CN116106714A - 一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路 - Google Patents

一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路 Download PDF

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秦海鸿
黄荣霞
张子墨
鲍赢
韩翔
陈文明
卜飞飞
陈志辉
赵絮
徐祯祥
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Abstract

本发明公开了一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，包括第一电压比较器、第二电压比较器、D触发器、与逻辑门电路、第一参考电压调节电路和第二参考电压调节电路。在功率器件的开通阶段，当栅源电压达到第一参考电压值时，第一电压比较器输出高电平，得到开通延迟时间信号的起点，当源极寄生电感产生的电压降到第二参考电压值时，第二电压比较器输出高电平，得到开通延迟时间信号的终点，再经D触发器和与逻辑门电路进行逻辑运算，得到开通延迟时间信号的高电平宽度，并建立高电平宽度与结温之间的线性关系，获取拟合曲线。本发明利用D触发器响应速度快、功耗低的优势对功率器件开通延迟时间进行精确测量，实现高精度的结温预测。

Description

一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术与电工技术领域，尤其涉及一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路。
背景技术
根据电力电子系统可靠性调研分析可知，功率器件是变换器中失效率最高的部件，约占34％。在各类失效因素中，约55％的电力电子系统失效主要由温度因素诱发。在电气方面，较高的结温将导致导通电压的增加和漏电流的上升，开关瞬态和导通状态下的功率损耗都会增加。在热力学方面，最大瞬时结温和热循环导致的结温波动引起热机械应力增加，导致功率器件故障或使用寿命缩短。因此，研究结温的提取方法对于指导功率器件的寿命预测、优化设计以及提高可靠性等研究有重要的意义。
基于热敏电参数的结温提取法具有响应快、精度较高、有望在线测量等优点，受到了国内外学者广泛关注。开通延迟时间是常见的动态热敏电参数，传统的基于开通延迟时间的结温提取方法线性度好，与器件结温的拟合方程中的相关变量少，但对测量仪器的精度要求较高，需要配备高分辨率的计时器和电压传感器，功率器件的开通延迟时间较短导致结温提取准确性不高。因此需要设计一种在确保测量精度的前提下，更为简便和低成本的开通延迟时间测量电路。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，利用D触发器响应速度快、功耗低的优势对功率器件开通延迟时间进行精确测量，从而实现高精度的结温预测。
本发明为实现上述目的采用了如下的技术方案：
一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，实时在线结温提取电路包括第一电压比较器、第二电压比较器、D触发器、与逻辑门电路、第一参考电压调节电路和第二参考电压调节电路；第一电压比较器和第二电压比较器分别与功率器件的栅极和功率源极连接，根据第一参考电压信号和第二参考电压信号，利用D触发器和与逻辑门电路，测量功率器件在不同结温下的开通延迟时间，得到开通延迟时间信号的高电平宽度，并将高电平宽度与结温建立线性关系，获取拟合曲线，然后在实际工况下通过测量出开通延迟时间反演得到结温。
进一步的，第一电压比较器的正输入端连接功率器件的栅极，用于获取功率器件在开通瞬间的第一电压信号，并根据第一参考电压调节电路设定的第一参考电压值确定开通延迟时间的起点。
进一步的，第二电压比较器的正输入端连接功率器件的功率源极，用于获取功率器件在开通瞬间的第二电压信号，并根据第二参考电压调节电路设定的第二参考电压值确定开通延迟时间的终点。
进一步的，D触发器的D输入端与第一电压比较器输出端连接，D触发器的CLK输入端与第二电压比较器输出端连接，用于根据第一电压比较器的输出信号和第二电压比较器的输出信号生成D触发器的第三输出信号。
进一步的，与逻辑门电路连接第一电压比较器的输出端和D触发器输出端，用于对第一电压比较器输出信号和D触发器第三输出信号进行“与”运算，生成功率器件的开通延迟时间信号。
进一步的，第一参考电压调节电路和第二参考电压调节电路与第一电压比较器和第二电压比较器的负输入端连接，用于调节第一电压比较器和第二电压比较器的参考电压值。
进一步的，实时在线结温提取电路的结温预测方法包括以下步骤：
步骤S1、确定不同应用电路下的第一参考电压值和第二参考电压值，利用第一参考电压调节电路和第二参考电压调节电路设置第一电压比较器和所述第二电压比较器的参考值；
步骤S2、当功率器件栅极电压达到所设定的第一参考电压值时，得到待测开通延迟时间的信号起点；
步骤S3、当功率器件的功率源极寄生电感所产生的电压降达到第二参考电压值时，得到待测开通延迟时间的信号终点；
步骤S4、利用不同结温下开通延迟时间的信号起点和信号终点建立开通延迟时间信号高电平宽度与结温的线性关系，然后在实际工况下通过测量出开通延迟时间信号的高电平宽度反演得到结温。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)利用D触发器响应速度快、功耗低的优势对功率器件开通延迟时间进行精确测量，从而实现高精度的结温预测。
(2)通过测量功率器件的开通延迟时间，间接提取器件结温信息。测量电路在模块封装外部进行测量，不需破坏模块封装结构，不会干扰功率器件的正常运行。
(3)开通延迟时间测量电路不需要高分辨率的时间测量仪器，在保证低成本的前提下仍能够保证功率器件开通延迟时间的测量精确性。
附图说明
图1是本发明一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路图。
图2是本发明中可调开通延迟时间的实时在线结温提取方法示意图。
图3是本发明中功率器件开通过程的示意图。
图4是本发明中各比较器及逻辑电路的输出波形时序图。
图5是本发明中参考电压调节电路图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步描述。
如图1所示为一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路图，第一电压比较器COM1的正输入端连接功率器件的栅极，第二比较电压器COM2的正输入端连接功率器件的功率源极；D触发器3的D输入端与所述第一电压比较器输出端连接，CLK输入端与第二电压比较器输出端连接；与逻辑门电路4连接第一电压比较器的输出端和D触发器3输出端
Figure BDA0004058599620000031
利用所述实时在线结温提取电路得到所设开通延迟时间信号的高电平，根据实际应用建立不同结温下开通延迟时间信号高电平宽度与结温的线性关系，在实际工况下通过测量出开通延迟时间信号的高电平宽度提取功率器件结温。
如图2所示是本发明中可调开通延迟时间的实时在线结温提取方法示意图，首先确定不同应用电路下的第一参考电压值和第二参考电压值，利用参考电压调节电路设置参考值，当功率器件栅极电压达到所设定第一参考电压值时，得到待测开通延迟时间的信号起点，当功率器件的功率源极寄生电感所产生的电压降达到第二参考电压值时，得到待测开通延迟时间的信号终点，利用所述不同结温下开通延迟时间的信号起点和信号终点建立开通延迟时间信号高电平宽度与结温的线性关系，然后在实际工况下通过测量出开通延迟时间信号的高电平宽度反演得到结温。
如图3所示是本发明中功率器件开通过程的示意图，功率器件的整个开通过程可划分为4个不同阶段，本发明仅针对开通延迟阶段，即t0～t1时间段进行分析。在开通延迟阶段，工作在截止区域，其漏极电流、以及漏极与开尔文源极之间的电压均保持恒定。在t0处，漏极与开尔文源极之间的电压以阶跃函数的方式变化，输入电容由栅极电流通过栅极电阻充电，该过程中栅极电流为栅源极电容充电，而小部分栅极电流则流经栅漏极电容，Vgs'不断升高、功率器件的漏极电流保持为零。在t1之后，Vgs'上升到阈值电压电平以上，且在t1～t2时间段内Id迅速升高，进而在开尔文源极和功率源极之间的寄生电感Lss'上产生感应电压降Vss'。
如图4所示是本发明中各比较器及逻辑电路的输出波形时序图，第一电压比较器COM1和第二电压比较器COM2分别获取功率器件在开通瞬间的电压信号Vgs'、第二电压信号Vss'，第一电压比较器COM1将第一参考电压Vref1与第一电压信号Vgs'进行比较，当第一电压信号Vgs'大于第一参考电压Vref1信号时，第一电压比较器COM1产生第一输出信号S1，表示功率器件的栅极电压开始上升。第二电压比较器COM2将第二参考电压Vref2与第二电压信号Vss'进行比较，当第二电压信号Vss'大于第二参考电压Vref2信号时，第二电压比较器COM2产生第二输出信号S2，表示有电流流过功率器件。进一步地，D触发器3对第一电压比较器COM1的第一输出信号S1及第二电压比较器COM2的第二输出信号S2进行逻辑运算，生成第三输出信号S3，而后与逻辑门电路4将第一输出信号S1与第三输出信号S3相与，生成待测器件的开通延迟时间信号S4，开通延迟时间就是S4的高电平脉宽。在器件关断之后，第三输出信号S3重新变为高电平。通过与逻辑门电路4，得到的开通延迟信号S4仅仅在开通瞬态过程中会出现一个高电平信号，而且开通延迟信号S4与开通延迟时间相同。
如图5所示是本发明中参考电压调节电路图，第一电压比较器COM1和第二电压比较器COM2参考电压调节电路通过设定Vin_ref、R1和R2的值来调节Vref。
Figure BDA0004058599620000051
本发明的工作原理是：
当功率器件开通时，在开通延迟阶段，功率器件工作在截止区域，其漏极电流、以及漏极与开尔文源极之间的电压均保持恒定。首先，漏极与开尔文源极之间的电压以阶跃函数的方式变化，输入电容由栅极电流通过栅极电阻充电，该过程中栅极电流为栅源极电容充电，而小部分栅极电流则流经栅漏极电容，Vgs'不断升高、功率器件的漏极电流保持为零。当Vgs'上升到阈值电压电平以上，且在特定时间段内Id迅速升高，进而在开尔文源极和功率源极之间的寄生电感Lss'上产生感应电压降Vss'。电路可利用栅源电压Vgs'和感应电压降Vss'来测量开通延迟时间，开通延迟时间可以表示为：
Figure BDA0004058599620000052
式中，RG为驱动电阻，Ciss为输入电容，Vth为阈值电压，VGS'为栅源电压。可见，开通延迟时间td(on)依赖于阈值电压Vth，而Vth与器件结温之间的关系可表示为Vth＝f(Tj)，所以开通延时td(on)也与器件结温有关，另外开通延时也受母线电压Vbus影响，所以开通延时可以用td(on)＝f(Tj,Vbus)表示。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (7)

1.一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，其特征在于：实时在线结温提取电路包括第一电压比较器、第二电压比较器、D触发器、与逻辑门电路、第一参考电压调节电路和第二参考电压调节电路；第一电压比较器和第二电压比较器分别与功率器件的栅极和功率源极连接，根据第一参考电压信号和第二参考电压信号，利用D触发器和与逻辑门电路，测量功率器件在不同结温下的开通延迟时间，得到开通延迟时间信号的高电平宽度，并将高电平宽度与结温建立线性关系，获取拟合曲线，然后在实际工况下通过测量出开通延迟时间反演得到结温。
2.根据权利要求1所述的一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，其特征在于：所述第一电压比较器的正输入端连接功率器件的栅极，用于获取功率器件在开通瞬间的第一电压信号，并根据第一参考电压调节电路设定的第一参考电压值确定开通延迟时间的起点。
3.根据权利要求1所述的一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，其特征在于：所述第二电压比较器的正输入端连接功率器件的功率源极，用于获取功率器件在开通瞬间的第二电压信号，并根据第二参考电压调节电路设定的第二参考电压值确定开通延迟时间的终点。
4.根据权利要求1所述的一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，其特征在于：所述D触发器的D输入端与第一电压比较器输出端连接，所述D触发器的CLK输入端与第二电压比较器输出端连接，用于根据第一电压比较器的输出信号和第二电压比较器的输出信号生成D触发器的第三输出信号。
5.根据权利要求1所述的一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，其特征在于：所述与逻辑门电路连接第一电压比较器的输出端和D触发器输出端，用于对第一电压比较器输出信号和D触发器第三输出信号进行“与”运算，生成功率器件的开通延迟时间信号。
6.根据权利要求1所述的一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，其特征在于：所述第一参考电压调节电路和第二参考电压调节电路与第一电压比较器和第二电压比较器的负输入端连接，用于调节第一电压比较器和第二电压比较器的参考电压值。
7.根据权利要求1所述的一种可调开通延迟时间的实时在线结温提取电路，其特征在于，所述实时在线结温提取电路的结温预测方法包括以下步骤：
步骤S1、确定不同应用电路下的第一参考电压值和第二参考电压值，利用第一参考电压调节电路和第二参考电压调节电路设置第一电压比较器和第二电压比较器的参考值；
步骤S2、当功率器件栅极电压达到所设定的第一参考电压值时，得到待测开通延迟时间的信号起点；
步骤S3、当功率器件的功率源极寄生电感所产生的电压降达到第二参考电压值时，得到待测开通延迟时间的信号终点；
步骤S4、利用不同结温下开通延迟时间的信号起点和信号终点建立开通延迟时间信号高电平宽度与结温的线性关系，然后在实际工况下通过测量出开通延迟时间信号的高电平宽度反演得到结温。
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