CN114740327B

CN114740327B - Igbt模块状态监测方法及装置

Info

Publication number: CN114740327B
Application number: CN202210649621.7A
Authority: CN
Inventors: 赵家宽; 任延吉; 黄传伟
Original assignee: Jiangsu Donghai Semiconductor Co ltd
Current assignee: Jiangsu Donghai Semiconductor Co ltd
Priority date: 2022-06-10
Filing date: 2022-06-10
Publication date: 2022-10-11
Anticipated expiration: 2042-06-10
Also published as: CN114740327A

Abstract

本申请公开了一种IGBT模块状态监测方法及装置，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：在不同结温下和不同经过时间下，获取IGBT模块的栅极和发射极之间的电压Vge、以及集电极和发射极之间的电压Vce；步骤S2：获取IGBT模块的集电极电流；步骤S3：通过电压Vge、电压Vce、集电极电流和经过时间，获取不同经过时间下IGBT模块的特性曲线；步骤S4：在IGBT模块不同经过时间的特性曲线上分别获得不同经过时间的老化特征量；步骤S5：将不同经过时间的特性曲线的老化特征量作为老化阈值，再将实时采集的IGBT模块的状态参数与动态的老化特征量进行比较，从而确定IGBT模块的状态。本发明可以解决现有技术中提出的IGBT模块监测准确性较低的问题。

Description

IGBT模块状态监测方法及装置

技术领域

本申请涉及半导体测试技术领域，具体涉及一种IGBT模块状态监测方法及装置。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，由双极型三极管（BJT）和绝缘栅型场效应管（MOSFET）组成。由于IGBT模块导通压降低、输入阻抗高、驱动电路简单等优点，已经成为许多电子装置的核心模块，在工作时受电和热的作用，模块发生故障的可能性不断提高。状态评估是对IGBT模块进行监测的重要手段，如果不能及时、准确地检测故障并进行保护，会导致IGBT永久性损坏。

IGBT模块运行状态监测能够分析IGBT老化过程中相关参数的变化情况，评估模块当前的健康水平。现有技术中，IGBT模块状态监测的传统解决方式主要是在IGBT的集电极与发射极之间并联电阻分压电路，用于获取IGBT的集电极和发射极电压，进而将该状态电压与预定电压进行比较，根据比较结果，确定IGBT的运行状态。然而，集电极与发射极间电压同时受到老化程度与结温的影响，也会受外部电气参数变化影响，这些都会影响到IGBT模块监测的准确性。

发明内容

本申请提供了一种IGBT模块状态监测方法及装置，可以解决现有技术中提出的IGBT模块监测准确性较低的问题。

一方面，本申请提供了一种IGBT模块状态监测方法，包括以下步骤：

步骤S1：在不同结温下和不同经过时间下，获取IGBT模块的栅极和发射极之间的电压Vge、以及集电极和发射极之间的电压Vce；所述经过时间是指PWM信号施加到IGBT模块之后的经过时间；

步骤S2：获取IGBT模块的集电极电流；

步骤S3：通过电压Vge、电压Vce、集电极电流和经过时间，获取不同经过时间下IGBT模块的特性曲线；

步骤S4：在IGBT模块不同经过时间的特性曲线上分别获得不同经过时间的老化特征量；

步骤S5：将不同经过时间的特性曲线的老化特征量作为老化阈值，再将实时采集的IGBT模块的状态参数与动态的老化阈值进行比较，从而确定IGBT模块的状态。

进一步地，所述电压Vge和电压Vce至少在三个不同结温下获取。

进一步地，所述电压Vge和电压Vce至少在三个不同经过时间下获取。

进一步地，所述电压Vge、电压Vce和集电极电流的特性曲线包括瞬时特性曲线、稳定特性曲线和正常特性曲线。

进一步地，所述IGBT模块的特性曲线为电压Vge和电压Vce与集电极电流值的关系曲线。

进一步地，所述老化特征量是指不同结温下，电压Vge、电压Vce和集电极电流的特性曲线的交叉处的值。

进一步地，所述不同经过时间下获得多个实时采集的状态参数，将该多个实时采集的状态参数与老化阈值比较，多个比较结果均为实时采集的状态参数超过老化特征量的阈值时，判断该IGBT模块的状态失效。

本发明还提供一种IGBT模块状态监测装置，包括IGBT模块、监测模块、IGBT驱动器、状态判断模块和信号采集模块；

所述IGBT驱动器能够接收PWM信号控制IGBT模块；所述监测模块包括电压采样电路，用于测量施加到IGBT模块的栅极和发射极之间的电压Vge、以及集电极和发射极之间的电压Vce，监测模块将电压Vge、电压Vce提供给状态判断模块；所述信号采集模块采集流过IGBT模块的集电极电流以及PWM信号施加到IGBT模块之后的经过时间，信号采集模块将上述信号传输给状态判断模块；所述状态判断模块通过电压Vge、电压Vce和集电极电流确定不同经过时间下IGBT模块的特性曲线，并由特性曲线获得老化特征值，该老化特征值作为老化阈值；所述状态判断模块根据老化阈值与实时采集参数进行比较，判断IGBT模块的状态是否失效。

进一步地，所述监测模块通过探针向IGBT模块施加电压。

进一步地，所述探针的每个针与一个开关单元相关联，控制单元通过驱动每个单独的开关单元选择性地中断相应探针中的电流流动。

进一步地，所述开关单元为固态开关。

本申请技术方案，至少包括如下优点：

本发明所述的IGBT模块状态监测装置及方法通过获得IGBT模块动态的老化特征量，能够准确地确定IGBT的工作状态。因此，即使在刚施加PWM信号之后，也可以准确地确定IGBT的工作状态，并且可以增加对集电极电流值的变化的响应性。

附图说明

为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，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1是本申请一个实施例提供的IGBT模块状态监测装置示意图。

图2是本申请一个实施例提供的IGBT模块的电压Vge和集电极电流特性曲线的示意图。

图3是本申请一个实施例提供的IGBT模块的电压Vce和集电极电流特性曲线的示意图。

图4为本申请一个实施例提供的状态监测方法流程图。

图5为本申请一个实施例提供的探针的原理框图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本申请中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在不做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电气连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，下面所描述的本申请不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明所述IGBT模块状态监测装置，如图1所示，该装置包括IGBT模块1、监测模块2、IGBT驱动器3、状态判断模块4和信号采集模块5；所述IGBT模块1是能够快速执行阻止或允许电流流动的开关操作的功率器件，IGBT模块1包括集电极、发射极和栅极；所述IGBT驱动器3包括接收脉冲宽度调制（PWM）信号来控制IGBT模块１，当从IGBT驱动器3施加PWM信号时，IGBT模块1导通，当未从IGBT驱动器3施加PWM信号时，IGBT模块1截止；所述监测模块2包括电压采样电路，用于测量施加到IGBT模块1的栅极和发射极之间的电压Vge、以及集电极和发射极之间的电压Vce，监测模块2将电压Vge、电压Vce提供给状态判断模块4；所述信号采集模块5采集流过IGBT模块1的集电极电流以及PWM信号施加到IGBT模块1之后的经过时间，信号采集模块5将上述信号传输给状态判断模块4；所述状态判断模块4通过电压Vge、电压Vce、集电极电流和经过的时间值来确定IGBT模块1的状态，判断IGBT模块1是否已经失效。

如图1所示，所述状态判断模块4包括接收单元401，接收单元401用于接收PWM信号，并且接收IGBT模块１的电压Vge、电压Vce、集电极电流以及PWM信号经过的时间；所述接收单元401连接监测模块2和信号采集模块5，接收单元401从监测模块2接收电压Vge、电压Vce，从信号采集模块5接收IGBT模块1的集电极电流和经过时间；另外，所述接收单元401将电压Vge、电压Vce、集电极电流和经过时间提供给状态确定单元402；所述状态确定单元402基于一个分界面函数对电压Vge、电压Vce、集电极电流值和经过时间值进行计算，并基于所执行的函数的结果来确定IGBT模块1的动态变化状态。所述分界面函数可以采用

，其中，

、

为分界面函数系数，由特性曲线计算得出，具体地：所述特性曲线是指有效的IGBT模块的特性曲线，即电压Vge、电压Vce与集电极电流I的关系曲线，由关系曲线拟合出的方程的系数作为分界面函数系数；

为SVM核函数，SVM函数为机器学习算法；

为待测样本特征量，在本实施例中，可以是电压Vge、电压Vce、集电极电流值和给过的时间值；

为第

个样本的特征量；

为样本标签，表示IGBT模块是否失效的状态类别，

。根据分界面函数获取IGBT模块1的特性曲线，即IGBT模块1工作时电压Vge、电压Vce与集电极电流I的关系（如图2、图3所示），根据特性曲线可知，IGBT模块1在不同结温时（T1、T2、T3），电压对应不同的集电极电流值。因此，在如图2所示曲线的交叉点处对应的电压下，电流不受结温影响，该电流作为老化特征量，该老化特征量作为老化阈值。再将实时采集IGBT模块的状态参数（电压Vge、电压Vce、集电极电流值），由状态确定单元401根据老化阈值与实时采集参数进行比较，判断IGBT模块1的状态，是否失效。

本发明所述的IGBT模块状态监测装置是通过获得IGBT模块1动态的老化特征量，能够动态获取IGBT模块1在不同结温、不同电气参数条件、不同老化状态下的老化特征量，用以作为比较标准，能够准确地确定IGBT的工作状态。因此，即使在刚施加PWM信号之后，也可以准确地确定IGBT的工作状态，并且可以增加对集电极电流值的变化的响应性。

如图4所示，其示出了本发明所述IGBT模块状态监测方法的流程图，该监测方法包括：

步骤S1：在不同结温下，获取IGBT模块的栅极和发射极之间的电压Vge、以及集电极和发射极之间的电压Vce，具体地，由IGBT驱动器3施加PWM信号，控制IGBT模块１，通过监测模块2的电压采样电路获取电压Vge和电压Vce；

步骤S2：获取IGBT模块1的集电极电流以及PWM信号施加到IGBT模块1之后的经过时间；

步骤S3：由动态采集的IGBT模块的电压Vge、电压Vce、集电极电流值和经过时间值，获取IGBT模块1的特性曲线；在本实施例中，根据经过时间值的大小，电压Vge、电压Vce和集电极电流值的特性曲线可以概括成瞬时特性曲线、稳定特性曲线和正常特性曲线；

具体地，一个分界面函数对电压Vge、电压Vce、集电极电流值和经过时间值进行计算，并基于所执行的函数的结果来确定IGBT模块1的动态变化状态。所述分界面函数可以采用

，其中，

、

为分界面函数系数，由模型计算得出；

为SVM核函数，SVM函数为机器学习算法；

为待测样本特征量；或者，所述IGBT模块1的特性曲线也可以直接测试时电压Vge和电压Vce与集电极电流值的关系绘制得出；

步骤S4：在IGBT模块1的瞬时特性曲线、稳定特性曲线和正常特性曲线上分别获得动态的老化特征量；具体地，不同结温下，电压Vge、电压Vce和集电极电流的特性曲线的交叉处作为老化特征量；当IGBT模块在不结温或者不同外部电气参数条件下，该老化特征量会发生动态变化，动态采集该老化特征量；

步骤S5：将瞬时特性曲线、稳定特性曲线和正常特性曲线的老化特征量作为老化阈值；再将实时采集的IGBT模块的状态参数（电压Vge、电压Vce、集电极电流值）与动态的老化特征量进行比较，从而确定IGBT模块1的状态。

当然根据不同经过时间形成的特性曲线可以为三条或三条以上，不同经过时间特性曲线的老化特征量会存在一个偏差，将不同经过时间下，实时采集的三个或三个以上的状态参数分别与老化特征量的阈值进行比较，若三个或三个以上的比较结果判断一致时，即三个或三个以上的实时采集的状态参数均超过老化特征量的阈值时，判断该IGBT模块1的状态失效。

所述监测模块2通过探针201向IGBT模块施加电压，由于本发明所述的测试方法需要采集不同经过时间下的电压和电流，因而要求探针能够中断，而不仅仅是限制对探针的供电。如图5所示，所述探针201的每个针与一个开关单元202相关联，开关单元202采用固态开关，控制单元203可以驱动每个单独的开关单元202选择性地中断相应探针中的电流流动。本发明允许通过打开与所有针相关联的所有开关单元202来完全中断在探针中循环的电流。该解决方案允许在尽可能短的时间内完全中断流向被测器件的电流，一方面将整个测试装置的寄生电感保持在非常低的水平，另一方面在结温和经过时间调整时，可以进行快速控制。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本申请创造的保护范围之中。

Claims

1.IGBT模块状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S2：获取IGBT模块的集电极电流；

步骤S3：通过电压Vge、电压Vce、集电极电流和经过时间，获取不同经过时间下IGBT模块的特性曲线；所述IGBT模块的特性曲线为电压Vge和电压Vce与集电极电流的关系曲线；

步骤S4：在IGBT模块不同经过时间的特性曲线上分别获得不同经过时间的老化特征量；所述老化特征量是指不同结温下，电压Vge、电压Vce和集电极电流的特性曲线的交叉处的值；

2.根据权利要求1所述的IGBT模块状态监测方法，其特征在于，所述电压Vge和电压Vce至少在三个不同结温下获取。

3.根据权利要求1所述的IGBT模块状态监测方法，其特征在于，所述电压Vge和电压Vce至少在三个不同经过时间下获取。

4.根据权利要求1所述的IGBT模块状态监测方法，其特征在于，所述不同经过时间下获得多个实时采集的状态参数，将该多个实时采集的状态参数与老化阈值比较，多个比较结果均为实时采集的状态参数超过老化阈值时，判断该IGBT模块的状态失效。

5.IGBT模块状态监测装置，其特征在于，包括IGBT模块、监测模块、IGBT驱动器、状态判断模块和信号采集模块；

所述IGBT驱动器能够接收PWM信号控制IGBT模块；所述监测模块包括电压采样电路，用于测量施加到IGBT模块的栅极和发射极之间的电压Vge、以及集电极和发射极之间的电压Vce，监测模块将电压Vge、电压Vce提供给状态判断模块；所述信号采集模块采集流过IGBT模块的集电极电流以及PWM信号施加到IGBT模块之后的经过时间，信号采集模块将上述信号传输给状态判断模块；所述状态判断模块通过电压Vge、电压Vce和集电极电流值确定不同经过时间下IGBT模块的特性曲线，并由特性曲线获得老化特征量，该老化特征量作为老化阈值；所述IGBT模块的特性曲线为电压Vge和电压Vce与集电极电流的关系曲线；所述老化特征量是指不同结温下，电压Vge、电压Vce和集电极电流的特性曲线的交叉处的值；

所述状态判断模块根据老化阈值与实时采集参数进行比较，判断IGBT模块的状态，是否失效。

6.根据权利要求5所述的IGBT模块状态监测装置，其特征在于，所述监测模块通过探针向IGBT模块施加电压。

7.根据权利要求6所述的IGBT模块状态监测装置，其特征在于，所述探针的每个针与一个开关单元相关联，控制单元通过驱动每个单独的开关单元选择性地中断相应探针中的电流流动。

8.根据权利要求7所述的IGBT模块状态监测装置，其特征在于，所述开关单元为固态开关。