温计算模块，用于：

根据所述电流信号的下降沿时间和电力电子器件在开通前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-开通期间电压下降时间的三维关系，计算电力电子器件在开通开始时刻的结温；

和/或，根据所述电流信号的上升沿时间和电力电子器件在关断前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-关断期间电压上升时间的三维关系，计算电力电子器件在关断开始时刻的结温。

9.根据权利要求8所述的一种电力电子器件的结温测量系统，其特征在于，还包括与所述结温计算模块连接的电流传感器；

所述电流传感器与电力电子器件串连连接，或者所述电流传感器串连接入电力电子器件的负载电路中。

10.一种电力电子器件的结温测量方法，其特征在于，所述结温测量方法应用于权利要求8所述的一种电力电子器件的结温测量系统，包括：

提取电流信号的下降沿时间和电力电子器件在开通前的通态电流信息；

根据所述电流信号的下降沿时间和所述电力电子器件在开通前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-开通期间电压下降时间的三维关系，计算电力电子器件在开通开始时刻的结温；

和/或，提取电流信号的上升沿时间和电力电子器件在关断前的通态电流信息；

根据所述电流信号的上升沿时间和所述电力电子器件在关断前的通态电流信息，依据预先标定的结温-电流-关断期间电压上升时间的三维关系，计算电力电子器件在关断开始时刻的结温。

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