CN114295950A

CN114295950A - Igbt器件的集射极饱和压降的在线检测装置

Info

Publication number: CN114295950A
Application number: CN202111428933.7A
Authority: CN
Inventors: 刘志敏; 郭佳; 俞晓丽; 余华; 杨伟民; 王欢欢
Original assignee: CRRC Yongji Electric Co Ltd
Current assignee: CRRC Yongji Electric Co Ltd
Priority date: 2021-11-29
Filing date: 2021-11-29
Publication date: 2022-04-08
Anticipated expiration: 2041-11-29
Also published as: CN114295950B

Abstract

本发明涉及IGBT器件，具体为IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置。为了解决现有技术中难以精确测量IGBT器件集射极电压的问题，故提供了一种新的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置:整流二极管与发射极连接的节点接GND，放大器的反相输入端与第一二极管、第一电阻的节点之间串接有第三电阻、第二二极管，第二二极管与第三电阻的节点通过第二电阻与电源连接，放大器的同相输入端连接于整流二极管与第一电阻的节点，放大器的输出端通过第四电阻连接于第三电阻与放大器的反相输入端的节点，第三电阻与第四电阻的阻值相等，第一二极管与第二二极管的导通压降相等。本发明的可精确、快速检测IGBT的集射极饱和压降。

Description

IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置

技术领域

本发明涉及IGBT器件，特别涉及IGBT器件集射极饱和压降，具体为IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置。

背景技术

随着电力电子技术产业的发展，IGBT器件作为能源变换和传输的核心器件，其应用范围越来越广泛。功率变换器系统运行时，IGBT器件的开关损耗和导通损耗会使IGBT器件芯片的温度升高，使得IGBT器件内部材料承受热应力，加速了IGBT器件老化程度以及失效率，导致IGBT器件发生故障，所以IGBT器件健康状态以及使用寿命评估具有非常重要的意义。

一些学者探讨了IGBT器件集射极饱和压降Vce(sat)与其失效过程的关系，通过IGBT器件的加速老化试验，结果证明IGBT器件的集射极饱和压降Vce(sat)会随着失效进程逐渐增大，并将“IGBT器件集射极饱和压降值超过正常值的5%”作为评价IGBT器件是否失效的衡量标准。因此，如何对IGBT器件集射极饱和压降Vce(sat)进行在线检测，是电力电子领域亟需解决的问题。

现有技术中主要是通过电阻分压的方式来进行IGBT器件集射极饱和压降Vce(sat)的在线检测，如图1所示并由图1得出IGBT器件集射极电压公式Vce=V01*（R01+R02+R03+R04）/R04，若（R01+R02+R03+R04）/R04=100 ，则当IGBT器件关断时，IGBT器件集射极电压Vce（off）为母线电压，高达上千伏，这时分压电阻的电阻值应选大一点，使得流过电阻的电流较小，以免电阻烧损；当IGBT器件开通时，IGBT器件集射极电压Vce(sat)值约为3-5V，但这时分压电阻值应选小一点，便于满足低压检测的精度要求，由此可见，分压电阻值由于需要同时满足高压测试与低压测试的要求而较难选择，从而难以精确测量IGBT器件集射极电压Vce(sat)。

发明内容

本发明为了解决现有技术中难以精确测量IGBT器件集射极电压Vce(sat)的问题，故提供了一种新的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置。

本发明是采用如下技术方案实现的：

IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，包括放大器、依次串接于IGBT集电极C与发射极E之间的第一二极管D1、第一电阻R1、整流二极管DZ，整流二极管DZ的阳极与IGBT器件的发射极E的连接节点接GND，放大器的反相输入端与第一二极管D1的阳极、第一电阻R1的连接节点之间依次串接有第三电阻R3、第二二极管D2，第二二极管D2的阳极与第三电阻的连接节点通过第二电阻R2与电源连接，放大器的同相输入端连接于整流二极管DZ的阴极与第一电阻R1的连接节点处，放大器的输出端通过第四电阻R4连接于第三电阻R3与放大器的反相输入端的连接节点处，整流二极管DZ的击穿电压大于电源电压，第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值相等，第一二极管D1与第二二极管D2均正向导通且导通压降相等。

电源电压为15V。整流二极管DZ的击穿电压VDZ为22V。第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值均为10 KΩ。

工作原理如下：如图2所示，V1为第一二极管D1的阳极、第一电阻R1的连接节点处电压，V2为第二二极管D2的阳极与第三电阻R3的连接节点处电压，V3为第三电阻R3与第四电阻R4的连接节点处电压，V_out为放大器的输出端电压，V_in+为放大器的同相输入端电压，V_in-为放大器的反相输入端电压，VD1为第一二极管的导通压降，VD2为第二二极管的导通压降；

由于整流二极管DZ击穿电压VDZ>电源电压，所以经过第一电阻R1的电流很小（大约为nA-uA级），因此V1=V_in+（1）；

根据放大器的功能，得出： V_in-=V3=V_in+（2）；

由于 (V2-V3)/R3=(V3-V_out)/R4 （3），

得出： V_out=V3(1+R4/R3)-R4* V2/R3（4）；

由公式（1）和公式（2）推导得出： V1=V3（5）；

将公式（5）带入公式（4）得出： V_out =V1(1+R4/R3)-R4* V2/R3（6）；

由于R3=R4以及公式（6）得出： V_out =2V1-V2（7）；

由于IGBT器件的集射极饱和压降Vce(sat)= V1-VD1（8），V2=V1+VD2（9），故将公式（9）带入公式（7）得出：V_out =2V1-V2=2V1-（V1+VD2）= V1-VD2 ，

由于VDI=VD2，故V_out = V1-VD1 （10），

由公式（8）与公式（10）得出：IGBT器件的集射极饱和压降Vce(sat)= V_out；

综上所述，IGBT器件的集射极饱和压降Vce(sat)为放大器的输出端电压V_out。

本发明所产生的有益效果如下：使用本发明的在线检测装置对IGBT器件的集射极饱和压降进行检测时，不再受电阻难选型的困扰，从而可以精确、快速测量IGBT器件饱和压降Vce(sat)，监测IGBT器件的工作状态，为IGBT器件的寿命预测提供数据支持，本发明构思巧妙且创造性地解决了电力电子领域亟需解决的问题。

附图说明

图1为现有技术的检测电路图；

图2为本发明的检测电路图；

图3为本发明的具体实施（实际使用）时的检测电路图。

具体实施方式

实施例：IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，包括放大器、依次串接于IGBT集电极C与发射极E之间的第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第一电阻R1、整流二极管DZ，整流二极管DZ的阳极与IGBT器件的发射极E的连接节点接GND，放大器的反相输入端与第六二极管D6的阳极、第一电阻R1的连接节点之间依次串接有第三电阻R3、第十二极管D10、第九二极管D9、第八二极管D8、第七二极管D7，第十二极管D10的阳极与第三电阻的连接节点通过第二电阻R2与电源连接，放大器的同相输入端连接于整流二极管DZ的阴极与第一电阻R1的连接节点处，放大器的输出端通过第四电阻R4连接于第三电阻R3与放大器的反相输入端的连接节点处，整流二极管DZ的击穿电压大于电源电压，第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值相等，第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10均正向导通且导通压降相等。

具体实施时，电源电压为15V。整流二极管DZ的击穿电压VDZ为22V。第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值均为10 KΩ。第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6的两端分别并联有第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8。

本具体实施方式中，放大器设有八个管脚其分别为第一管脚V-、第二管脚IN-即反相输入端、第三管脚IN+即同相输入端、第四管脚V-、第五管脚V-、第六管脚OUT即输出端、第七管脚V+、第八管脚FLAG，第一管脚V-、第四管脚V-、第五管脚V-连接于-24V电源，第七管脚V+连接于+24V电源。

工作原理如图3所示，V1为二极管D6的阳极与第一电阻R1的连接节点处电压，V2为第十二极管D10的阳极与第三电阻R3的连接节点处电压，V3为第三电阻R3与第四电阻R4的连接节点处的电压，V_out为放大器的输出端电压，V_in+为放大器的同相输入端电压，V_in-为放大器的反相输入端电压，VD3、VD4、VD5、VD6、VD7、VD8、VD9、VD10分别为第三二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管的导通压降；

当IGBT开通时，D3~D6，D7~D10二极管导通，整流二极管DZ击穿电压VDZ=22V>15V，所以经过R1的电流很小（大约为nA-uA级），

因此V1=V_in+（11），

根据放大器的功能，得出：V_in-=V3=V_in+ （12），

(V2-V3)/R3=(V3-V_out)/R4（13），

得出：V_out=V3(1+R4/R3)-R4* V2/R3（14），

由公式（11）和公式（12）推导得出：V1=V3（15），

将公式（15）带入公式（14）得出：V_out=V1(1+R4/R3)-R4* V2/R3 （16），

由于R3=R4以及公式（16）得出：V_out=2V1-V2（17），

由于IGBT器件的集射极饱和压降Vce(sat)= V1-VD3-VD4-VD5-VD6（18），V2=V1+VD7+VD8+VD9+VD10（19）,

故将公式（19）带入公式（17）得出：V_out=2V1-V2=2V1-（V1+ VD7+VD8+VD9+VD10）=V1-（VD7+VD8+VD9+VD10），

由于VD3=VD4=VD5=VD6=VD7=VD8=VD9=VD10，

故V_out= V1-4VD3（20），

IGBT器件的集射极饱和压降Vce(sat)= V1-4VD3（21），

由公式（20）和公式（21）得出：IGBT器件的集射极饱和压降Vce(sat)= V_out；

综上所述，IGBT器件的集射极饱和压降Vce(sat)为放大器的输出端电压V_out，使用时，只需检测放大器的输出端电压V_out的值即可，方便快捷。

Claims

1.IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，包括放大器、依次串接于IGBT集电极C与发射极E之间的第一二极管D1、第一电阻R1、整流二极管DZ，整流二极管DZ的阳极与IGBT器件的发射极E的连接节点接GND，放大器的反相输入端与第一二极管D1的阳极、第一电阻R1的连接节点之间依次串接有第三电阻R3、第二二极管D2，第二二极管D2的阳极与第三电阻的连接节点通过第二电阻R2与电源连接，放大器的同相输入端连接于整流二极管DZ的阴极与第一电阻R1的连接节点处，放大器的输出端通过第四电阻R4连接于第三电阻R3与放大器的反相输入端的连接节点处，整流二极管DZ的击穿电压大于电源电压，第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值相等，第一二极管D1与第二二极管D2均正向导通且导通压降相等。

2.根据权利要求1所述的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，电源电压为15V。

3.根据权利要求2所述的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，整流二极管DZ的击穿电压VDZ为22V。

4.根据权利要求3所述的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值均为10 KΩ。

5.IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，包括放大器、依次串接于IGBT集电极C与发射极E之间的第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第一电阻R1、整流二极管DZ，整流二极管DZ的阳极与IGBT器件的发射极E的连接节点接GND，放大器的反相输入端与第六二极管D6的阳极、第一电阻R1的连接节点之间依次串接有第三电阻R3、第十二极管D10、第九二极管D9、第八二极管D8、第七二极管D7，第十二极管D10的阳极与第三电阻的连接节点通过第二电阻R2与电源连接，放大器的同相输入端连接于整流二极管DZ的阴极与第一电阻R1的连接节点处，放大器的输出端通过第四电阻R4连接于第三电阻R3与放大器的反相输入端的连接节点处，整流二极管DZ的击穿电压大于电源电压，第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值相等，第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10均正向导通且导通压降相等。

6.根据权利要求5所述的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6的两端分别并联有第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8。

7.根据权利要求6所述的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，电源电压为15V。

8.根据权利要求7所述的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，整流二极管DZ的击穿电压VDZ为22V。

9.根据权利要求8所述的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，放大器设有八个管脚其分别为第一管脚V-、第二管脚IN-即反相输入端、第三管脚IN+即同相输入端、第四管脚V-、第五管脚V-、第六管脚OUT即输出端、第七管脚V+、第八管脚FLAG，第一管脚V-、第五管脚V-、第四管脚V-连接于-24V电源，第七管脚V+连接于+24V电源。

10.根据权利要求9所述的IGBT器件的集射极饱和压降的在线检测装置，其特征在于，第三电阻R3与第四电阻R4的电阻值均为10 KΩ。