CN115032517A - 监测igbt器件工作状态的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种监测IGBT器件工作状态的系统和方法,包括以下步骤:步骤S1:选择多个集电极电流Ic,以一定的采样周期检测IGBT器件的饱和导通压降Vce;步骤S2:建立不同集电极电流Ic条件下,饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线;根据饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线获得对应的结温T,将结温T与预警结温T0比较,判断GBT是否失效;步骤S3:计算相邻采样周期t之间的结温波动ΔT,根据结温波动ΔT的范围提高或降低开关频率,并再次测量饱和导通压降Vce,获得新的结温T;步骤S4:重复判断结温波动情况,当结温波动ΔT稳定于波动的阈值范围时,判断IGBT的失效情况。本发明可以解决现有技术中提出的IGBT器件工作状态监测分辨率和精确度低的问题。
Description
技术领域
本申请涉及半导体测试技术领域,具体涉及一种监测IGBT器件工作状态的系统和方法。
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器件的结温是重要的参数,可以用于预测和评估IGBT器件的老化并且能够评估器件当前的健康水平。现有技术中,有采用导通压降法进行IGBT器件的结温测量,使用导通压降法监测结温应首先进行标定,获得导通压降、电流、结温之间的三维映射规律,标定的准确性直接影响结温监测的效果。基于导通电流测试的热敏感电参数均存在不同程度的自发热问题,大电流导通压降法则更为严重,采样时刻会影响精度。如果在开通之后过短时间内采样,瞬态过程尚未结束,导通电压误差较大; 如果持续通电流时间过长,则发热明显,温度相差很大,需要补偿。
综上,采用导通压降法监测结温会由于集电极电流等变化,采集到的发生结温波动,导致不能提供需要的监测分辨率和精确度。
发明内容
本申请提供了一种监测IGBT器件工作状态的系统和方法,可以解决现有技术中提出的IGBT器件工作状态监测分辨率和精确度低的问题。
一方面,本申请提供了一种监测IGBT器件工作状态的方法,包括以下步骤:
步骤S1:选择多个集电极电流Ic,以采样周期t为时间间隔检测IGBT器件的饱和导通压降Vce;
步骤S2:根据步骤S1的测量结果,建立不同集电极电流Ic条件下,饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线;根据饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线获得对应的结温T,将结温T与预警结温T0比较,当结温T高于预警结温T0时,则认为IGBT有失效的可能;
步骤S3:计算相邻采样周期t之间的结温波动ΔT,根据结温波动ΔT的范围提高或降低开关频率,并再次在步骤S2所述的集电极电流Ic的条件下测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得新的结温T;
步骤S4:重复判断相邻采样周期t之间新的结温波动情况,当结温波动ΔT稳定于波动的阈值范围时,由新的结温T与预警结温T0比较,判断IGBT的失效情况。
进一步地,所述步骤S1中,多个集电极电流Ic分别为80mA、90mA、100mA。
进一步地,所述步骤S2中,当多组集电极电流Ic情况下采集的结温T均大于或临近预警温度T0时,判断IGBT失效。
进一步地,当ΔT≥ΔT1时,ΔT1为40℃,在系统初始开关频率的基础上降低开关频率,并在步骤S2所述的集电极电流Ic的条件下再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;当ΔT≤ΔT2时,ΔT2为30℃,在系统初始开关频率的基础上提高开关频率,并在步骤S2所述的集电极电流Ic的条件下再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;当ΔT2<ΔT≤ΔT1时,则判断该情况下由饱和导通电压获得的结温T可用于与预警温度T0比较,以判断IGBT是否失效。
进一步地,所述降低开关频率降低幅度为5%-10%。
进一步地,所述提高开关频率降低幅度为5%-10%。
进一步地,当需要调整开关频率时,延长采样周期t,使采样周期t延长至2t。
本发明还提供一种监测IGBT器件工作状态的系统,包括IGBT模块、IGBT驱动器、监测模块、控制模块和状态判断模块;
IGBT驱动器给所述IGBT模块施加集电极电流Ic,监测模块在不同集电极电流Ic下以采样周期t为时间间隔检测得饱和导通压降,并获得饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线;状态判断模块根据饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线获得对应的结温T,将结温T与预警结温T0比较,判断IGBT模块是否失效;状态判断模块根据相邻采样周期t之间的结温获得结温波动ΔT,将结温波动ΔT与结温波动的阈值进行比例,并根据比较结果启动控制模块;控制模块根据结温波动ΔT与结温波动的阈值比较结果,控制降低或提高开关频率。
进一步地,当所述结温波动ΔT≥ΔT1时,ΔT1为40℃,控制模块控制降低开关频率,并由监测模块再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;当ΔT≤ΔT2时,ΔT2为30℃,控制模块控制提高开关频率,并由监测模块再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T。
进一步地,当ΔT2<ΔT≤ΔT1时,ΔT1为40℃,ΔT2为30℃,状态判断模块直接输出IGBT模块是否失效的判断信息。
本申请技术方案,至少包括如下优点:
本发明所述的监测IGBT器件工作状态的系统是通过建立饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线,由结温与IGBT器件失效状态下的结温阈值进行比较判断是否失效;并且进一步考虑了开关损耗对器件温度的影响,通过开关频率的调整,使得监测过程中结温的波动变小,以保证监测结果的分辨率和精准度。
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是本申请提供的监测IGBT器件工作状态的系统示意图。
图2是本申请提供的监测IGBT器件工作状态的方法流程图。
图3为本申请实施例中饱和导通压降和结温的对应关系曲线。其中,曲线1为集电极电流为100mA时,曲线2为集电极电流为90mA时,曲线3为80mA时。
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。
本发明所述监测IGBT器件工作状态的方法,如图2所示,包括如下步骤:
步骤S1:选择多个集电极电流Ic,以采样周期t为时间间隔检测IGBT器件的饱和导通压降Vce;所述集电极电流Ic分别为80mA、90mA、100mA;
步骤S2:根据步骤S1的测量结果,建立不同集电极电流Ic条件下,饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线,如图3所示;根据饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线获得对应的结温T,将结温T与预警结温T0比较,当结温T高于预警结温T0时,则认为IGBT有失效的可能;一般情况下,集电极电流Ic不变时,饱和导通压降Vce会随着结温的升高而变大,因此,当IGBT结温T临近或大于预警温度值T0,有失效的可能性;尤其是当三组集电极电流Ic情况下,结温T均大于或临近预警温度T0时,判断IGBT失效;
步骤S3:具体地,为了判断IGBT是否真的失效,还需要进一步考虑开关损耗对器件温度的影响;计算相邻采样周期t之间的结温波动ΔT,考察结温波动ΔT的范围,具体的,
当ΔT≥ΔT1时,一般ΔT1为40℃,在系统初始开关频率的基础上降低开关频率,并在步骤S2所述的三个集电极电流Ic的条件下再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;所述降低开关频率一般降低幅度为5%-10%;
当ΔT≤ΔT2时,一般ΔT2为30℃,在系统初始开关频率的基础上提高开关频率,并在步骤S2所述的三个集电极电流Ic的条件下再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;所述提高开关频率一般降低幅度为5%-10%;
当ΔT2<ΔT≤ΔT1时,则判断该情况下由饱和导通电压获得的结温T可用于与预警温度T0比较,以判断IGBT是否失效。
上述过程中通过开关频率的调整,使得监测过程中结温的波动变小,以保证监测结果的分辨率和精准度;
步骤S4:重复判断相邻采样周期t之间新的结温的结温波动情况,当结温波动ΔT稳定于波动的阈值范围时,由新的结温T与预警结温T0比较,判断IGBT的失效情况。
进一步地,为避免两个开关频率之间快速切换,当需要调整开关频率时,延长采样周期t,使采样周期t延长至2t。
本发明所述监测IGBT器件工作状态的系统,包括IGBT模块1、IGBT驱动器2、监测模块3、控制模块4和状态判断模块5,IGBT驱动器2给所述IGBT模块1施加集电极电流Ic,监测模块3在不同集电极电流Ic下以采样周期t为时间间隔检测得饱和导通压降,并获得饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线;所述状态判断模块5根据饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线获得对应的结温T,将结温T与预警结温T0比较,判断IGBT模块1是否失效;所述状态判断模块5根据相邻采样周期t之间的结温获得结温波动ΔT,将结温波动ΔT与结温波动的阈值进行比例,并根据比较结构启动控制模块4,具体如下:
当ΔT≥ΔT1时,一般ΔT1为40℃,控制模块4控制降低开关频率,并由监测模块3再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;所述降低开关频率一般降低幅度为5%-10%;
当ΔT≤ΔT2时,一般ΔT2为30℃,控制模块4控制提高开关频率,并由监测模块3再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;所述提高开关频率一般降低幅度为5%-10%;
当ΔT2<ΔT≤ΔT1时,则状态判断模块5直接输出IGBT模块1是否失效的判断信息。
本发明所述的监测IGBT器件工作状态的系统是通过建立饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线,由结温与IGBT器件失效状态下的结温阈值进行比较判断是否失效;并且进一步考虑了开关损耗对器件温度的影响,通过开关频率的调整,使得监测过程中结温的波动变小,以保证监测结果的分辨率和精准度。
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 (10)
1.监测IGBT器件工作状态的方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤S1:选择多个集电极电流Ic,以采样周期t为时间间隔检测IGBT器件的饱和导通压降Vce;
步骤S2:根据步骤S1的测量结果,建立不同集电极电流Ic条件下,饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线;根据饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线获得对应的结温T,将结温T与预警结温T0比较,当结温T高于预警结温T0时,则认为IGBT有失效的可能;
步骤S3:计算相邻采样周期t之间的结温波动ΔT,根据结温波动ΔT的范围提高或降低开关频率,并再次在步骤S2所述的集电极电流Ic的条件下测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得新的结温T;
步骤S4:重复判断相邻采样周期t之间新的结温波动情况,当结温波动ΔT稳定于波动的阈值范围时,由新的结温T与预警结温T0比较,判断IGBT的失效情况。
2.根据权利要求1所述的监测IGBT器件工作状态的方法,其特征在于,所述步骤S1中,多个集电极电流Ic分别为80mA、90mA、100mA。
3.根据权利要求1所述的监测IGBT器件工作状态的方法,其特征在于,所述步骤S2中,当多组集电极电流Ic情况下采集的结温T均大于或临近预警温度T0时,判断IGBT失效。
4.根据权利要求1所述的监测IGBT器件工作状态的方法,其特征在于,当ΔT≥ΔT1时,ΔT1为40℃,在系统初始开关频率的基础上降低开关频率,并在步骤S2所述的集电极电流Ic的条件下再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;当ΔT≤ΔT2时,ΔT2为30℃,在系统初始开关频率的基础上提高开关频率,并在步骤S2所述的集电极电流Ic的条件下再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;当ΔT2<ΔT≤ΔT1时,则判断该情况下由饱和导通电压获得的结温T可用于与预警温度T0比较,以判断IGBT是否失效。
5.根据权利要求4所述的监测IGBT器件工作状态的方法,其特征在于,所述降低开关频率降低幅度为5%-10%。
6.根据权利要求4所述的监测IGBT器件工作状态的方法,其特征在于,所述提高开关频率降低幅度为5%-10%。
7.根据权利要求4所述的监测IGBT器件工作状态的方法,其特征在于,当需要调整开关频率时,延长采样周期t,使采样周期t延长至2t。
8.监测IGBT器件工作状态的系统,其特征是,包括IGBT模块(1)、IGBT驱动器(2)、监测模块(3)、控制模块(4)和状态判断模块(5);
IGBT驱动器(2)给所述IGBT模块(1)施加集电极电流Ic,监测模块(3)在不同集电极电流Ic下以采样周期t为时间间隔检测得饱和导通压降Vce,并获得饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线;状态判断模块(5)根据饱和导通压降Vce和结温的对应关系曲线获得对应的结温T,将结温T与预警结温T0比较,判断IGBT模块(1)是否失效;状态判断模块(5)根据相邻采样周期t之间的结温获得结温波动ΔT,将结温波动ΔT与结温波动的阈值进行比例,并根据比较结果启动控制模块(4);控制模块(4)根据结温波动ΔT与结温波动的阈值比较结果,控制降低或提高开关频率。
9.如权利要求8所述的监测IGBT器件工作状态的系统,其特征是,当所述结温波动ΔT≥ΔT1时,ΔT1为40℃,控制模块(4)控制降低开关频率,并由监测模块(3)再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T;当ΔT≤ΔT2时,ΔT2为30℃,控制模块(4)控制提高开关频率,并由监测模块(3)再次测量饱和导通压降Vce,根据饱和导通压降Vce获得相应的结温T。
10.如权利要求8所述的监测IGBT器件工作状态的系统,其特征是,当ΔT2<ΔT≤ΔT1时,ΔT1为40℃,ΔT2为30℃,状态判断模块(5)直接输出IGBT模块(1)是否失效的判断信息。
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