CN115508683A - Igbt模块键合线状态检测装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种IGBT模块键合线状态检测装置，其特征在于：包括测量驱动电路、控制器以及检测电路；所述控制器，用于根据用户指令向测量驱动电路输出控制指令，控制测量驱动电路工作或者停止工作；所述测量驱动电路，用于接收控制器输出的控制指令，并向待测的IGBT输出驱动电压驱动IGBT模块导通；所述检测电路，用于在IGBT模块达到稳态且测量驱动电路停止输出驱动电压后测量IGBT模块的门极电压以及IGBT的集电极电流并输出至控制器，根据门极电压以及集电极电流确定IGBT模块的跨导以及导通阈值，并依据跨导和导通阈值判断IGBT模块键合线的健康状态。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT模块检测装置和方法，尤其涉及一种IGBT模块键合线状态检测装置及其方法。
背景技术
IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor绝缘栅双极型晶体管)，是能源变换与传输的核心器件，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车与新能源装备等领域应用极广，IGBT模块是应用最广泛的功率器件，有着不可或缺的地位。在实际运用中，由于功率变流器长时间IGBT作于处理功率大范围随机波动的恶劣工况下，造成IGBT器件内部的结温持续大范围波动，进而使IGBT出现老化失效的情况，如能实时监测IGBT的老化状态，就可以及时替换接近老化失效的模块，进而避免造成重大损失。
现有IGBT老化监测技术多使用小电流下的饱和压降VCE-sat。，在IGBT饱和导通时注入100mA小电流，然后读取该状态下的VCE，但是饱和导通压降相对老化过程的变化量很小，一般只有十几mV左右，并且变流器的母线电压一般在几百伏上千伏，从上千伏中测量十几mV的变化量；从而测量系统的要求很高，造成测量成本高昂，而且准确性难以得到保障。
因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的技术手段。
发明内容
有鉴于此，本发明提供的一种IGBT模块键合线状态检测装置及其方法，能够对IGBT模块的键合线的老化状态进行准确检测，并且整个测量系统结构简单，成本低，而且能够保证检测结果的准确性，使用方便。
本发明提供的一种IGBT模块键合线状态检测装置，其特征在于：包括测量驱动电路、控制器以及检测电路；
所述控制器，用于根据用户指令向测量驱动电路输出控制指令，控制测量驱动电路工作或者停止工作；
所述测量驱动电路，用于接收控制器输出的控制指令，并向待测的IGBT输出驱动电压驱动IGBT模块导通；
所述检测电路，用于在IGBT模块达到稳态且测量驱动电路停止输出驱动电压后测量IGBT模块的门极电压以及IGBT的集电极电流并输出至控制器，根据门极电压以及集电极电流确定IGBT模块的跨导以及导通阈值，并依据跨导和导通阈值判断IGBT模块键合线的健康状态。
进一步，所述测量驱动电路包括芯片U1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、稳压管D1以及电感L1；
所述芯片U1的输入端连接于直流电源VCC，芯片U1的控制输入端CTR连接于控制器的控制输出端；芯片U1的输出端通过电感L1连接于电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接于IGBT的栅极，电感L1和电阻R3之间的公共连接点通过电容C2接地，芯片U1的输出端连接于稳压管D1的负极，稳压管D1的正极接地，电阻R2的一端连接于电感L1和电阻R3之间的公共连接点，电阻R2的另一端通过电阻R1接地，电阻R1和电阻R2的公共连接点连接于芯片U1的反馈控制端，其中，芯片U1为LM2678稳压芯片。
进一步，所述电阻R2为数字电位器，数字电位器的控制端连接于控制器。
进一步，还包括双通道电控切换开关，所述双通道电控切换开关的第一输入端连接于测量驱动电路的输出端，双通道电控切换电控开关的第二输入端连接于工作驱动电路的输出端，所述双通道切换电控开关的输出端连接于IGBT模块的栅极，双通道电控切换开关的控制端连接于控制器的控制输出端。
进一步，还包括远程工控机，所述远程工控机通过无线通信模块与控制器通信连接，所述远程工控机接收空气上传的IGBT门极电压以及集电极电流，并依据门极电压以及集电极电流确定IGBT模块的跨导以及导通阈值，并依据跨导和导通阈值判断IGBT模块键合线的健康状态。
相应地，本发明还提供了一种基于上述检测装置的IGBT模块键合线健康状态检测方法，包括以下步骤：
S1.控制器控制测量驱动电路工作，测量驱动电路向IGBT模块输出驱动电压使得IGBT模块导通并达到稳态，当IGBT模块达到稳定状态后控制器控制测量驱动电路停止工作；
S2.在测量驱动电路停止工作的同时，控制器通过检测电路采集IGBT模块的门极电压和集电极电流，直至集电极电流变为0为止；
S3.对IGBT模块的门极电压和集电极电流进行拟合，拟合关系式为：
对IGBT模块的门极电压和集电极电流按照拟合关系式通过MATLAB软件进行拟合确定出IBGT模块的跨导和导通阈值；
S4.以当前跨导和导通阈值作为IGBT模块的键合线健康状态的特征量对IGBT模块的健康状态进行判断。
本发明的有益效果：通过本发明，能够对IGBT模块的键合线的老化状态进行准确检测，并且整个测量系统结构简单，成本低，而且能够保证检测结果的准确性，使用方便。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的测量驱动电路原理图。
具体实施方式
以下进一步对本发明做出详细说明：
本发明提供的一种IGBT模块键合线状态检测装置，其特征在于：包括测量驱动电路、控制器以及检测电路；
所述控制器，用于根据用户指令向测量驱动电路输出控制指令，控制测量驱动电路工作或者停止工作；其中，控制器采用现有的单片机实现。
所述测量驱动电路，用于接收控制器输出的控制指令，并向待测的IGBT输出驱动电压驱动IGBT模块导通；
所述检测电路，用于在IGBT模块达到稳态且测量驱动电路停止输出驱动电压后测量IGBT模块的门极电压以及IGBT的集电极电流并输出至控制器，根据门极电压以及集电极电流确定IGBT模块的跨导以及导通阈值，并依据跨导和导通阈值判断IGBT模块键合线的健康状态。其中，检测电路采用现有的电压采样电路和电流采样电路实现，此属于现有技术，在此不加以赘述；IGBT达到稳态是指IGBT完全导通后其集电极电流不在变化，呈现出一固定值即达到稳态；通过上述结构，能够对IGBT模块的键合线的老化状态进行准确检测，并且整个测量系统结构简单，成本低，而且能够保证检测结果的准确性，使用方便。
本实施例中，所述测量驱动电路包括芯片U1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、稳压管D1以及电感L1；
所述芯片U1的输入端连接于直流电源VCC，芯片U1的控制输入端CTR连接于控制器的控制输出端；芯片U1的输出端通过电感L1连接于电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接于IGBT的栅极，电感L1和电阻R3之间的公共连接点通过电容C2接地，芯片U1的输出端连接于稳压管D1的负极，稳压管D1的正极接地，电阻R2的一端连接于电感L1和电阻R3之间的公共连接点，电阻R2的另一端通过电阻R1接地，电阻R1和电阻R2的公共连接点连接于芯片U1的反馈控制端，其中，芯片U1为LM2678稳压芯片。
其中，所述电阻R2为数字电位器，数字电位器的控制端连接于控制器，采用数字电位器，能够对反馈电压进行调整，从而适应于不同类型的IGBT模块，使得适应性广。
本实施例中，还包括双通道电控切换开关，所述双通道电控切换开关的第一输入端连接于测量驱动电路的输出端，双通道电控切换电控开关的第二输入端连接于工作驱动电路的输出端，所述双通道切换电控开关的输出端连接于IGBT模块的栅极，双通道电控切换开关的控制端连接于控制器的控制输出端，双通道电控切换开关采用现有的电路，比如TPS2560DRCR、CD4512BM96等芯片均可实现，工作驱动电路即IGBT模块实际应用场景的驱动电路，通过上述结构，当IGBT模块处于实际工作时，控制器控制双通道电控切换开关中的工作驱动电路的通道导通，而测量时，则控制测量驱动电路导通，从而无需对IGBT模块进行拆卸，方便使用，降低使用成本。
本实施例中，还包括远程工控机，所述远程工控机通过无线通信模块与控制器通信连接，所述远程工控机接收空气上传的IGBT门极电压以及集电极电流，并依据门极电压以及集电极电流确定IGBT模块的跨导以及导通阈值，并依据跨导和导通阈值判断IGBT模块键合线的健康状态，其中，无线通信模块可以采用5G模块，可以采用ZigBee模块、UWB模块等等。
相应地，本发明还提供了一种基于上述检测装置的IGBT模块键合线健康状态检测方法，包括以下步骤：
S1.控制器控制测量驱动电路工作，测量驱动电路向IGBT模块输出驱动电压使得IGBT模块导通并达到稳态，当IGBT模块达到稳定状态后控制器控制测量驱动电路停止工作；
S2.在测量驱动电路停止工作的同时，控制器通过检测电路采集IGBT模块的门极电压和集电极电流，直至集电极电流变为0为止；
S3.对IGBT模块的门极电压和集电极电流进行拟合，拟合关系式为：
对IGBT模块的门极电压和集电极电流按照拟合关系式通过MATLAB软件进行拟合确定出IBGT模块的跨导和导通阈值；其中，MATLAB软件进行拟合为一个现有技术，在此不对其过程进行赘述；
S4.以当前跨导和导通阈值作为IGBT模块的键合线健康状态的特征量对IGBT模块的健康状态进行判断。
同一个IGBT模块在不同的老化状态下键合线断裂数不同，其表现的导通阈值和跨导都是不同，总的来说：新的IGBT模块的导通阈值和跨导的值为最大，随着老化后键合线断裂，其跨导和导通阈值时逐渐下降的，下面以一个实例说明：
在本实例中，采用英飞凌的FF50R12RT4型号的IGBT作为实验对象，通过上述步骤得到跨导和导通阈值如下表所示：
在上述实例中可以看出：IGBT的跨导和导通阈值随着键合线断裂数的增加而减小，因此，当实际应用时，可以先测出一个样品的键合线脱落情况以及不同键合线断裂数下所对应的跨导和导通阈值的范围，然后再通过上述步骤对实际工况下的IGBT模块进行测试，然后将得到的跨导与测得的范围进行比对，从而就能够得到相应的键合线老化的情况，进而做出相应的处理措施。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (6)
1.一种IGBT模块键合线状态检测装置，其特征在于：包括测量驱动电路、控制器以及检测电路；
所述控制器，用于根据用户指令向测量驱动电路输出控制指令，控制测量驱动电路工作或者停止工作；
所述测量驱动电路，用于接收控制器输出的控制指令，并向待测的IGBT输出驱动电压驱动IGBT模块导通；
所述检测电路，用于在IGBT模块达到稳态且测量驱动电路停止输出驱动电压后测量IGBT模块的门极电压以及IGBT的集电极电流并输出至控制器，根据门极电压以及集电极电流确定IGBT模块的跨导以及导通阈值，并依据跨导和导通阈值判断IGBT模块键合线的健康状态。
2.根据权利要求1所述IGBT模块键合线状态检测装置，其特征在于：所述测量驱动电路包括芯片U1、电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、稳压管D1以及电感L1；
所述芯片U1的输入端连接于直流电源VCC，芯片U1的控制输入端CTR连接于控制器的控制输出端；芯片U1的输出端通过电感L1连接于电阻R3的一端，电阻R3的另一端连接于IGBT的栅极，电感L1和电阻R3之间的公共连接点通过电容C2接地，芯片U1的输出端连接于稳压管D1的负极，稳压管D1的正极接地，电阻R2的一端连接于电感L1和电阻R3之间的公共连接点，电阻R2的另一端通过电阻R1接地，电阻R1和电阻R2的公共连接点连接于芯片U1的反馈控制端，其中，芯片U1为LM2678稳压芯片。
3.根据权利要求2所述IGBT模块键合线状态检测装置，其特征在于：所述电阻R2为数字电位器，数字电位器的控制端连接于控制器。
4.根据权利要求1所述IGBT模块键合线状态检测装置，其特征在于：还包括双通道电控切换开关，所述双通道电控切换开关的第一输入端连接于测量驱动电路的输出端，双通道电控切换电控开关的第二输入端连接于工作驱动电路的输出端，所述双通道切换电控开关的输出端连接于IGBT模块的栅极，双通道电控切换开关的控制端连接于控制器的控制输出端。
5.根据权利要求1所述IGBT模块键合线状态检测装置，其特征在于：还包括远程工控机，所述远程工控机通过无线通信模块与控制器通信连接，所述远程工控机接收空气上传的IGBT门极电压以及集电极电流，并依据门极电压以及集电极电流确定IGBT模块的跨导以及导通阈值，并依据跨导和导通阈值判断IGBT模块键合线的健康状态。
6.一种基于权利要求1-5任一权利要求所述检测装置的IGBT模块键合线健康状态检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.控制器控制测量驱动电路工作，测量驱动电路向IGBT模块输出驱动电压使得IGBT模块导通并达到稳态，当IGBT模块达到稳定状态后控制器控制测量驱动电路停止工作；
S2.在测量驱动电路停止工作的同时，控制器通过检测电路采集IGBT模块的门极电压和集电极电流，直至集电极电流变为0为止；
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