CN113884851A - 一种基于开尔文发射极电压变化的igbt健康监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于开尔文发射极电压变化的IGBT健康监测方法，其包括以下步骤：S1、搭建IGBT开尔文发射极与功率发射极间的电压VeE的数据采集平台；S2、采集与目标IGBT同规格的IGBT在不同健康状况下关断过程中的VeE数据；S3、根据采集到的数据建立老化数据库；S4、监测目标IGBT关断时VeE第一阶段的峰值电压并与老化数据库进行比对，判断其是否超过失效阈值电压，若是则判定目标IGBT失效，否则判定目标IGBT有效，完成健康监测。由于本发明所使用的老化特征参数VeE主要由IGBT中的寄生参数决定，其受结温影响小。因此，本发明有效提高了电力电子器件健康评估系统的准确性。

Description

一种基于开尔文发射极电压变化的IGBT健康监测方法
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种基于开尔文发射极电压变化的IGBT健康监测方法。
背景技术
IGBT广泛应用于可再生能源、电动汽车、智能电网等领域。然而，功率半导体器件由于工作条件恶劣，被评为最脆弱的部件。据调查，超过1/3的电力电子系统故障是由于功率半导体器件的芯片或焊接失效造成的。故研究功率半导体器件的健康状态，完善器件可靠性技术，对提高电力电子系统的整体可靠性具有重要的意义。
状态监测为减少退化和疲劳导致的功率半导体器件失效提供了有效途径。其原理是器件老化程度可以由特征数据的变化来表征。在这些特征数据中，集电极与发射极间电压Vce_on是目前公认的最具潜力的老化特征参数，然而Vce_on同时受到老化程度与结温的影响。在没有结温数据的情况下，无法直接从中提取出老化信息。而准确测量或估计结温，将增加电路的复杂性，并导致额外的成本，且在结温测量过程中必然存在误差，最终影响状态监测的准确性。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于开尔文发射极电压变化的IGBT健康监测方法，解决了现有IGBT状态监测中特征参数受结温影响不能直接用于状态监测的问题。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
提供一种基于开尔文发射极电压变化的IGBT健康监测方法，其包括以下步骤：
S1、搭建IGBT开尔文发射极与功率发射极间的电压VeE的数据采集平台；
S2、采集与目标IGBT同规格的IGBT在不同健康状况下关断过程中的VeE数据；
S3、根据采集到的电压数据建立老化数据库；
S4、将IGBT关断过程分为四个阶段，监测目标IGBT关断时VeE第一阶段的峰值电压并与老化数据库进行比对，判断其是否超过失效阈值电压，若是则判定目标IGBT失效，否则判定目标IGBT有效，完成IGBT健康监测。
本发明的有益效果为：本发明中老化特征参数基于IGBT中的寄生参数因而受结温影响小且测量简单，避免了结温测量所带来的额外成本及误差，增加了IGBT状态监测系统的准确性。监测系统与高功率部分相互隔离，且在监测过程中，不影响IGBT器件的正常工作。
附图说明
图1为本发明的流程示意图；
图2为IGBT模块关断时电压、电流波形图；
图3为IGBT模块简化等效电路图。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该基于开尔文发射极电压变化的IGBT健康监测方法包括以下步骤：
S1、搭建IGBT开尔文发射极与功率发射极间的电压VeE的数据采集平台；
S2、采集与目标IGBT同规格的IGBT在不同健康状况下关断过程中开尔文发射极与功率发射极间电压信号VeE；
S3、根据采集到的电压数据建立老化数据库；
S4、将IGBT关断过程分为四个阶段，如图2所示，监测目标IGBT开尔文发射极与功率发射极间电压VeE第一阶段的峰值电压并与老化数据库进行比对，判断其是否超过失效阈值电压，若是则判定目标IGBT失效，否则判定目标IGBT有效，完成IGBT健康监测。
本发明的有益效果是：所使用的老化特征参数基于开尔文发射极与功率发射极间的寄生电感以及栅极驱动电阻和输入电容，这些寄生参数受结温影响小，因而该老化特征参数几乎不受结温影响，且可直接在IGBT的开尔文发射极上方便的测得。IGBT忽略寄生电阻后的简化等效电路图如图3所示，其中LAC、LcA、Lek、LkE、Lg、Cdep、Cox、Cge、Cce、Rgo、Rgin分别代表外部端口C、c、e、E、g与内部芯片间的寄生电感、可变耗尽层电容、固定氧化物电容、栅电容、集电极与发射极间寄生电容、栅极驱动电路输出电阻、栅极内部驱动电阻。
简化后的等效电路为RLC电路。因此，栅电流可推导为：
Figure BDA0003320910610000041
其中：
Rg＝Rgo+Rgin,L＝Lg+Lek,C＝Cge+Cgc
根据IGBT模块的技术资料有
Figure BDA0003320910610000042
从而得ig简化形式如下：
Figure BDA0003320910610000043
因此，感应电压VeE可推导如下，由于栅极驱动电压被设计成相对恒定的，因此感应电压VeE主要由寄生参数决定。
Figure BDA0003320910610000044
由于结温对式中的寄生参数影响较小，因此提出的老化特征参数VeE对结温的依赖性较低，假设由于老化的影响导致栅极n条键合线断裂a条，则Lek,Rgin,C可推导为下式
Figure BDA0003320910610000045
Figure BDA0003320910610000046
Figure BDA0003320910610000047
将其带入VeE表达式可得
Figure BDA0003320910610000051
Figure BDA0003320910610000052
由此可知关断过程中的开尔文发射极与功率发射极间的感应电压VeE随老化程度单调增大，是一种有效的老化特征参数。
在本发明的一个实施例中，于不同温度下测试了10个同批次IGBT模块关断过程中的VeE峰值。其中9个模块已经使用多年，另外1个模块未使用，实验结果显示老化模块的VeE峰值相较于未使用模块均有不同程度增大，最大达135％，而同一模块在不同温度下VeE峰值的变化小于8％。
综上所述，本发明中老化特征参数受结温影响小且测量简单，避免了结温测量电路所带来的额外成本及误差，增加了IGBT状态监测系统的准确性。监测系统与高功率部分相互隔离，且在监测过程中，不影响IGBT器件的正常工作。

Claims (1)

1.一种基于开尔文发射极电压变化的IGBT健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、搭建IGBT开尔文发射极与功率发射极间的电压VeE的数据采集平台；
S2、采集与目标IGBT同规格的IGBT在不同健康状况下关断过程中的VeE数据；
S3、根据采集到的电压数据建立老化数据库；
S4、将IGBT关断过程分为四个阶段，监测目标IGBT关断时VeE第一阶段的峰值电压并与老化数据库进行比对，判断其是否超过失效阈值电压，若是则判定目标IGBT失效，否则判定目标IGBT有效，完成健康监测。
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