CN116165501A - 一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路，通过测量栅极外部驱动电阻上的峰值电压间接反映栅极内部电阻随温度变化情况，从而获取功率器件的结温信息。栅极峰值电压测量电路包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一模拟开关、第二模拟开关、第一保持电容。测量结束后，向第二模拟开关施加复位信号，使开关导通并对电容进行放电操作，使电路可以重复测量下一周期的栅极峰值电压。本发明能够在保证所使用的元器件种类较少和成本较低的情况下，实现栅极峰值电压的可靠测量，该电路可应用于预测功率器件结温，有效提高结温预测的精确性。

Description

一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术与电工技术领域，尤其涉及一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路。

背景技术

结温是影响功率器件性能和可靠性的关键参数之一。在电力电子变换器运行期间，对功率器件的结温进行实时监测和热控制，对于功率器件和整个电力电子装置的长期可靠运行具有重要意义。

目前，功率器件结温提取方法主要有四种：物理测温法、光学测温法、热阻抗模型预测法和热敏感电参数法。其中，热敏感电参数法通过测量热敏感电参数来逆向预估器件结温，无需修改模块封装结构且预测精度高，成为当今最具应用潜力的结温在线测量方法。

在众多热敏感电参数法中，栅极峰值电流法凭借可实现在线测量、线性度好、对器件内部无影响等优势，成为近年来的研究热点之一。栅极峰值电流的准确测量对于栅极峰值电流法至关重要。由于峰值电流持续时间短，需要设计峰值保持电路，获取栅极驱动峰值电压，并对该峰值电压进行一段时间的保持。常见的栅极驱动峰值电压测量电路主要有两类：一种为二极管峰值电压保持电路，另一种为跨导运放峰值电压保持电路。二极管峰值电压保持电路在实际应用中，由于不存在理想二极管，而实际二极管的正向特性存在死区电压，只有输入信号大于二极管导通电压时，二极管才可以导通，才能对电容进行充电，严重影响电路处理小信号的灵敏度；跨导运放峰值电压保持电路，使用跨导放大器和反馈电路，克服了二极管的导通压降带来的影响，但元件类型多，反馈式电路的静态工作点存在不稳定问题，容易使电路发生振荡，可靠性低。所以需要设计一种在确保高灵敏度和高可靠性的前提下，更为简便和低成本的栅极峰值电流检测电路。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路，能够有效解决现有测量电路存在的不足。模拟开关的应用，克服了实际二极管导通压降带来的影响，并且所提的栅极峰值测量电路结构简单，易调试，成本低，同时能够保证栅极峰值电压的精确获取，确保基于栅极峰值电流实现在线结温预测的准确性。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案：

一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路，包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一模拟开关、第二模拟开关、第一保持电容；通过测量栅极外部驱动电阻上的峰值电压间接反映栅极内部电阻随温度变化情况，从而获取功率器件的结温信息。

进一步的，第一运算放大器用于对栅极外部驱动电阻上的电压进行放大处理；第二运算放大器用于防止保持电容中的电荷被电路中其他部分负载消耗掉而造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。

进一步的，第一保持电容用于获取栅极峰值电压，并对该峰值电压进行一段时间的保持。

进一步的，第一模拟开关用于阻断电压，使得第一保持电容获取栅极峰值电压而不是非峰值电压；第二模拟开关用于释放第一保持电容储存的电荷，使电路可以准确测量下一周期的栅极峰值电压。

进一步的，栅极峰值电压测量电路需同时施加栅极驱动信号和开通信号，开通信号的脉宽为待测器件的开通延迟时间长度，在栅极驱动信号变为低电平且第二个周期来之前时，施加复位信号，对保持电容进行放电操作。

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)通过测量栅极外部驱动电阻上的峰值电压，间接获取器件结温。

(2)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)栅极峰值电压测量电路所需元件种类少，电路结构简单，易调试，在保证低成本的前提下，仍能够有效解决传统测量电路可靠性低等问题。

(4)可应用于预测功率器件结温，最终为开展MOSFET可靠性研究提供更为精确的结温数据。

附图说明

图1是本发明中一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路图。

图2是本发明中功率器件开通过程电压和电流随时间变化的波形图。

图3是本发明中栅极驱动信号、开通信号和复位信号的波形图。

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所示为本申请的实施例中一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路图。包括但不限于运算放大器、模拟开关和保持电容。运算放大器用于对栅极外部驱动电阻上的栅极电压进行放大处理。保持电容用于获取栅极峰值电压，并对该峰值电压进行一段时间的保持。模拟开关用于阻断电压，使得保持电容精确获取栅极峰值电压而不是非峰值电压。本发明是一种新型栅极峰值电压测量电路，能实时检测栅极峰值电压，将实时检测的数据传送给微处理器，如单片机、DSP等，在微处理器中根据预先离线所建立的栅极峰值电流-结温对应模型得到对应栅极峰值电流下的功率器件结温。本发明中的栅极峰值电压测量电路包括两个运算放大器(A₁、A₂)、两个模拟开关(M₁、M₂)、一个保持电容(C₁)、六个电阻(R₁、R₂、R₃、R₄、R₅、R₆)。运算放大器A₁采样栅极外部电阻两端的电压值，运算放大器A₁输出端与模拟开关M₁的1脚相连，M₁的2脚与运算放大器A₂的同相输入端相连，3脚施加开通信号，保持电容C₁与电阻R₅并联，模拟开关M₂的1端通过电阻R₆与保持电容一端相连，2端接地，3端施加复位信号，其中开通信号与复位信号均可使用单片机输出脉冲信号。运算放大器A₂输出保持电容C₁两端的电压，直至开通脉冲信号为低电平时，模拟开关M₁关断，不再向保持电容C₁充电，此时C₁上的电压就是栅极峰值电压，待采样结束之后，对C₁进行放电操作，使电路可以准确测量下一周期的栅极峰值电压。

图2是MOSFET器件开通过程中的波形图，t₀-t₁定义为开通延迟阶段，t₀时刻，接入栅极驱动信号，栅极驱动电路开始向器件等效输入电容充电，栅极电流以指数形式增长，并在此阶段达到峰值电流。在此阶段，若忽略栅极寄生电感，可得到一阶等效电路图。列写回路方程可得：

通过极值公式推导出栅极峰值电流，得：

其中，i_G为栅极电流，I_{G_peak}为栅极峰值电流，V_driv为栅极驱动电压，R_{G_ext}为栅极外部驱动电阻，R_{G_int}为栅极内部等效电阻，C_iss为输入电容。

由上式可见，栅极电流峰值I_G-peak与R_G-int直接相关。因此，基于R_G-int与结温T_j密切相关的特点，可通过精确校准建立起T_j与I_G-peak的关系，即MOSFET器件的结温预测模型。

图3为栅极驱动信号、开通信号和复位信号波形图。栅极驱动信号和开通信号同时施加，开通信号的脉宽为待测器件的开通延迟时间长度，在栅极驱动信号变为低电平，第二个周期来之前，施加复位信号，对保持电容进行放电操作。

本发明的工作原理是：

对待测功率器件进行双脉冲实验，得到待测功率器件的开通过程波形图，获取待测功率器件的开通延迟时间，此时间长度定为施加给第一模拟开关的开通信号脉宽。功率器件开通阶段，栅极回路产生电流，使栅极外部电阻上产生栅极外部电压，通过第一运算放大器对栅极外部电压进行放大处理，第一模拟开关开通，电流流过开关向第一保持电容充电，直至施加开通信号一周期后，第一模拟开关关断，充电结束，通过第二运算放大器等比例输出保持电容电压，即为栅极峰值电压。测量结束后，向第二模拟开关施加复位信号，使开关导通，对电容进行放电操作，使电路可以重复测量下一周期的栅极峰值电压。

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 (5)

1.一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路，其特征在于:包括第一运算放大器、第二运算放大器、第一模拟开关、第二模拟开关、第一保持电容；通过测量栅极外部驱动电阻上的峰值电压间接反映栅极内部电阻随温度变化情况，从而获取功率器件的结温信息。

2.根据权利要求1所述的一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路，其特征在于：所述第一运算放大器用于对栅极外部驱动电阻上的电压进行放大处理；第二运算放大器用于防止保持电容中的电荷被电路中其他部分负载消耗掉而造成峰值检测器无法保持信号峰值电压。

3.根据权利要求1所述的一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路，其特征在于：所述第一保持电容用于获取栅极峰值电压，并对该峰值电压进行一段时间的保持。

4.根据权利要求1所述的一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路，其特征在于：所述第一模拟开关用于阻断电压，使得第一保持电容获取栅极峰值电压而不是非峰值电压；所述第二模拟开关用于释放第一保持电容储存的电荷，使电路可以准确测量下一周期的栅极峰值电压。

5.根据权利要求1所述的一种用于预测功率器件结温的栅极峰值电压测量电路，其特征在于：所述栅极峰值电压测量电路需同时施加栅极驱动信号和开通信号，开通信号的脉宽为待测器件的开通延迟时间长度，在栅极驱动信号变为低电平且第二个周期来之前时，施加复位信号，对保持电容进行放电操作。

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