CN114217201B - Igbt在线结温测量电路及其测量方法 - Google Patents

Igbt在线结温测量电路及其测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种IGBT在线结温测量电路及其测量方法，测量电路包括：主控制器、电压测量电路以及隔离驱动器，所述主控制器通过所述隔离驱动器与被测IGBT的栅极和发射极连接，所述电压测量电路与所述被测IGBT的栅极和发射极连接，用于测量所述被测IGBT的栅极和发射极之间的驱动电压，所述主控制器与所述电压测量电路连接，用于在被测IGBT的主电流流出所述被测IGBT的集电极时，控制隔离驱动器驱动所述被测IGBT，并通过所述电压测量电路采集所述被测IGBT的米勒电压，所述主控制器根据测量的所述米勒电压估算所述被测IGBT的结温。本发明能够无需进行电流检测，即可通过简单的结构来准确地测量IGBT的结温。

Description

IGBT在线结温测量电路及其测量方法
技术领域
本发明属于半导体技术领域，具体涉及到一种IGBT在线结温测量电路及其测量方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)被广泛应用于通讯、交通和电力等诸多领域，并且正在朝着高电压、高频率和大功率的方向发展。以上系统的高安全性要求使得IGBT的可靠性的要求提高。因此对IGBT的状态监测和寿命预测极其重要，IGBT失效形式很多，而温度是是导致其失效的主要因素，因此热分析是IGBT状态评估中的重要内容，实时测取IGBT结温对于提高系统的可靠性具有重要的意义。
IGBT的结温与IGBT的集电极电流以及米勒电压密切相关。现有的IGBT的结温测量方法中，需要同时测量IGBT的集电极电流和米勒电压，进而根据集电极电流和米勒电压衡量IGBT的结温，测量复杂，精确度不高。
发明内容
本发明提供一种IGBT在线结温测量电路及其测量方法，以解决现有的问题。
基于上述目的，本发明实施例提供了一种IGBT在线结温测量电路，包括：主控制器、电压测量电路以及隔离驱动器，所述主控制器通过所述隔离驱动器与被测IGBT的栅极和发射极连接，所述电压测量电路与所述被测IGBT的栅极和发射极连接，用于测量所述被测IGBT的栅极和发射极之间的驱动电压，所述主控制器与所述电压测量电路连接，用于在被测IGBT的主电流流出所述被测IGBT的集电极时，控制隔离驱动器驱动所述被测IGBT，并通过所述电压测量电路采集所述被测IGBT的米勒电压，所述主控制器根据测量的所述米勒电压估算所述被测IGBT的结温。
可选的，电压测量电路包括差分采样电路、比较电路以及电压保持电路，所述差分采样电路的输入端与所述被测IGBT的栅极和发射极连接，输出端与所述比较电路以及所述电压保持电路连接，所述比较电路将所述差分采样电路采集的所述被测IGBT的栅极和发射极的驱动电压与参考电压比较，所述比较电路的输出端与所述主控制器以及所述电压保持电路连接，所述电压保持电路与所述主控制器连接，所述比较电路的输出端输出的输出信号触发所述主控制器采集所述电压保持电路输出的所述米勒电压。
可选的，差分采样电路包括第一放大器，所述第一放大器的同相输入端与所述被测IGBT的栅极连接，所述第一放大器的反相输入端与所述被测IGBT的发射极连接，所述第一放大器的输出端与所述比较电路以及所述电压保持电路连接；比较电路包括一比较器，所述比较器的反相输入端与所述第一放大器的输出端连接，同相输入端接所述参考电压，所述比较器的输出端与所述电压保持电路以及所述主控制器连接。
可选的，电压保持电路包括第二放大器和开关管，所述开关管的控制端与所述比较电路的输出端连接；所述开关管的第二端与所述差分采样电路的输出端连接，所述开关管的第三端与所述第二放大器的同相输入端连接，所述第二放大器的反相输入端与输出端连接，所述第二放大器的输出端与所述主控制器连接。
可选的，电压保持电路还包括第一电容，所述第二放大器的同相输入端还通过所述第一电容接地。
可选的，电压测量电路还包括模数转换电路，所述模数转换电路连接在所述电压保持电路与所述主控制器之间。
可选的，比较电路的输出端与所述主控制器的输入输出口连接，所述电压保持电路与所述主控制器的串行外设接口连接，所述比较电路输出的输出信号的下降沿传输至所述主控制器，触发外部中断，所述主控制器启动所述模数转换电路采集一次米勒电压。
可选的，隔离驱动器包括隔离驱动电路、第一二极管、第一外部电阻、第二二极管以及第二外部电阻，所述隔离驱动电路的第一端与所述主控制器连接，所述隔离驱动电路的第二端与所述被测IGBT的发射极连接，所述隔离驱动电路的第三端与所述第一二极管的阳极以及所述第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极通过所述第一外部电阻与所述被测IGBT的栅极连接，所述第二二极管的阳极通过所述第二外部电阻与所述被测IGBT的栅极连接。
基于同一发明构思，本发明实施例还提出了一种IGBT在线结温测量方法，应用于前述的IGBT在线结温测量电路，包括：获取被测IGBT的主电流方向；根据所述主电流方向确定所述被测IGBT的主电流流出所述被测IGBT的集电极时，主控制器控制隔离驱动电路驱动所述被测IGBT，并通过所述电压测量电路采集所述被测IGBT的米勒电压；根据测量的所述米勒电压估算所述被测IGBT的结温。
可选的，所述获取被测IGBT的主电流方向，包括：获取所述被测IGBT所在全桥逆变器电路中的桥臂的电流大小；根据所述桥臂的电流大小以及所述被测IGBT在所述桥臂的位置确定所述主电流方向。
本发明的技术效果为，从上面所述可以看出，本发明实施例提供的一种IGBT在线结温测量电路及其测量方法，测量电路包括：主控制器、电压测量电路以及隔离驱动器，所述主控制器通过所述隔离驱动器与被测IGBT的栅极和发射极连接，所述电压测量电路与所述被测IGBT的栅极和发射极连接，用于测量所述被测IGBT的栅极与发射极之间的驱动电压，所述主控制器与所述电压测量电路连接，用于在被测IGBT的主电流流出所述被测IGBT的集电极时，控制隔离驱动器驱动所述被测IGBT，并通过所述电压测量电路采集所述被测IGBT的米勒电压，所述主控制器根据测量的所述米勒电压估算所述被测IGBT的结温，能够无需进行电流检测，即可通过简单的结构来准确地测量IGBT的结温。
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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为本发明实施例中的IGBT的内部结构示意图；
图1b为本发明实施例中的IGBT的等效电路示意图；
图2为本发明实施例中的IGBT的开通过程示意图；
图3为本发明实施例中的IGBT在线结温测量电路的结构示意图；
图4为本发明实施例中的IGBT在线结温测量电路的具体电路示意图；
图5a为本发明实施例中的逆变器的相电流大于0的示意图；
图5b为本发明实施例中的逆变器的相电流小于0的示意图；
图6为本发明实施例中的逆变器的某一相的被测IGBT的米勒电压测量示意图；
图7为本发明实施例中的IGBT在线结温测量电路的时序示意图；
图8为本发明实施例中的被测IGBT的结温与米勒电压的关系示意图；
图9为本发明实施例中的IGBT在线结温测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
需要说明的是，除非另外定义，本发明实施例使用的技术术语或者科学术语应当为本公开所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明实施例中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。
IGBT是利用功率MOS结构为双极性功率晶体管提供栅极驱动电流的复合结构大功率晶体管，典型内部结构如图1(a)所示，当栅极和发射极之间电压大于阈值电压VT之后，P区表面电荷反型，产生N型沟道，重掺杂N区的电子注入N漂移区，集电极和发射极之间的PNP型晶体管导通，器件开通。根据上述流程，可以得到IGBT等效电路在实际应用的电路简图如图1(b)所示。
IGBT开通过程各电压和电流变化如图2所示，当栅极驱动电压超过VT时，集电极电流开始迅速上升，此时IGBT工作在线性区，集电极与发射极之间的电压仍为反向截止电压，当栅极电压继续上升至电压VGP时，集电极电流达到最大，进入饱和区，集电极电势开始下降，在这个过程中，栅极和集电极之间的电容CGC放电，使栅极电压始终保持为电压VGP，产生米勒平台效应，此时的电压称为开通米勒电压(以下简称米勒电压)；直到集电极与发射极之间的电压下降至饱和压降Vce,sat，栅极电压缓慢上升至驱动电压最大值，开通过程结束。
MOS结构在线性区的输出特性为
Figure BDA0003413359550000041
其中，Vgs为栅源电压，Ids为漏源电流，gm为跨导，μ为载流子迁移率，Cox为栅极氧化物电容，W、L分别为MOS结构沟道的宽、长，T为自变量，代表温度，单位为K。根据图1(b)所示的简化电路，当漏极电流达到最大值Id时，对应的栅极电压即为米勒平台电压，代入上式中有：
Figure BDA0003413359550000042
对于IGBT而言，MOS结构的漏极电流是无法测量的，需要换算为流过集电极的电流：
Figure BDA0003413359550000043
其中，α是共基直流放大系数，Ic为集电极最大电流。将该式代入前一式中，可以得到IGBT的米勒电压表达式：
Figure BDA0003413359550000051
由以上表达式可知，米勒电压在集电极电流为0时，应与阈值电压VT相等，阈值电压VT的表达式为：
Figure BDA0003413359550000052
其中，q为单位电荷的电荷量，NA为P区受主浓度，εs为硅半导体的相对介电常数，VFB为平带电压，是由于金属和半导体的功函数差ψms和二氧化硅内部的固定电荷形成的压降，VB为衬底的费米势，其表达式为：
Figure BDA0003413359550000053
其中，k为玻尔兹曼常数，ni为本征载流子浓度。
在IGBT开通的瞬态过程中，MOS结构的电容会使栅极产生一个瞬间的电流如图2所示，在米勒平台过程中，栅极流过一个恒定的电流，IGBT的模块内部集成了内部栅极电阻，对于米勒电压的测量是不可忽略的，因此需要进一步修正米勒电压的表达式：
Figure BDA0003413359550000054
其中，Ig为栅极电流，Rg,int为栅极内部电阻，会随着温度的增加而线性增大。
可知，米勒电压的温度相关性主要来自于阈值电压，另一部分来自于载流子迁移率μ(T)和栅极内部电阻Rg,im(T)，变化量微小。因此，总体而言，米勒电压随温度的变化主要取决于阈值电压随温度的变化，而栅极电流会在一定程度上影响其变化率。值得注意的是，米勒电压还会受到集电极电流的影响，而在逆变系统中，电流是实时变化的。因此，为了准确的获得标准的米勒电压用以估算结温，需要消除掉集电极电流的影响。
当IGBT在逆变器中工作时，其集电极电流时刻发生变化，大致遵循正弦趋势，而米勒电压与集电极电流强耦合，若直接将米勒电压应用于结温估算，则需要采集集电极电流对结温估算进行修正，并且难以标定，大大增加了结温估算算法复杂度，难以应用于实际工况的在线监测。因此，需要解耦集电极电流对米勒平台的影响。
对于MOS管而言，当栅极电压达到阈值电压之后，沟道形成，此时漏极和源极之间可以等效为一个电阻。当主电路侧电流从源极流入时，若MOS开通，则电流不会流经反向二极管，而是沟道中流过。而IGBT的集电极和发射极之间是PNP结构，当主电路侧电流从发射极流入时，集电极一侧的P区为重掺杂，即使栅极导通，N漂移区和重掺杂P区形成的PN结仍然反偏，使IGBT处于截止状态，电流只能从反向二极管中流过。此时虽然栅极处为导通信号，流过IGBT的电流仍然为0。利用该特点，可以结合控制策略在电流反向流经IGBT的时刻测量米勒电压，以此消除集电极电流对米勒电压的影响。
本发明实施例提供了一种IGBT在线结温测量电路。如附图3所示，IGBT在线结温测量电路包括：主控制器10、电压测量电路11以及隔离驱动器12，所述主控制器10通过所述隔离驱动器12与被测IGBT T1的栅极和发射极连接，所述电压测量电路11与所述被测IGBT T1的栅极和发射极连接，用于测量所述被测IGBT T1的栅极与发射极之间的驱动电压VGS，所述主控制器10与所述电压测量电路11连接，用于在被测IGBT T1的主电流流出所述被测IGBTT1的集电极时，控制隔离驱动器12驱动所述被测IGBT T1，并通过所述电压测量电路11采集所述被测IGBT T1的米勒电压VGP，所述主控制器10根据测量的所述米勒电压VGP估算所述被测IGBT T1的结温。
电压测量电路11包括差分采样电路13、比较电路14以及电压保持电路15，所述差分采样电路的输入端与所述被测IGBT T1的栅极和发射极连接，输出端与所述比较电路14以及所述电压保持电路15连接，所述比较电路14将所述差分采样电路13采集的所述被测IGBT T1的栅极和发射极的驱动电压VGS与参考电压Vref比较，所述比较电路14的输出端与所述主控制器10以及所述电压保持电路15连接，所述电压保持电路15与所述主控制器10连接，所述比较电路14的输出端输出的输出信号C_out触发所述主控制器10采集所述电压保持电路15输出的所述米勒电压VGP。
如图4所示，差分采样电路13包括第一放大器U11，所述第一放大器U11的同相输入端与所述被测IGBT T1的栅极连接，所述第一放大器U11的反相输入端与所述被测IGBT T1的发射极连接，所述第一放大器U11的输出端与所述比较电路14以及所述电压保持电路15连接。比较电路14包括一比较器U12，所述比较器U12的反相输入端与所述第一放大器U11的输出端连接，同相输入端接所述参考电压Vref，所述比较器U12的输出端与所述电压保持电路15以及所述主控制器10连接。电压保持电路15包括第二放大器U13和开关管J11，所述开关管J11的控制端与所述比较电路14的输出端连接；所述开关管J11的第二端与所述差分采样电路13的输出端连接，所述开关管J11的第三端与所述第二放大器U13的同相输入端连接，所述第二放大器U13的反相输入端与输出端连接，所述第二放大器U13的输出端与所述主控制器10连接。电压保持电路15还包括第一电容C11，所述第二放大器U13的同相输入端还通过所述第一电容C11接地GND。其中，开关管J11优选为n型沟道的结型场效应管(JFET)，第一端为栅极，第二端为漏极，第三端为源极。在本发明的其他实施例中，开关管J11也可以应用P型MOS管，在此不作限制。
电压测量电路还包括模数转换电路(analog-to-digital conversion,ADC)16，所述模数转换电路16连接在所述电压保持电路15与所述主控制器10之间。比较电路14的输出端与所述主控制器10的输入输出口I/O连接，所述电压保持电路15与所述主控制器10的串行外设接口SPI连接，所述比较电路14输出的输出信号的下降沿传输至所述主控制器10，触发外部中断，所述主控制器10启动所述模数转换电路16采集一次米勒电压。
继续参见图4，隔离驱动器12包括隔离驱动电路、第一二极管D11、第一外部电阻Rg,ext_on、第二二极管D12以及第二外部电阻Rg,ext_off，所述隔离驱动电路的第一端与所述主控制器10连接，所述隔离驱动电路的第二端与所述被测IGBT T1的发射极连接，所述隔离驱动电路的第三端与所述第一二极管D11的阳极以及所述第二二极管D12的阴极连接，所述第一二极管D11的阴极通过所述第一外部电阻Rg,ext_on与所述被测IGBT T1的栅极连接，所述第二二极管D12的阳极通过所述第二外部电阻Rg,ext_off与所述被测IGBT T1的栅极连接。
本发明实施例的IGBT在线结温测量电路中的被测IGBT应用于全桥逆变器电路。对于两电平逆变器，可以根据相电流的方向判断每一个IGBT内电流的流向。以A相为例，当A相电流大于0时，如图5(a)所示，若S1导通，电流流入该管的集电极，电流从IGBT内部流过，若S4导通，电流流出该管的集电极，电流从体二极管中流过，此时流过IGBT的电流为0。当A相电流小于0时，如图5(b)所示，若S4导通，电流流入该管的集电极，电流从IGBT内部流过，若S1导通，电流流出该管的集电极，电流从的体二极管中流过，此时流过IGBT的电流为0。由此可知，当某相电流大于0时，该相下桥臂IGBT的电流为0；当某相电流小于0时，该相上桥臂IGBT的电流为0。因此，只需判断反馈电流的符号，测试对应桥臂的IGBT，即可消除集电极电流对米勒电压的影响。
根据之前的分析可知，电流在反向时仅流经体二级管，因此流过IGBT集电极的电流Ic为0，由此可以得到该条件下下的米勒电压表达式为：
VGP(T)＝IgRg,int(T)+VT(T)
以温度为自变量对上式求导，可得到米勒电压随温度的变化率，有：
Figure BDA0003413359550000071
其中，dVT/dT为阈值电压随温度的变化率，其表达式为：
Figure BDA0003413359550000072
结温升高时，硅的禁带会变窄，使得载流子浓度快速上升，根据式(5)可知，VB随温度的升高而减小，虽然功函数ψms随温度升高而增大，但VB随温度升高而减小的趋势更大，且与一个大于1的系数相乘，所以阈值电压整体随温度升高而降低。
栅极内部电阻Rg,int的值较小，一般小于5Ω，且开通电流为毫安级，即使Rg,int随温度的升高而增大，与阈值电压VT下降的趋势相比也仍然较小。由此可知，米勒电压VGP与阈值电压VT随温度的变化趋势几乎是等价的，但栅极内部电阻Rg,int会抵消一部分阈值电压VT对温度变化的分辨率，这对于实际应用的测量是非常不利的，只能通过减小驱动电流来减小Rg,int对米勒电压温度分辨率的影响。
栅极外部电阻Rg,ext对于IGBT的开通特性有着至关重要的影响，当R,g,ext增大时，栅极电流Ig会减小，使内部电阻上的分压减小，米勒电压更加接近阈值电压，提高了米勒电压对温度的分辨率。但栅极电阻增大到一定程度后，栅极电流Ig已足够小，基本消除了栅极内部电阻Rg,int的分压，再继续增大栅极电阻，其分辨率也不会明显增加，最终将等于VT的分辨率。由此可以证明，当集电极电流为0，栅极外部电阻足够大时，米勒电压和阈值电压是等效的。但Rg,ext不能无限增大，因为栅极电流Ig的减小，使单位时间输入到栅极表面的电荷数也会减小，开通过程减缓，米勒平台的时间延长，这意味着更高的开通和关断损耗，使器件发热量增加。因此，平衡两者的关系对于米勒电压的测试至关重要，它关系到测量电路的成本和系统的可靠性。
在本发明实施例中，主控制器10首先获取所述被测IGBT所在全桥逆变器电路中的桥臂的电流大小；然后根据所述桥臂的电流大小以及所述被测IGBT在所述桥臂的位置确定所述主电流方向。对于某一相桥臂，如图6所示，可以应用两组电压测量电路11、21及隔离驱动器12、22分别测量该相的两个被测IGBT T1、T2的米勒电压，两者可共用一个主控制器10。主控制器10检测到该相电流大于0时，则确定该相下桥臂的被测IGBT T2的电流为流出该管的集电极，电流从体二极管D2中流过。主控制器10控制对应的隔离驱动器22驱动该被测IGBT T2，对应的电压测量电路21检测该被测IGBT T2的米勒电压并传输至主控制器10以进行被测IGBT T2结温的估算。主控制器10检测到该相电流小于0时，则确定该相上桥臂的被测IGBT T1的电流为流出该管的集电极，电流从体二极管D1中流过。主控制器10控制对应的隔离驱动器12驱动该被测IGBT T1，对应的电压测量电路11检测该被测IGBT T1的米勒电压并传输至主控制器以进行被测IGBT T1结温的估算。
图3-4中的IGBT在线结温测量电路的具体工作原理如下：
主控制器10产生的PWM信号发送给隔离驱动器12，用于控制被测IGBT T1的开通与关断，电压测量电路11与隔离驱动器12完全独立，互不干扰。差分采样电路13采用高速差分输入放大器，如图4中第一放大器U11所示。第一放大器U11的同相和反相输入端分别接在被测元件(device under test，DUT)，即被测IGBT T1，的栅极和发射极上，第一放大器U11的输入信号仅与两者的电势差有关，防止单端输入在同时测量逆变器中多个IGBT时使得所有器件的发射极共地而损坏。第一放大器U11的输出为单端驱动电压。比较电路14采用高速比较器，如图4中比较器U12所示。比较器U12的反相输入为驱动电压，同相输入为参考电压Vref，由电源和可调电阻分压而来，用于调整比较器U12的翻转时间。比较器U12的输出信号C_out用于控制开关管J11的开通和关断。电压保持电路15由第一电容C11和第二放大器U3构成的高速电压跟随器构成，输入由开关管J11控制。当开关管J11导通时，的电压保持电路15输入为驱动电压VGS，并给第一电容C11充电，当开关管J11关断时，输入电压为第一电容C11上的电压，而第一电容C11没有构成回路，能量无法释放，始终保持为开关管J11关断瞬间的电压，保持功能由此而来。跟随器的输入和输出相等，用于增大输出电阻，提高驱动能力。将保持电压送入模数转换器(analog-to-digital conversion,ADC)16中，获取准确的米勒电压VGP。本发明实施例的IGBT在线结温测量电路在IGBT开通过程中栅极的驱动电压VGS达到米勒平台时自动采样并将电压保持在米勒电压VGP，使持续时间为纳秒级的米勒平台，延长至微秒级(取决于开关频率和占空比)。
IGBT开关过程中IGBT在线结温测量电路各个信号的时序如图7所示，在测试前，首先调整参考电压Vref的分压电阻，使比较器输出的下降沿尽可能接近米勒平台的起始点。当控制系统的PWM信号出现一个上升沿时，驱动电压开始上升，在上升至参考电压Vref以上时，比较器输出电平反转，产生一个下降沿，值得注意的是，由于IGBT开通过程耗时很短，与比较器U2的延迟时间tdelay处于同一量级。因此，比较器的延时不能忽略，参考电压Vref应略小于米勒电压，而在器件的温度升高之后，米勒电压会下降，米勒平台出现的拐点会比低温更早，比较器U2的延时可以很好地兼容不同温度的测量而无需反复调整变阻器。比较器U2输出的下降沿会使开关管J11关断，使第二放大器U3的输出从跟随变为保持，在整个被测IGBTT1的导通状态下都维持米勒电压；比较器U2的输出同时会触发的外部中断，通过串行外设接口(Serial Peripheral Interface,SPI)启动ADC采集一次米勒电压；当被测IGBT T1进入关断过程中，驱动电压下降至比参考电压Vref小并延时tdelay之后，比较器U2输出一个上升沿，开关管J11开通，采集第二放大器U3的输出从保持变为跟随，在被测IGBT T1的关断状态下都跟随驱动电压为低电平，直到下一次开通。因此，该测量方法可以采样保持每个PWM周期的米勒电压VGP，并自动进行采集。
主控制器10采集到被测IGBT的米勒电压VGP后，根据米勒电压VGP估算被测IGBT的结温T，可以应用关系式T＝a×f(VGP)+b来估算被测IGBT的结温T，a是倾斜的斜率，b是常数，根据预先设置a、b的值以及函数f(VGP)的特性。如图8所示，其中，FF表示上桥臂的被测IGBT的结温与米勒电压VGP的关系，SKM表示桥臂的被测IGBT的结温与米勒电压VGP的关系。可知，被测IGBT的结温T与米勒电压VGP成线性关系。
本发明实施例的IGBT T1在线结温测量电路包括：主控制器、电压测量电路以及隔离驱动器，所述主控制器通过所述隔离驱动器与被测IGBT T1的栅极和发射极连接，所述电压测量电路与所述被测IGBT T1的栅极和发射极连接，用于测量所述被测IGBT T1的栅极与发射极之间的驱动电压，所述主控制器与所述电压测量电路连接，用于在被测IGBT T1的主电流流出所述被测IGBT T1的集电极时，控制隔离驱动电路驱动所述被测IGBT T1，并通过所述电压测量电路采集所述被测IGBT T1的米勒电压，所述主控制器根据测量的所述米勒电压估算所述被测IGBT T1的结温，能够无需进行电流检测，即可通过简单的结构来准确地测量IGBT T1的结温。
基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种IGBT在线结温测量方法，应用于前述的IGBT在线结温测量电路，如附图9所示，IGBT在线结温测量方法包括：
步骤S11：获取被测IGBT的主电流方向。
在本发明实施例中，被测IGBT应用于全桥逆变器电路，可以根据相电流的方向判断每一个IGBT内电流的流向。在步骤S11中，可选地，获取所述被测IGBT T1所在全桥逆变器电路中的桥臂的电流大小；根据所述桥臂的电流大小以及所述被测IGBT在所述桥臂的位置确定所述主电流方向。以某一相桥臂为例，该相电流大于0时，则确定该相下桥臂的被测IGBT的主电流方向为流出该管的集电极，而该相上桥臂的被测IGBT的主电流方向为流入该管的集电极。该相电流小于0时，则确定该相上桥臂的被测IGBT的电流为流出该管的集电极，而该相下桥臂的被测IGBT的主电流方向为流入该管的集电极。
步骤S12：根据所述主电流方向确定所述被测IGBT的主电流流出所述被测IGBT的集电极时，主控制器控制隔离驱动电路驱动所述被测IGBT，并通过所述电压测量电路采集所述被测IGBT的米勒电压。
在本发明实施例中，以某一相桥臂为例，该相电流大于0时，则确定该相下桥臂的被测IGBT的电流为流出该管的集电极，此时通过主控制器控制对应的隔离驱动器驱动该相下桥臂的被测IGBT，应用对应的电压测量电路检测该相下桥臂的被测IGBT的米勒电压并传输至主控制器以进行该相下桥臂的被测IGBT的结温的估算。该相电流小于0时，则确定该相上桥臂的被测IGBT的电流为流出该管的集电极，此时通过主控制器控制对应的隔离驱动器驱动该相上桥臂的被测IGBT，应用对应的电压测量电路检测该相上桥臂的被测IGBT的米勒电压并传输至主控制器以进行该相上桥臂的被测IGBT的结温的估算。
步骤S13：根据测量的所述米勒电压估算所述被测IGBT的结温。
主控制器采集到被测IGBT的米勒电压VGP后，根据米勒电压VGP估算被测IGBT的结温T，可以应用关系式T＝a×f(VGP)+b来估算被测IGBT的结温T，a是倾斜的斜率，b是常数，根据预先设置a、b的值以及函数f(VGP)的特性。如图8所示，其中，FF表示上桥臂的被测IGBT的结温与米勒电压VGP的关系，SKM表示桥臂的被测IGBT的结温与米勒电压VGP的关系。可知，被测IGBT的结温T与米勒电压VGP成线性关系。
上述对本发明特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
上述实施例的IGBT在线结温测量方法应用于实现前述实施例中相应的IGBT在线结温测量电路，并且具有相应的IGBT在线结温测量方法电路实施例的有益效果，在此不再赘述。
所属领域的普通技术人员应当理解：以上任何实施例的讨论仅为示例性的，并非旨在暗示本公开的范围(包括权利要求)被限于这些例子；在本公开的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明它们没有在细节中提供。
本发明旨在涵盖落入所附权利要求的宽泛范围之内的所有这样的替换、修改和变型。因此，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何省略、修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种IGBT在线结温测量电路，其特征是，所述测量电路包括：主控制器、电压测量电路以及隔离驱动器，所述主控制器通过所述隔离驱动器与被测IGBT的栅极和发射极连接，所述电压测量电路与所述被测IGBT的栅极和发射极连接，用于测量所述被测IGBT的栅极和发射极之间的驱动电压，所述主控制器与所述电压测量电路连接，用于在被测IGBT的主电流流出所述被测IGBT的集电极时，控制隔离驱动器驱动所述被测IGBT，并通过所述电压测量电路采集所述被测IGBT的米勒电压，所述主控制器根据测量的所述米勒电压估算所述被测IGBT的结温；所述电压测量电路包括差分采样电路、比较电路以及电压保持电路，所述差分采样电路的输入端与所述被测IGBT的栅极和发射极连接，输出端与所述比较电路以及所述电压保持电路连接，所述比较电路将所述差分采样电路采集的所述被测IGBT的栅极和发射极的驱动电压与参考电压比较，所述比较电路的输出端与所述主控制器以及所述电压保持电路连接，所述电压保持电路与所述主控制器连接，所述比较电路的输出端输出的输出信号触发所述主控制器采集所述电压保持电路输出的所述米勒电压。
2.如权利要求1所述的测量电路，其特征是，所述差分采样电路包括第一放大器，所述第一放大器的同相输入端与所述被测IGBT的栅极连接，所述第一放大器的反相输入端与所述被测IGBT的发射极连接，所述第一放大器的输出端与所述比较电路以及所述电压保持电路连接；
所述比较电路包括一比较器，所述比较器的反相输入端与所述第一放大器的输出端连接，同相输入端接所述参考电压，所述比较器的输出端与所述电压保持电路以及所述主控制器连接。
3.如权利要求1所述的测量电路，其特征是，所述电压保持电路包括第二放大器和开关管，所述开关管的控制端与所述比较电路的输出端连接；所述开关管的第二端与所述差分采样电路的输出端连接，所述开关管的第三端与所述第二放大器的同相输入端连接，所述第二放大器的反相输入端与输出端连接，所述第二放大器的输出端与所述主控制器连接。
4.如权利要求3所述的测量电路，所述电压保持电路还包括第一电容，所述第二放大器的同相输入端还通过所述第一电容接地。
5.如权利要求1所述的测量电路，所述电压测量电路还包括模数转换电路，所述模数转换电路连接在所述电压保持电路与所述主控制器之间。
6.如权利要求5所述的测量电路，所述比较电路的输出端与所述主控制器的输入输出口连接，所述电压保持电路与所述主控制器的串行外设接口连接，所述比较电路输出的输出信号的下降沿传输至所述主控制器，触发外部中断，所述主控制器启动所述模数转换电路采集一次米勒电压。
7.如权利要求1所述的测量电路，所述隔离驱动器包括隔离驱动电路、第一二极管、第一外部电阻、第二二极管以及第二外部电阻，所述隔离驱动电路的第一端与所述主控制器连接，所述隔离驱动电路的第二端与所述被测IGBT的发射极连接，所述隔离驱动电路的第三端与所述第一二极管的阳极以及所述第二二极管的阴极连接，所述第一二极管的阴极通过所述第一外部电阻与所述被测IGBT的栅极连接，所述第二二极管的阳极通过所述第二外部电阻与所述被测IGBT的栅极连接。
8.一种IGBT在线结温测量方法，其特征是，所述方法应用于如权利要求1-7中任一项所述的IGBT在线结温测量电路，包括：
获取被测IGBT的主电流方向；
根据所述主电流方向确定所述被测IGBT的主电流流出所述被测IGBT的集电极时，主控制器控制隔离驱动电路驱动所述被测IGBT，并通过所述电压测量电路采集所述被测IGBT的米勒电压；
根据测量的所述米勒电压估算所述被测IGBT的结温。
9.如权利要求8所述的测量方法，其特征是，所述获取被测IGBT的主电流方向，包括：
获取所述被测IGBT所在全桥逆变器电路中的桥臂的电流大小；
根据所述桥臂的电流大小以及所述被测IGBT在所述桥臂的位置确定所述主电流方向。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114740297B (zh) * 2022-04-12 2022-12-02 湖南炬神电子有限公司 一种功率器件测试方法及系统
CN115951192B (zh) * 2023-03-09 2023-06-23 长沙丹芬瑞电气技术有限公司 一种功率器件的结温检测装置、方法及介质

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105811944A (zh) * 2016-04-12 2016-07-27 重庆大学 用于igbt结温估计的驱动装置及方法
WO2019021590A1 (ja) * 2017-07-28 2019-01-31 三菱電機株式会社 電力用半導体素子の駆動回路
CN112213610A (zh) * 2019-12-27 2021-01-12 电子科技大学 一种绝缘栅器件阈值电压的不停机测量方法
CN112858866A (zh) * 2021-01-20 2021-05-28 合肥工业大学 一种基于米勒平台持续时间的igbt结温监测系统和方法
CN113098314A (zh) * 2021-04-07 2021-07-09 清华大学 一种igbt结温监测方法、装置及系统

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110632490B (zh) * 2019-09-03 2020-11-03 清华大学 一种igbt模块状态监测装置及方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105811944A (zh) * 2016-04-12 2016-07-27 重庆大学 用于igbt结温估计的驱动装置及方法
WO2019021590A1 (ja) * 2017-07-28 2019-01-31 三菱電機株式会社 電力用半導体素子の駆動回路
CN112213610A (zh) * 2019-12-27 2021-01-12 电子科技大学 一种绝缘栅器件阈值电压的不停机测量方法
CN112858866A (zh) * 2021-01-20 2021-05-28 合肥工业大学 一种基于米勒平台持续时间的igbt结温监测系统和方法
CN113098314A (zh) * 2021-04-07 2021-07-09 清华大学 一种igbt结温监测方法、装置及系统

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
IGBT模块结温测量及电磁干扰研究;张江勇;《中国优秀硕士论文全文数据库工程科技辑》;20191231;第1-50页 *
Sensing IGBT Junction Temperature Using Gate Drive Output Transient Properties;He Niu;《IEEE》;20151231;第2492-2499页 *
功率IGBT模块健康状态监测方案研究;王凯宏;《中国优秀博士论文 全文数据库工程科技辑》;20160630;第1-100页 *
基于特定集电极电流下饱和压降的IGBT 模块老化失效状态监测方法;李亚萍;《电工技术学报》;20181231;第24-29页 *

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