CN113759229A - 基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法及系统，所述方法包括控制所述被测功率半导体器件的开关状态，使流经所述被测功率半导体器件的电流为幅值及占空比固定的方波或锯齿波电流；当所述被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量所述被测功率半导体器件的电气状态、温度状态变化；根据所述被测功率半导体器件的热阻模型建立热阻矩阵方程，计算使被测功率半导体器件产生所述温度状态变化的总损耗；所述总损耗减去导通损耗，得到所述被测功率半导体器件的开关损耗。本发明的功率半导体器件开关损耗测量方法，显著降低了测量系统的带宽和精度要求，能够实现无人工干预的快速自动化测试，具有广泛的应用前景。

Description

基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法及系统

技术领域

本发明涉及电力电子技术领域，具体地，涉及一种基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法及系统。

背景技术

功率半导体器件的开关损耗是变流器运行过程中主要的损耗来源。准确评估功率半导体的开关损耗对优化变流器的设计、提高电力电子装置的效率和可靠性有重要意义。

传统的开关损耗测量采用双脉冲测试的方法，通过示波器和探头记录功率半导体器件在开关过程中的电压、电流波形，再进行积分计算得到被测功率半导体器件的开关损耗。根据IEC标准对开关时间的定义，开通损耗的积分时间为从门极电压上升至其最大值10％的时刻到集射电压下降至其最大值2％的时刻；关断损耗的积分时间为从门极电压下降至最大值90％的时刻到集电极电流下降至关断前电流值2％的时刻。然而，由于功率半导体器件的开关速度快，开关时间范围在数十纳秒到几微秒，电压、电流的等效频率为数十兆赫兹，这对测量仪器的带宽提出了很高的要求。为了记录完整的开关波形，得到准确的开关损耗，测量系统的带宽需达到上百兆赫兹，测量成本高。

经检索，中国专利CN201910790743.6，公开一种功率半导体模块的损耗在线计算方法及其应用方法和装置，采用了测量温度的方式在线实时计算功率半导体器件的损耗。该专利的核心思想为：通过实时损耗和功率半导体模块中的温度传感器估算器件的实时结温，再通过估算的结温和测量到的器件电气参数(电压、电流)查表得到器件的导通压降和开关损耗，从而形成闭环的结温在线观测器。但是该专利中的器件结温是通过估计得到的，损耗是通过提前的离线测量得到的，并不能保证准确性。并且该专利的目的是实时计算工况下的器件损耗及其结温，是一种基于热模型的在线估算，主要用于显示器件工况下的状态。

因此，急需研发一种能克服上述技术问题的功率半导体开关损耗测量方法及系统。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种结构简单、测量精准、便于测量的基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法及系统。

本发明的第一方面，提供一种基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法，所述测试方法基于全桥结构测试电路，以全桥电路中的一个或多个功率半导体器件为被测功率半导体器件；通过测量被测功率半导体器件的温度状态和导通压降，从而间接获得所述被测功率半导体器件的开关损耗，具体包括：

通过PWM驱动信号控制所述被测功率半导体器件的开关状态，所述被测功率半导体器件的关断耐压为设定的测试电压且流经所述被测功率半导体器件的电流为幅值固定、占空比固定的方波或锯齿波电流，所述方波或锯齿波电流的最小值为零，最大值为设定的测试电流；

当所述被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量所述被测功率半导体器件的电气状态和温度状态，其中：所述电气状态包括：功率半导体器件或全桥电路中负载电抗器上流经的电流、驱动占空比、导通压降、开关频率，用于计算被测功率半导体器件的导通损耗；所述温度状态包括：功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度中的任意两者或以上的温度值，用于计算热稳态时所述功率半导体器件的“结-外壳-散热器-环境”热路中任意两点或多点之间的温差；

基于得到的温差数据，结合离线测试得到的所述被测功率半导体器件的个体热阻模型或耦合热阻模型建立热阻矩阵方程，计算使被测功率半导体器件产生所述温度状态的总损耗，其中所述个体热阻模型或耦合热阻模型通过测量被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时引起的温差计算得到；

将所述总损耗减所述导通损耗，得到所述被测功率半导体器件的开关损耗。

本发明的第二方面，提供一种基于温度测量的功率半导体开关损耗测量系统，包括：

开关状态控制模块，该模块通过PWM驱动信号控制所述被测功率半导体器件的开关状态，所述被测功率半导体器件的关断耐压为设定的测试电压且流经所述被测功率半导体器件的电流为幅值固定、占空比固定的方波或锯齿波电流，所述方波或锯齿波电流的最小值为零，最大值为设定的测试电流；

导通损耗计算模块，该模块在所述被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量所述被测功率半导体器件的电气状态，所述电气状态包括：功率半导体器件或全桥电路中负载电抗器上流经的电流、驱动占空比、导通压降、开关频率，用于计算被测功率半导体器件的导通损耗；

温差计算模块，该模块在所述被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量所述被测功率半导体器件的温度状态，所述温度状态包括：功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度中的任意两者或以上的温度值，用于计算热稳态时所述功率半导体器件的“结-外壳-散热器-环境”热路中任意两点或多点之间的温差；

总损耗计算模块，该模块基于所述温差计算模块得到的温差数据，结合离线测试得到的所述被测功率半导体器件的个体热阻模型或耦合热阻模型建立热阻矩阵方程，计算使被测功率半导体器件产生所述温度状态的总损耗，其中所述个体热阻模型或耦合热阻模型通过测量被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时引起的温差计算得到；

开关损耗计算模块，该模块将所述总损耗减所述导通损耗，得到所述被测功率半导体器件的开关损耗。

本发明的第三方面，提供一种电子终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时可用于执行所述的功率半导体开关损耗测量方法。

本发明的第四方面，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行所述的功率半导体开关损耗测量方法。

与现有技术相比，本发明实施例具有如下至少一种的有益效果：

1.本发明提供的基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法和系统，通过测量被测功率半导体器件在特定运行条件下的温度变化提取器件的开关损耗信息，避免了在开关过程中测量快速变化的电压、电流信号，将对高频电气信号的测量转化为对低频温度信号的测量，降低了对测量系统的带宽要求。其中上述的特定运行条件包括：对器件施加方波电流或者锯齿波电流，方波电流条件下器件的每次开通和关断都为相同的电流条件，可以计算器件在设定电流下的开通损耗与关断损耗之和；锯齿波电流下器件在零电流时开通、设定电流时关断，因此没有开通损耗只有关断损耗，可以计算得到器件在设定电流下的关断损耗；两种特定运行条件相结合，可以分别提取出器件的开通损耗以及关断损耗。

2.本发明提供的基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法和系统，是根据被测功率半导体器件的温度变化计算产生该热响应的器件损耗，区别于传统的积分损耗计算方法中对固定积分时间内的电压电流乘积进行积分，计算结果更完整地反应了功率半导体器件在运行过程中的损耗情况，根据该计算结果能更准确地预测器件的热行为。

3.本发明提供的基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法和系统，无需人工干预，可用于搭建自动化测试平台并设计相应的软件控制平台。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例中基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法的流程图；

图2为本发明一较优实施例中基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法的测试图；

图3为本发明一较优实施例的测量电路的连接示意图；

图4为本发明一较优实施例的电压、方波电流、损耗示意波形；

图5为本发明一较优实施例的电压、锯齿波电流、损耗示意波形；

图6为本发明一较优实施例的被测功率半导体器件在一次开关周期内的驱动电压、集射电压波形图；

图7为本发明一较优实施例选用的单个被测功率半导体器件热阻模型；

图8为本发明一较优实施例选用的多个被测功率半导体器件耦合热阻模型。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的测试方法基于全桥结构测试电路，以全桥电路中的一个或多个功率半导体器件为被测功率半导体器件。基于测量功率半导体器件PWM运行时的多点温度和导通压降从而间接计算其开关损耗的测量方法，通过测量运行在特定条件下的功率半导体器件结温、壳温、散热器温度、环境温度中任意两点或以上的温度，以及被测功率半导体器件的导通压降，从而间接计算得到功率半导体器件的开关损耗。

图1为本发明一实施例中基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法的流程图。

参照图1所示，本实施例中基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法包括如下步骤：

S100，通过PWM驱动信号控制被测功率半导体器件的开关状态，被测功率半导体器件的关断耐压为设定的测试电压且流经被测功率半导体器件的电流为幅值固定、占空比固定的方波或锯齿波电流，方波或锯齿波电流的最小值为零，最大值为设定的测试电流；

S200，当被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量被测功率半导体器件的电气状态和温度状态，其中：电气状态包括：功率半导体器件或全桥电路中负载电抗器上流经的电流、驱动占空比、导通压降、开关频率，用于计算被测功率半导体器件的导通损耗；温度状态包括：功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度中的任意两者或以上的温度值，用于计算热稳态时功率半导体器件的“结-外壳-散热器-环境”热路中任意两点或多点之间的温差；

S300，基于S200得到的温差数据，结合离线测试得到的被测功率半导体器件的个体热阻模型或耦合热阻模型建立热阻矩阵方程，计算使被测功率半导体器件产生温度状态的总损耗，其中个体热阻模型或耦合热阻模型通过测量被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时引起的温差计算得到；

S400，将总损耗减导通损耗，得到被测功率半导体器件的开关损耗。

本发明上述实施例中，为功率半导体器件的开关损耗离线测试提供了一种基于热分析的计算方法，并且通过基于PWM控制的全桥测试电路可以灵活控制测试的电流条件，摆脱了传统的开关损耗测量方法对测量仪器的高要求，并且无需进行选取积分范围、进行积分等基于示波器的认为操作，十分有利用设计全自动化的测试设备。

本发明上述实施例中的测量方法，其对应的被测功率半导体器件包括可控型功率半导体器件以及不控型功率半导体器件。在执行S100中，优选通过对器件施加方波电流或者锯齿波电流，方波电流条件下器件的每次开通和关断都为相同的电流条件，可以计算器件在设定电流下的开通损耗与关断损耗之和；锯齿波电流下器件在零电流时开通、设定电流时关断，因此没有开通损耗只有关断损耗，可以计算得到器件在设定电流下的关断损耗；两种特定运行条件相结合，可以分别提取出器件的开通损耗以及关断损耗。具体的，在实际操作中，当流经功率半导体器件的电流为占空比固定的方波时，被测可控型功率半导体器件的总损耗包括导通压降、开通损耗和关断损耗，被测不控型功率半导体器件的总损耗包括导通损耗和反向恢复损耗；当流经功率半导体器件的电流为方波时，导通损耗等于方波电流的幅值、被测功率半导体器件的导通压降、占空比的乘积；当流经被测功率半导体器件的电流为占空比固定的锯齿波时，被测可控型功率半导体器件的总损耗包括导通损耗和关断损耗，被测功率二极管的总损耗包括导通损耗；当流经被测功率半导体器件的电流为锯齿波时，导通损耗等于每个开关周期的导通阶段内电流、导通压降乘积的积分乘以被测功率半导体器件的开关频率。本发明实施例通过测量被测功率半导体器件在上述特定运行条件下的温度变化提取器件的开关损耗信息，避免了在开关过程中测量快速变化的电压、电流信号，将对高频电气信号的测量转化为对低频温度信号的测量，降低了对测量系统的带宽要求。

具体的，对于测试的开关损耗类型：当流经被测功率半导体器件的电流为占空比固定的方波时，计算得到设定测试条件下的开通损耗与关断损耗之和；当流经被测功率半导体器件的电流为锯齿波时，计算得到设定测试条件下的关断损耗；开通损耗与关断损耗之和减去关断损耗，得到设定测试条件下的开通损耗。

在执行上述S200时，作为优选，导通压降可以由钳位电路测量得到，其中，钳位电路将功率半导体器件关断时的高压钳位在较低值而不影响功率半导体器件开通时的低压导通压降，从而在功率半导体器件开关状态下测得高精度的导通压降。在一实施例中，可以采用如图2所示的电路。

在执行上述S200时，占空比等于被测功率半导体器件的导通时间除以开关周期时间；导通时间的起始时刻为被测功率半导体器件的驱动电压达到最大值的时刻，导通时间的结束时刻为被测功率半导体器件的驱动电压开始下降的时刻。

在执行上述S200时，功率半导体器件的结温由器件的导通压降作为温敏参数转换得到；功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度由温度传感器测量得到；其中，功率半导体器件的外壳温度，为单管器件外壳的中心温度或模块器件中各个芯片正下方的外壳温度。

在执行上述S300时，被测功率半导体器件的个体热阻模型为单个功率半导体的“结-外壳-散热器-环境”的热阻模型，用于计算被测功率半导体器件总损耗的温度值为功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度中的任意2个温度值。另外，被测功率半导体器件的耦合热阻模型为包括测试电路中多个功率半导体器件的“结-外壳-散热器-环境”的耦合热阻模型，用于计算被测功率半导体器件总损耗的温度值至少包括每个器件的结温和外壳温度中的任意1个温度值，以及1个散热器温度或环境温度，总共的温度值数量大于器件的个数。

进一步的，上述的耦合热阻模型的热阻矩阵方程为：

P＝R^-1·T

其中：

P＝[P₁,P₂,…P_n]^T，P_i为耦合热阻模型中第i个被测功率半导体器件各自产生的总损耗；

T＝[ΔT₁,ΔT₂,…ΔT_n]^T，ΔT_i为耦合热阻模型中第i个被测功率半导体器件的结温、壳温、散热器温度、环境温度中任意两个温度值之差；

R^-1为耦合热阻矩阵R的逆矩阵，其中R为n*n阶矩阵，其对角线元素R_ii表示第i个被测功率半导体器件的自热阻，非对角线元素R_ij表示第i、j个被测功率半导体器件之间的耦合热阻，n为被测功率半导体器件总数，1≤i，j≤n，i≠j。

在执行上述S300时，建立热阻矩阵方程所需的热阻数据通过测量被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时引起的温差计算得到：对于个体热阻模型，“结-外壳-散热器-环境”热阻模型中任意两点之间的热阻值为：被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时，该两点之间的温差除以被测半导体器件的导通损耗；对于耦合热阻模型，耦合热阻矩阵R中的元素Rij为：第i个被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时，第j个被测功率半导体器件的结温或壳温与散热器温度或环境温度之间的温差除以第i个被测功率半导体器件的导通损耗(1≤i，j≤n)；其中，被测功率半导体器件的导通损耗等于导通电流与导通压降的乘积。

图2为本发明一较优实施例中基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法的测试图。参照图2所示，在本实施例中，具体获取功率半导体器件开关损耗的测试流程如下：

Step1：选择测试模式，使被测功率半导体器件持续在测试电压、测试电流情况下进行开关，根据流经被测功率半导体器件的电流波形，具体地，可分为方波电流和锯齿波电流两种模式；

Step2：计算导通损耗功率，当被测功率半导体器件达到电、热的稳态后，测量被测功率半导体器件的导通压降、流经被测功率半导体器件的电流的幅值和被测功率半导体器件开关的占空比；若选择的测试模式为方波电流，则被测功率半导体器件的导通损耗功率等于导通压降、电流幅值和占空比的乘积；若选择的测试模式为锯齿波电流，则被测功率半导体器件的导通损耗功率等于导通阶段内电流、导通压降乘积的积分乘以所述被测功率半导体器件的开关频率；

Step3：测量各点温度，当被测功率半导体器件达到热稳态时，测量被测功率半导体器件各点的温度。根据选取的热阻模型不同，测温点的数量不同。若选取的热阻模型为单个功率半导体的“结-壳-散热器”的热阻模型，则测量的温度为结温、壳温、散热器温度的任意两者的组合；若选取的热阻模型为n个功率半导体器件的“结-壳-散热器”的耦合热阻模型，则测温点的数量为n+1。

Step4：计算总损耗功率，总损耗功率等于Step3选取的热阻模型对应热阻矩阵的逆矩阵乘以温度向量。

Step5：计算开关损耗功率，将总损耗功率减去导通损耗功率，得到被测功率半导体器件在测试电压、测试电流条件下的开关损耗；若选择的是方波电流测试模式，得到的开关损耗功率为开通损耗、关断损耗之和；若选择的是锯齿波电流模式，得到的开关损耗功率为关断损耗功率。被测功率半导体器件的开关损耗功率除以开关频率，得到被测功率半导体器件单次开关的损耗能量值。

图3为本发明一较优实施例的测量电路的连接示意图，如图3所示，测量电路包括直流电压源V_DC，直流母线电容C，由四个IGBT及其反并联二极管(T1和D1、T2和D2、T3和D3、T4和D4)组成的全桥电路以及负载电感L。对应的，被测功率半导体器件包括可控型器件如IGBT，MOSFET，以及不控型器件如二极管，且包括模块和单管以及压接的多种封装形式。

图4为本发明一较优实施例的电压、方波电流、损耗示意波形。基于图3所示的测试电路，图4给出的电压、电流、损耗示意图是用于提取在特定电压、电流条件下被测功率半导体器件T1的开通损耗与关断损耗之和。如图4所示，当测试系统达到电稳态时，流经负载电感的电流i_H为幅值等于测试电流I_test且纹波较小的近似恒定电流，流经被测功率半导体器件T1的电流为幅值等于I_test且占空比固定的方波电流。此时，被测功率半导体器件T1的总损耗包括在V_DC、I_test条件下产生的开通损耗和关断损耗，以及在I_test条件下的导通损耗。D2的总损耗包括在V_DC、I_test条件下产生的反向恢复损耗和在I_test条件下的导通损耗。

图5为本发明一较优实施例的电压、锯齿波电流、损耗示意波形。基于图3所示的测试电路，图5给出的电压、电流、损耗示意图是用于提取在特定电压、电流条件下被测功率半导体器件T1的关断损耗。如图4所示，当测试系统达到电稳态时，流经负载电感的电流i_H为最小值等于零且最大值等于测试电流I_test的三角波电流，流经被测功率半导体器件T1的电流则为最小值等于零、最大值等于测试电流I_test且占空比固定的锯齿波电流。此时，被测功率半导体器件T1的总损耗包括在V_DC、I_test条件下产生的关断损耗，以及在相应锯齿波电流条件下产生的导通损耗。D2的总损耗为相应锯齿波电流条件下产生的导通损耗。

图6为本发明一较优实施例的被测功率半导体器件T1在一次开关周期内的驱动电压、集射电压波形图。T1的开关过程可分为以下阶段：死区时间(t₂)、开通时间(t₃)、导通时间(t₄)、关断时间(t₅)。死区时间、开通时间、导通时间之和等于控制器占空比与开关周期时间的乘积(t₁)。死区时间为控制器发出开通指令的时刻至被测功率半导体器件驱动电压开始上升的时刻；开通时间为被测功率半导体器件驱动电压从最小值上升至最大值的时间；导通时间为被测功率半导体器件的驱动电压稳定达到最大值的时间；关断时间为被测功率半导体器件驱动电压从最大值下降至最小值的时间。导通时间除以被测功率半导体器件的开关周期时间等于被测功率半导体器件的实际占空比。

图7为本发明一较优实施例选用的单个被测功率半导体器件热阻模型。当被测功率半导体器件为T1时，如图6所示，热阻模型包括T1的结-壳热阻R_jc、壳-散热器热阻R_ch、散热器-环境热阻R_ha；系统可选取的测温点包括结温T_j1、壳温T_c1、散热器温度T_h、环境温度T_a。根据图1、2所示的流程图可知，当选取单个被测功率半导体器件热阻模型时，选取的测温点为上述测温点中的任意两点，T1的总损耗P_T1等于两点之间的温度差除以两点之间的热阻。例如，选择被测功率半导体器件T1的结温T_j1、壳温T_c1作为测温点，则T1的总损耗等于结温T_j1与壳温T_c1的温差除以结-壳热阻R_jc。

图8为本发明一较优实施例选用的多个被测功率半导体器件耦合热阻模型。根据图4、图5所示的电压、电流、损耗示意波形中可知，在单次开关损耗测量过程中，电感电流的方向保持不变。在图3所示的开关损耗测量电路中，当电感电流方向为从左到右时，该电流会流经T1、D2、D3、T4四个器件。图7给出了在考虑T1、D2两个器件热耦合情况下以散热器为公共点的耦合热阻模型，包括T1的自热热阻R_jc1,1、R_ch1,1、D2的自热热阻R_jc2,2、R_ch2,2、D2对T1的耦合热阻阻R_jc1,2、R_ch1,2、T1对D2的耦合热阻R_jc2,1、R_ch2,1，以及散热器-环境热阻R_ha。系统可选取的测温点包括T1的结温T_j1、壳温T_c1、D2的结温T_j2、壳温T_c2、散热器温度T_h、环境温度T_a。根据图2所示的流程图可知，当选取两个被测功率半导体器件的耦合热阻模型时，选取的测温点为上述测温点中的任意三点。图8所示的器件耦合热阻模型，是一种常用的等价耦合模型，该模型的好处在于各个测温点温度与各器件损耗成线性关系，非常易于计算；并且基于该热阻模型，本发明的所有计算都使用器件达到热稳态后的数据，因此无需考虑热容的影响，大大简化了计算，也使得测量结果更加准确。

基于相同技术构思，在本发明另一实施例中，还提供一种基于温度测量的功率半导体开关损耗测量系统，用于实现上述实施例中的方法。该系统具体包括：开关状态控制模块、导通损耗计算模块、温差计算模块、总损耗计算模块以及开关损耗计算模块。其中：开关状态控制模块通过PWM驱动信号控制被测功率半导体器件的开关状态，被测功率半导体器件的关断耐压为设定的测试电压且流经被测功率半导体器件的电流为幅值固定、占空比固定的方波或锯齿波电流，方波或锯齿波电流的最小值为零，最大值为设定的测试电流；导通损耗计算模块在被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量被测功率半导体器件的电气状态，电气状态包括：功率半导体器件或全桥电路中负载电抗器上流经的电流、驱动占空比、导通压降、开关频率，用于计算被测功率半导体器件的导通损耗；温差计算模块在被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量被测功率半导体器件的温度状态，温度状态包括：功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度中的任意两者或以上的温度值，用于计算热稳态时功率半导体器件的“结-外壳-散热器-环境”热路中任意两点或多点之间的温差；总损耗计算模块，基于温差计算模块得到的温差数据，结合离线测试得到的被测功率半导体器件的个体热阻模型或耦合热阻模型建立热阻矩阵方程，计算使被测功率半导体器件产生温度状态的总损耗，其中个体热阻模型或耦合热阻模型通过测量被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时引起的温差计算得到；开关损耗计算模块将总损耗减导通损耗，得到被测功率半导体器件的开关损耗。本实施例具有上述方法实施例对应的技术效果，显著降低了测量系统的带宽和精度要求，能够实现无人工干预的快速自动化测。

本发明上述系统实施例中各模块具体实现的技术可以参照上述功率半导体开关损耗测量方法实施例中对应的技术，在此不再赘述。

基于相同技术构思，在本发明另一实施例中还提供一种电子终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时可用于执行的功率半导体开关损耗测量方法。

基于相同技术构思，在本发明另一实施例中，提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时可用于执行的功率半导体开关损耗测量方法。

本发明上述各实施例提供的基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法，通过测量功率半导体器件在特定调制方式下运行过程中的温度变化，计算产生该温度响应的总损耗功率，再减去可简单计算得到的导通损耗功率，最终得到被测功率半导体器件的开关损耗功率，开关损耗功率除以被测功率半导体器件的开关频率等于单次开关损耗能量。通过测量低频的温度信号计算开关损耗，避免了在开关过程中测量快速变化的高频电压、电流信号，降低了对测量系统的带宽要求。根据被测功率半导体器件的温度变化计算产生该热响应的器件损耗，计算结果更完整地反应了功率半导体器件在运行过程中的损耗情况，根据该计算结果能更准确地预测器件的热行为。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (12)

1.一种基于温度测量的功率半导体开关损耗测量方法，其特征在于，所述测试方法基于全桥结构测试电路，以全桥电路中的一个或多个功率半导体器件为被测功率半导体器件；通过测量被测功率半导体器件的温度状态和导通压降，从而间接获得所述被测功率半导体器件的开关损耗，具体包括：

通过PWM驱动信号控制所述被测功率半导体器件的开关状态，所述被测功率半导体器件的关断耐压为设定的测试电压且流经所述被测功率半导体器件的电流为幅值固定、占空比固定的方波或锯齿波电流，所述方波或锯齿波电流的最小值为零，最大值为设定的测试电流；

当所述被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量所述被测功率半导体器件的电气状态和温度状态，其中：所述电气状态包括：功率半导体器件或全桥电路中负载电抗器上流经的电流、驱动占空比、导通压降、开关频率，用于计算被测功率半导体器件的导通损耗；所述温度状态包括：功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度中的任意两者或以上的温度值，用于计算热稳态时所述功率半导体器件的“结-外壳-散热器-环境”热路中任意两点或多点之间的温差；

基于得到的温差数据，结合离线测试得到的所述被测功率半导体器件的个体热阻模型或耦合热阻模型建立热阻矩阵方程，计算使被测功率半导体器件产生所述温度状态的总损耗，其中所述个体热阻模型或耦合热阻模型通过测量被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时引起的温差计算得到；

将所述总损耗减所述导通损耗，得到所述被测功率半导体器件的开关损耗。

2.根据权利要求1所述的功率半导体开关损耗测量方法，其特征在于，所述被测功率半导体器件包括可控型功率半导体器件以及不控型功率半导体器件；其中：

当流经所述功率半导体器件的电流为占空比固定的方波时，被测可控型功率半导体器件的总损耗包括导通压降、开通损耗和关断损耗，被测不控型功率半导体器件的总损耗包括导通损耗和反向恢复损耗；

当流经所述功率半导体器件的电流为方波时，所述导通损耗等于方波电流的幅值、被测功率半导体器件的导通压降、占空比的乘积；

当流经所述被测功率半导体器件的电流为占空比固定的锯齿波时，被测可控型功率半导体器件的总损耗包括导通损耗和关断损耗，被测功率二极管的总损耗包括导通损耗；

当流经所述被测功率半导体器件的电流为锯齿波时，所述导通损耗等于每个开关周期的导通阶段内电流、导通压降乘积的积分乘以所述被测功率半导体器件的开关频率。

3.根据权利要求2所述的功率半导体开关损耗测量方法，其特征在于，对于测试的开关损耗类型：

当流经所述被测功率半导体器件的电流为占空比固定的方波时，计算得到设定测试条件下的开通损耗与关断损耗之和；

当流经所述被测功率半导体器件的电流为锯齿波时，计算得到设定测试条件下的关断损耗；

所述开通损耗与关断损耗之和减去所述关断损耗，得到设定测试条件下的开通损耗。

4.根据权利要求1所述的功率半导体开关损耗测量方法，其特征在于，所述导通压降由钳位电路测量得到，其中，所述钳位电路将功率半导体器件关断时的高压钳位在较低值而不影响功率半导体器件开通时的低压导通压降，从而在功率半导体器件开关状态下测得高精度的导通压降。

5.根据权利要求1所述的功率半导体开关损耗测量方法，其特征在于，所述占空比等于所述被测功率半导体器件的导通时间除以开关周期时间；

所述导通时间的起始时刻为被测功率半导体器件的驱动电压达到最大值的时刻，所述导通时间的结束时刻为被测功率半导体器件的驱动电压开始下降的时刻。

6.根据权利要求1所述的功率半导体开关损耗测量方法，其特征在于，所述功率半导体器件的结温由器件的导通压降作为温敏参数转换得到；所述功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度由温度传感器测量得到；其中，所述功率半导体器件的外壳温度，为单管器件外壳的中心温度或模块器件中各个芯片正下方的外壳温度。

7.根据权利要求1所述的功率半导体开关损耗测量方法，其特征在于：所述被测功率半导体器件的个体热阻模型为单个功率半导体的“结-外壳-散热器-环境”的热阻模型，用于计算所述被测功率半导体器件总损耗的温度值为功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度中的任意2个温度值；

所述被测功率半导体器件的耦合热阻模型为包括测试电路中多个功率半导体器件的“结-外壳-散热器-环境”的耦合热阻模型，用于计算所述被测功率半导体器件总损耗的温度值至少包括每个器件的结温和外壳温度中的任意1个温度值，以及1个散热器温度或环境温度，总共的温度值数量大于器件的个数。

8.根据权利要求7所述的功率半导体开关损耗测量方法，其特征在于，所述耦合热阻模型的热阻矩阵方程为：

P＝R^-1·T

其中：

P＝[P₁,P₂,…P_n]^T，P_i为所述耦合热阻模型中第i个被测功率半导体器件各自产生的总损耗；

T＝[ΔT₁,ΔT₂,…ΔT_n]^T，ΔT_i为所述耦合热阻模型中第i个被测功率半导体器件的结温、壳温、散热器温度、环境温度中任意两个温度值之差；

R^-1为耦合热阻矩阵R的逆矩阵，其中R为n*n阶矩阵，其对角线元素R_ii表示第i个被测功率半导体器件的自热阻，非对角线元素R_ij表示第i、j个被测功率半导体器件之间的耦合热阻，n为被测功率半导体器件总数，1≤i，j≤n，i≠j。

9.根据权利要求8所述的功率半导体开关损耗测量方法，其特征在于，建立所述热阻矩阵方程所需的热阻数据通过测量被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时引起的温差计算得到：

对于所述个体热阻模型，“结-外壳-散热器-环境”热阻模型中任意两点之间的热阻值为：被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时，该两点之间的温差除以被测半导体器件的导通损耗；

对于所述耦合热阻模型，所述耦合热阻矩阵R中的元素Rij为：第i个被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时，第j个被测功率半导体器件的结温或壳温与散热器温度或环境温度之间的温差除以第i个被测功率半导体器件的导通损耗(1≤i，j≤n)；

其中，被测功率半导体器件的导通损耗等于导通电流与导通压降的乘积。

10.一种基于温度测量的功率半导体开关损耗测量系统，其特征在于，包括：

开关状态控制模块，该模块通过PWM驱动信号控制所述被测功率半导体器件的开关状态，所述被测功率半导体器件的关断耐压为设定的测试电压且流经所述被测功率半导体器件的电流为幅值固定、占空比固定的方波或锯齿波电流，所述方波或锯齿波电流的最小值为零，最大值为设定的测试电流；

导通损耗计算模块，该模块在所述被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量所述被测功率半导体器件的电气状态，所述电气状态包括：功率半导体器件或全桥电路中负载电抗器上流经的电流、驱动占空比、导通压降、开关频率，用于计算被测功率半导体器件的导通损耗；

温差计算模块，该模块在所述被测功率半导体器件达到热稳定状态后，测量所述被测功率半导体器件的温度状态，所述温度状态包括：功率半导体器件的结温、功率半导体器件的外壳温度、散热器的温度、环境温度中的任意两者或以上的温度值，用于计算热稳态时所述功率半导体器件的“结-外壳-散热器-环境”热路中任意两点或多点之间的温差；

总损耗计算模块，该模块基于所述温差计算模块得到的温差数据，结合离线测试得到的所述被测功率半导体器件的个体热阻模型或耦合热阻模型建立热阻矩阵方程，计算使被测功率半导体器件产生所述温度状态的总损耗，其中所述个体热阻模型或耦合热阻模型通过测量被测功率半导体器件直通直流电流达到热稳态时引起的温差计算得到；

开关损耗计算模块，该模块将所述总损耗减所述导通损耗，得到所述被测功率半导体器件的开关损耗。

11.一种电子终端，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时可用于执行权利要求1-9任一所述的功率半导体开关损耗测量方法。

12.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时可用于执行权利要求1-9任一所述的功率半导体开关损耗测量方法。

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