CN115639453A - 一种可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路。本发明的功率器件导通压降在线测量电路，包括：提供测试条件的半桥模块，包括测试回路，该测试回路包括串联而成的上桥臂功率器件和下桥臂功率器件；测量电路输入模块，包括第一输入通路和第二输入通路，输入通路通过NMOS管连接在被测功率器件的两端；测量电路限流模块，包括限流电阻R，以抑制被测功率器件开关过程中在测量电路上形成的瞬态电流；测量电路输出模块，当任一功率器件导通时，测量电路输出模块提取到其导通压降。本发明为一种实时的在线测量电路，结合功率器件的开关时序，实现了测量元件的复用，减少了组件数目与端口数量，结构简单且测量精度高。

Description

一种可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路

技术领域

本发明属于功率器件的测量技术领域，特别是一种可以实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路。

背景技术

目前大功率电力电子变流器广泛用于新能源发电、轨道牵引及柔性直流输电系统等领域，而功率器件是其中的核心元件，其可靠运行对整个电力电子系统起着重要重用。导通压降是功率器件的一个重要温敏感电参数，亦是被认为最有效的温敏感电参数，通过对其在线测量不仅仅可以反映功率半导体的芯片温度，另外由于其和键合线脱落有关，其参数的变化也可以评估键合线的脱落程度，以反映功率半导体的健康状态。因此，精确地测量功率半导体的导通压降是提升功率半导体及电力电子变流器可靠性的重要措施。

由于电力电子变流器中功率器件不停地在导通与关断状态进行切换，由于功率器件关断时，其两端需要耐受数百伏甚至更高等级电压，而其导通时，其导通压降一般在4V以内，因此直接测量功率器件的导通压降，大量程的测量系统无法保证测量精度。

为了精确地测量功率器件的导通压降，现有一般采用如图1所示的限幅电路来钳位功率器件在关断时的漏源两端电压，例如将关断时的600V钳位至8V，因此功率器件的导通压降可以较为精准地测量出来。但该电路由于输入和输出之间直接通过电阻R连接，无法平衡好测量电路的精度与损耗等问题，另外，若器件两端出现一定的负压过冲时，测量电路也无法有效抑制，进而影响后级的信号处理电路。

名为《ASimplified On-State Voltage Measurement Circuit for PowerSemiconductor Devices》的论文中，提出了一种变换器级的功率器件导通压降的测量电路，如图2所示，由三个输入端子和三个输出端子组成，可以在两路输出中提取到一个半桥模块两个功率器件的导通压降，其通过引入耗尽型NMOS管，较好地解决了图1中测量精度与损耗平衡的问题，由于其需要通过依赖于自身测量回路电流上升致使耗尽型NMOS管关断，电路的响应时间相对较长，且无法较好的控制，另外，与图1类似，测量电路每路输出需要在相应功率器件关断时实现钳位，这一段时间采集的电压信息是无效的，增加了后续数据处理的复杂性。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可实现元件复用的功率器件导通压降测量电路，用于解决现有技术中功率器件导通压降测量电路精度低、动态性能差、结构复杂的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明采用如下的技术方案：一种可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其包括：

提供测试条件的半桥模块，包括测试回路，该测试回路包括串联而成的上桥臂功率器件和下桥臂功率器件，通过接收控制信号使功率器件正常工作，用以提供测试条件；

测量电路输入模块，包括第一输入通路和第二输入通路，第一输入通路通过第一NMOS管M1连接在上桥臂功率器件的两端，第二输入通路通过第二NMOS管M2连接在下桥臂功率器件的两端；

测量电路限流模块，包括限流电阻R，以抑制被测功率器件开关过程中在测量电路上形成的瞬态电流，确保测量电路元器件工作的安全；

测量电路输出模块，当上桥臂功率器件或下桥臂功率器件导通时，测量电路输出模块提取到其导通压降。

进一步地，所述的测试回路还包括输入电源V_DC、输入电容C及负载电感L；

所述的输入电源V_DC与输入电容C并联，上桥臂功率器件T₁的漏端与电容正极相连，上桥臂功率器件T₁的源端与下桥臂功率器件T₂的漏端及负载电感L的一端相连，下桥臂功率器件T₂的源端与电容的负极相连，负载电感L的另一端接地。

进一步地，所述的上桥臂功率器件和下桥臂功率器件为绝缘栅双极晶体管。

进一步地，所述的测量电路限流模块中，限流电阻R的一端与第一NMOS管M1的源端和第二NMOS管M2的漏端连接，限流电阻R的另一端连接至测量电路输出模块。

更进一步地，所述的第一NMOS管M1的漏端与上桥臂功率器件T₁的漏端连接，第一NMOS管M1的源端连接于限流电阻R的一端；第二NMOS管M2的源端与下桥臂功率器件T₂的源端连接，第二NMOS管的漏端连接于限流电阻R的一端。

进一步地，所述的测量电路输出模块包括串联成一回路的第一肖特基二极管Da1、第二肖特基二极管Da2、第一齐纳二极管Z1及第二齐纳二极管Z2。

更进一步地，所述的测量电路输出模块中，所述第一肖特基二极管Da1的阳极为输出端的正极，所述第一肖特基二极管Da1的阴极与第一齐纳二极管Z1的阴极连接，所述第一齐纳二极管的阳极Z1为输出端的负极，所述第二肖特基二极管Da2的阴极为输出端的正极，所述第二肖特基二极管Da2的阳极与第二齐纳二极管Z2的阳极连接，所述第二齐纳二极管Z2的阴极为输出端的负极。

进一步地，所述的第一NMOS管M1的驱动信号与上桥臂功率器件T₁同步。

进一步地，所述的第二NMOS管M2的驱动信号与下桥臂功率器件T₂同步。

进一步地，所述的第一NMOS管M1与第二NMOS管M2漏、源两端的耐压值不小于所述上、下桥臂功率器件在关断时其漏、源两端电压的1.2倍。

与现有技术相比，本发明具有以下至少一种有益效果：

1.本发明提供的功率器件导通压降测量电路，被测的功率半导体器件可以是全控型、不可控型或组合型的功率器件，比如可以同时测量功率晶体管及其反并联二极管的导通压降，避免需要分开测量的窘境，简化测量步骤，提高测量速度。

2.本发明提供的功率器件导通压降测量电路，输出模块通过钳位的方式可以实现对功率器件开关瞬态电压的抑制，并且也可以抑制功率器件导通时的负压过冲现象，改善了电路的暂态性能。

3.本发明提供的功率器件导通压降测量电路，仅由三个输入端口和两个输出端口构成，即可用于一个半桥模块所有功率器件导通压降的测量，用两个测量电路即可实现全桥逆变器中所有功率器件导通压降的测量，降低了测量电路的复杂性。

4.本发明提供的功率器件导通压降测量电路，在一桥臂功率器件导通时，测量电路中元件上压降基本可以忽略，输出精度高。当此桥臂功率器件关断时，测量电路输出端可以提取到另一桥臂功率器件的导通压降，相较于传统的测量电路需要在器件关断时钳位以至于一段时基内采集的电压信息无效的特点，测量电路在一个开关周期中可以提取到上、下桥臂两个功率器件的导通压降，实现了输出模块元件的复用。

附图说明

图1为现有技术中的功率器件导通压降测量电路示意图；

图2为现有技术中一种变换器级的功率器件导通压降的测量电路示意图；

图3为本发明中功率器件导通压降测量电路示意图；

图4～图7显示为本发明中半桥测试模块在各种换流状态下测量电路工作示意图；

图8为本发明中功率器件导通压降测量电路在线测试时提取到的上、下桥臂功率器件导通压降的波形。

元件标号说明

100 提供测试条件的半桥模块

200 测量电路输入模块

201 第一输入通路

202 第二输入通路

300 测量电路限流模块

400 测量电路输出模块

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图3～图7。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

如图3所示，本实施例提供一种可以实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，所述测量电路至少包括：

提供测试条件的半桥模块100，测量电路输入模块200，测量电路限流模块300和测量电路输出模块400。

如图3所示，所述提供测试条件的半桥模块100，通过接收控制信号使功率器件正常工作为测量电路提供测试条件。

如图2所示，所述测量电路输入模块200，包括第一输入通路201和第二输入通路202，所述第一输入通路201连接在所述提供测试条件的半桥模块100上桥臂功率器件的漏端和源端，所述第二输入通路202连接在所述提供测试条件的半桥模块100下桥功率器件的漏端和源端，第一输入通路201的第一NMOS管M1的驱动信号与所述提供测试条件的半桥模块100上桥臂功率器件驱动信号保持同步，因此在上桥臂功率器件导通时，低压信号可以顺利地通过所述第一输入通路201，上桥臂功率器件关断时，第一输入通路201可以通过第一NMOS管M1顺利地阻断高压信号，第二输入通路202的工作原理与第一输入通路201的工作原理相同，因此不再赘述。

如图3所示，所述测量电路限流模块300，由限流电阻R构成，主要是减小被测功率器件在开关状态变化时在测量回路中产生的暂态电流，进而提高测试电路安全性。

如图3所示，所述在线电路输出模块400，由第一肖特基二极管Da1、第二肖特基二极管Da2、第一齐纳二极管Z1及第二齐纳二极管Z2构成，在所述提供测试条件的半桥模块100上桥臂功率器件导通时，通过所述第一输入通路201同步工作，所述测量电路输出模块400可以顺利地提取上桥臂功率器件的导通压降，由于上、下桥臂功率器件一般工作在互补导通状态，因此当上桥臂功率器件关断时，下桥臂功率器件导通，通过所述第二输入通路202同步工作，所述测量电路输出模块400可以顺利地提取下桥臂功率器件的导通压降，另外，所述在线电路输出模块400与所述测量电路限流模块300配合工作，可以限制开关状态变化时导致测量回路中产生的电压过冲，将其限制在一定值内。

具体地，所述限流电阻R需要确保测量回路的安全性，其阻值满足如下关系：R≥K*(Vds_off/I_ZM)，且R≥K*(Vds_off/I_FSM)，其中Vds_off为测量回路中第一NMOS管M1或第二NMOS管M2承受的最大电压，I_ZM为第一齐纳二极管Z1及第二齐纳二极管Z2的齐纳最大电流，I_FSM为第一肖特基二极管Da1、第二肖特基二极管Da2的浪涌电流，K为确保安全性留有的可靠系数，取值为1.5。

具体地，第一NMOS管M1和第二NMOS管M2漏、源两端的耐压值根据所述提供测试条件的半桥模块100上、下桥臂功率器件漏、源两端的最高电压来选择，一般不小于桥臂功率器件漏、源两端最高电压的1.2倍，即不小于桥臂功率器件在关断时漏、源两端电压的1.2倍。

下面参照图4～图7，对本发明所述可实现元件复用的功率器件导通压降测量电路的工作原理进行说明。

如图4所示，在所述提供测试条件的半桥模块100上桥臂功率器件T₁导通时，T₁漏源两端电压V_CE为低压(如2V)，此时第一NMOS管M1接收控制信号也导通，T₁的低压信号通过测量回路中的电流路径I被输出模块采集，输出端电压v_out与T₁漏源两端电压V_CE满足如下关系：v_out＝V_CE-I_leak*(R+R_ds,on)，其中R为限流电阻阻值，R_ds,on为第一NMOS管M1的导通电阻，I_leak为第一齐纳二极管的反向漏电流；如所述R为限流电阻阻值一般在几千欧姆，NMOS管M1的导通电阻R_ds,on的值一般在几百欧姆以内，而第一齐纳二极管的反向漏电流I_leak一般为nA级，因此反向漏电流I_leak在所述电阻R，R_ds,on上的压降完全可以忽略，即此时输出端电压v_out几乎完全与T₁漏源两端电压V_CE相等。

如图5所示，在所述提供测试条件的半桥模块100上桥臂功率器件关断，下桥臂功率器件D₂导通时，即图5与图4构成了一个完整的开关周期。下桥臂功率器件D₂两端的低压信号通过测量回路中的电流路径II被输出模块采集，输出端电压v_out＝-V_F2，其中V_F2为下桥臂功率器件D₂的正向偏置电压，具体工作原理与图4的采集原理相同，因此不再赘述；因此，在一个开关周期内，测量电路输出端可以采集到上、下桥臂两个功率器件的导通压降，输出模块的元件在一个开关周期中一直发挥着采集作用，即相较于传统导通压降测量电路需要在关断时进行钳位等，测量电路实现了元件的复用。

如图6～图7所示，在所述提供测试条件的半桥模块100中功率回路电流方向与图4和图5相反，即在另一开关周期内，低压信号的采集分别如电流路径III和IV所示，输出模块可以顺利地采集到相应器件的导通压降，具体原理与图4和图5的采集原理相同，因此不再赘述。

需要注意的是，当开关瞬态的电压过冲发生时，测量回路中电流上升，以图4为例，第一齐纳二级管Z1达到齐纳击穿，因此输出端电压v_out＝V_Z1+V_Da1，其中V_Z1为第一齐纳二级管Z1的齐纳电压，V_Da1为此时第一肖特基二极管Da1的正向偏置电压，因此在开关瞬态发生电压过冲时，输出模块的元件可以实现钳位功能，比保护测量电路的安全；图5～图7测量电路抑制瞬态过冲的功能与此类似，因此不再赘述。

搭建了本发明所述可实现元件复用的功率器件导通压降测量电路的PSPICE仿真模型，得到相应的测试波形如图8所示，图8上方部分为所述提供测试条件的半桥模块100上、下桥臂功率器件IGBT T₁与T₂的两端电压波形，图8下方部分为测量电路输出端提取到的相应功率器件的导通压降的波形，即测量输出端顺利地实现了一个周期提取到两个功率器件导通压降的功能。

本发明提供的功率器件导通压降测量电路，被测功率半导体器件可以是全控型、不可控型或组合型的功率器件，比如可以同时测量功率晶体管及其反并联二极管的导通压降，避免需要分开测量的窘境，简化测量步骤，提高测量速度；输出模块通过钳位的方式可以实现对功率器件开关瞬态电压的抑制，并且也可以抑制功率器件导通时的负压过冲现象，改善了电路的暂态性能；测量电路仅由三个输入端口和两个输出端口构成，即可用于一个半桥模块所有功率器件导通压降的测量，用两个测量电路即可实现全桥逆变器中所有功率器件导通压降的测量，降低了测量电路的复杂性；在一桥臂功率器件导通时，测量电路中元件上压降基本可以忽略，输出精度高。当此桥臂功率器件关断时，测量电路输出端可以提取到另一桥臂功率器件的导通压降，相较于传统的测量电路需要在器件关断时钳位以至于一段时基内采集的电压信息无效的特点，测量电路在一个开关周期中可以提取到上、下桥臂两个功率器件的导通压降，实现了输出模块元件的复用。本发明通过提供一种全新的可实现元件复用的功率器件导通压降测量电路，解决了现有导通压降测量电路存在采样精度不高以及一段时基内采集的电压信息无效等问题。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其特征在于，包括：

提供测试条件的半桥模块(100)，包括测试回路，该测试回路包括串联而成的上桥臂功率器件和下桥臂功率器件，通过接收控制信号使功率器件正常工作，用以提供测试条件；

测量电路输入模块(200)，包括第一输入通路(201)和第二输入通路(202)，第一输入通路(201)通过第一NMOS管M1连接在上桥臂功率器件的两端，第二输入通路(202)通过第二NMOS管M2连接在下桥臂功率器件的两端；

测量电路限流模块(300)，包括限流电阻R，以抑制被测功率器件开关过程中在测量电路上形成的瞬态电流，确保测量电路元器件工作的安全；

测量电路输出模块(400)，当上桥臂功率器件或下桥臂功率器件导通时，测量电路输出模块(400)提取到其导通压降。

2.根据权利要求1所述的可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其特征在于，所述的测试回路还包括输入电源V_DC、输入电容C及负载电感L；

所述的输入电源V_DC与输入电容C并联，上桥臂功率器件T₁的漏端与电容正极相连，上桥臂功率器件T₁的源端与下桥臂功率器件T₂的漏端及负载电感L的一端相连，下桥臂功率器件T₂的源端与电容的负极相连，负载电感L的另一端接地。

3.根据权利要求1所述的可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其特征在于，所述的上桥臂功率器件和下桥臂功率器件为绝缘栅双极晶体管。

4.根据权利要求1所述的可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其特征在于，所述的测量电路限流模块(300)中，限流电阻R的一端与第一NMOS管M1的源端和第二NMOS管M2的漏端连接，限流电阻R的另一端连接至测量电路输出模块(400)。

5.根据权利要求1所述的可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其特征在于，所述的第一NMOS管M1的漏端与上桥臂功率器件T₁的漏端连接，第一NMOS管M1的源端连接于限流电阻R的一端；第二NMOS管M2的源端与下桥臂功率器件T₂的源端连接，第二NMOS管的漏端连接于限流电阻R的一端。

6.根据权利要求1所述的可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其特征在于，所述的测量电路输出模块(400)包括串联成一回路的第一肖特基二极管Da1、第二肖特基二极管Da2、第一齐纳二极管Z1及第二齐纳二极管Z2。

7.根据权利要求6所述的可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其特征在于，所述的测量电路输出模块(400)中，所述第一肖特基二极管Da1的阳极为输出端的正极，所述第一肖特基二极管Da1的阴极与第一齐纳二极管Z1的阴极连接，所述第一齐纳二极管的阳极Z1为输出端的负极，所述第二肖特基二极管Da2的阴极为输出端的正极，所述第二肖特基二极管Da2的阳极与第二齐纳二极管Z2的阳极连接，所述第二齐纳二极管Z2的阴极为输出端的负极。

8.根据权利要求1所述的可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其特征在于，所述的第一NMOS管M1的驱动信号与上桥臂功率器件T₁同步。

9.根据权利要求1所述的可实现元件复用的功率器件导通压降在线测量电路，其特征在于，所述的第二NMOS管M2的驱动信号与下桥臂功率器件T₂同步。

10.根据权利要求1所述的可实现元件复用的功率器件导通压在线降测量电路，其特征在于，所述的第一NMOS管M1与第二NMOS管M2漏、源两端的耐压值不小于所述上、下桥臂功率器件在关断时其漏、源两端电压的1.2倍。

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