CN209542769U - 一种基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，所述测量装置包括采样整流电路、放大电路及数据处理模块；其中，所述采样整流电路用于在SIC MOSFET开通的瞬态时，采集到感应dIds/dt（漏极电流变化率）的感应电压整流得到一个稳定的电压值；所述放大电路用于对采样整流电路的输出电压值进行放大处理；所述数据处理模块用于将放大电路输出的电压值转化为数字信号，用于根据标定的该电压与直流母线电压、结温的关系通过查表来获取实际结温，还用于输出控制采样整流电路进行数据测量的准备信号；该方案解决了现有技术无法实时对SIC MOSFET结温在线快速提取的问题，提出的方案设计简单、易于实现，并且能够达到极快的响应速度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种测量电路，特别涉及一种SIC MOSFET模块结温在线测量装置，属于电力电子器件保护技术领域。
背景技术
由于SIC MOSFET的开关速度快、开关频率高、导通电阻小、无拖尾电流以及宽带隙特性，现有技术方案中对硅材料的IGBT进行结温提取方法无法应用到 SIC MOSFET进行结温检测，对于SIC MOSFET模块结温测量方法的研究尚少，仅文献“基于开通dIDS/dt的SiCMOSFET模块结温提取研究”中仅简单理论分析了dIDS/dt与结温的关系，以及其他因素对dIDS/dt的影响，也没有给出具体提取结温电路装置该如何设计，使该方法得不到有效的实施。因此，迫切需要一种基于开通dIDS/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，使基于开通dIDS/dt的 SiC MOSFET模块结温提取的方法能够得到充分有效运用。
发明内容
本实用新型正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种SIC MOSFET模块结温在线测量装置，该技术方案设计简单、易于实现。
为了实现上述目的，本实用新型的技术方案如下：一种基于开通dIds/dt的SICMOSFET模块结温在线测量装置，其特征在于，所述测量装置包括采样整流电路、放大电路及数据处理模块；其中，所述采样整流电路用于在SIC MOSFET 开通的瞬态时，采集到感应dIds/dt(漏极电流变化率)的感应电压整流得到一个稳定的电压值；所述放大电路用于对采样整流电路的输出电压值进行放大处理；所述数据处理模块用于将放大电路输出的电压值转化为数字信号，用于根据标定的该电压与直流母线电压、结温的关系通过查表来获取实际结温，还用于输出控制采样整流电路进行数据测量的准备信号。
作为本实用新型的一种改进，所述漏极电流变化率感应电压的获取通过利用 PCB罗氏线圈或辅助源极S’和源极S之间的寄生电感两种方式实现。
作为本实用新型的一种改进，所述采样整流电路包括运算放大器U1、二极管 D1、晶体管VT1、电阻R1、电阻R4和储存电容C1；所述运算放大器U1正输入端接入漏极电流变化率(dIds/dt)感应电压，负输入端接入所述二极管D1的阴极，所述运算放大器U1的输出端连接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极端分别接入所述晶体管VT1的集电极、电阻R4的一端及放大电路U1的输入端，所述电阻R4另一端接储存电容C1的一端，所述存储电容C1的另一端接地，所述晶体管VT1发射极通过所述电阻R1接地，晶体管的VT1的基极接FPGA的输出端。
作为本实用新型的一种改进，所述放大电路包括运算放大器U2、电阻R2和电阻R3，其中所述运算放大器U2负输入端一方面通过所述电阻R2与地连接，另一方面通过电阻R3接入所述运算放大器U2的输出端，所述运算放大器U2的输出端接入数据处理模块的输入端。
作为本实用新型的一种改进，所述数据处理模块包括FPGA和AD模块。
作为本实用新型的一种改进，所述测量电路AD模块为12位的AD模块。
作为本实用新型的一种改进，所述运算放大器U1、U2均采用高增益带宽高精度运算放大器LM7171B。
作为本实用新型的一种改进，所述PCB罗氏线圈为高带宽，可达20MHZ。
相对于现有技术，本实用新型的优点如下：
(1)本实用新型解决了现有技术无法实时对SIC MOSFET结温在线快速提取的问题，提出的方案设计简单、易于实现，并且能够达到极快的响应速度，可高精度的获取SICMOSFET开通瞬态时dIds/dt所对应的测量电压VOUT，使基于开通dIds/dt的SiC MOSFET模块结温提取的方法得到了有效实施；
(2)该方案利用PCB罗氏线圈可以完全隔离SIC MOSFET模块侧的高压，通过设计的优化提高了带宽和抗干扰能力，并且可以安装在SIC MOSFET端子上，后级的测量电路占空小可以植入驱动模块里用于SIC MOSFET的过温保护，以及用于SIC MOSFET寿命期的健康检测，老化的设备温度敏感度是不同的，进一步跟踪设备老化程度并提供剩余使用寿命的预估；
附图说明
图1 SIC MOSFET结温测量电路框图；
图2 利用SIC MOSFET辅助源极进行结温测量电路的结构示意图；
图3 利用PCB罗氏线圈进行SIC MOSFET结温测量电路的结构示意图；
图4 为不同温度下的运算放大器U2输出的电压波形图，其中U2的放大倍数为1。
具体实施方式
首先建立数据库，将待测的SIC MOSFET模块放在有温度控制的加热板上，利用本实用新型提出的测量电路在不同温度、母线电压下的进行测量 dIds/dt的值，得到一组测量电路的输出电压值并拟合成该电压关于温度、母线电压的函数,建立标定数据库。将该数据库存储到FPGA芯片里。为了加强对本实用新型的理解和认识，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做出进一步的说明和介绍。
为了加强对本实用新型的理解和认识，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做出进一步的说明和介绍。
如图1所示，一种基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，包括采样整流电路、放大电路及数据处理模块；其中，采样整流电路用于将采集到的漏极电流变化率感应电压整流得到一个稳定的电压值；放大电路用于对采样整流电路的输出电压值进行放大处理；数据处理模块用于将放大电路输出的电压值转化为数字信号，用于根据标定的该电压与直流母线电压、结温的关系通过查表来获取实际结温，用于输出控制采样整流电路进行数据测量的准备信号。所述漏极电流变化率感应电压的获取通过利用PCB罗氏线圈或辅助源极S’和源极S 之间的寄生电感两种方式实现。下面针对这两种方式的实现做进一步进行说明。
实施例1：参见图2，一种基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，所述测量电路包括PCB罗氏线圈、采样整流电路、放大电路、AD和FPGA 数据处理模块；其中所述PCB罗氏线圈安装在SIC MOSFET源极端子上，PCB 罗氏线圈的一端接地，另一端连接到运算放大器(U1)正输入端子；其中所述采样整流电路包括运算放大器(U1)、二极管(D1)、晶体管(VT1)电阻R4、电阻R1和储存电容C1，其中运算放大器(U1)正输入端接SIC MOSFET的辅助源极S’，负输入端接二极管(D1)的阴极，运算放大器(U1)的输出端连接晶体管(VT1)集电极的和电阻R4一端以及放大器(U2)的正输入端，所述晶体管VT1的基极与FPGA上端子相连，发射极与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端接地。所述电阻R4另一端接储存电容C1的一端，所述电容C1的另一端接地；所述放大电路包括运算放大器(U2)、电阻R2和电阻R3，其中所述运算放大器U2负输入端通过电阻R2与地连接；所述运算放大器的U2的负输入端和输出端通过电阻R4连接，运算放大器U2的输出端与所述ADC 模块连接；所述数据处理模块包括AD模块和FPGA模块，其中AD模块输入端与运算放大器U2的输出端相连，AD模块的输出端与FPGA模块相连。本申请的AD模块为12位AD模块；
PCB罗氏线圈具有高带宽良好抗干扰设计；运算放大器是高增益带宽高精度运算放大器，运算放大器U2的放大倍数的增加可通过增加电阻R2与R3的比值。通过增大运算放大器U2的放大倍数可增加dIds/dt的温度分辨率。
结合图2本实用新型的测量电路工作过程为：SIC MOSFET开通时，漏极电流的瞬态变化dIds/dt会在PCB罗氏线圈上产生感应电压，感应电压经过运算放大器U1的采集和二极管D1半波整流，会在储存电容C1上保持住一个电压，这个电压经过运算放大器U2的放大，输出电压波形为图4所示，从图4可知测量电路的输出电压随着结温的升高而增加，具有良好的线性关系，在直流母线电压为350V和测量电路的放大倍数为1时温度分辨率为4mV/℃，测量电路获取的电压被传输到ADC模块转化为数字信号，根据标定的该电压与直流母线电压、结温的关系通过查表来获取实际结温，然后FPGA打开晶体管VT1,使储存电容 C1放电，为下一次测量做准备。另外在变频器之类的应用中常常直流母线电压是恒定的，因此母线电压对dIds/dt的影响不太重要，通常在投入新的工况环境时要对dIds/dt的温度系数进行校正以适应不同的母线电压，而且实际工况中母线电压的轻微波动，对dIds/dt影响很小，所以建立结温与测量电路输出电压的数据库时只针对该应用的母线电压等级即可，减少了工作量。
实施例2：参见图1、图3，对于带有源极辅助端子S’的SIC MOSFET的模块，可以测量源极辅助S’与源极S之间寄生电感L在模块开通过程中产生的感应电压VS’S的峰值，再由器件手册可知寄生电感L的值，根据公式:VS’S＝L(dIds/dt) 可获得dIds/dt的数值，本实用新型提供了一种测量SIC MOSFET的结温的电路如图3所示，所述测量电路包括采样整流电路、放大电路、ADC和FPGA数据处理模块；其中所述采样电路包括运算放大器(U1)、二极管(D1)、晶体管(VT1) 电阻R4、电阻R1和储存电容C1，其中运算放大器(U1)正输入端接SIC MOSFET 的辅助源极S’，负输入端接二极管(D1)的阴极，运算放大器(U1)的输出端连接晶体管(VT1)集电极的和电阻R4一端以及放大器(U2)的正输入端，所述晶体管VT1的基极与FPGA上端子相连，发射极与电阻R1的一端相连，电阻 R1的另一端接地，所述电阻R4另一端接储存电容C1的一端，所述电容C1的另一端接地；所述放大电路包括运算放大器(U2)、电阻R2和电阻R3，其中所述运算放大器U2负输入端通过电阻R2与地连接；所述运算放大器的U2的负输入端和输出端通过电阻R4连接，运算放大器U2的输出端与所述AD模块连接；所述数据处理模块包括AD模块和FPGA模块，其中AD模块输入端与运算放大器 U2的输出端相连，AD模块的输出端与FPGA模块相连。
本申请的AD模块为12位AD模块；运算放大器是高增益带宽高精度运算放大器，运算放大器U2的放大倍数可以通过增加电阻R2与R3的比值来增加； dIds/dt的温度分辨率也可以通过增加运算放大器U2的放大倍数而增加。
结合图3本实用新型的测量电路工作过程为：SIC MOSFET开通时，漏极电流的瞬态变化dIds/dt会在辅助源极S’和源极之间的寄生电感上产生感应电压，该感应电压经过运算放大器U1的采集和二极管D1半波整流，会在储存电容C1上保持住一个电压，这个电压经过运算放大器U2的放大，被传输到ADC模块转化为数字信号，根据标定的该电压与直流母线电压、结温的关系通过查表来获取实际结温，然后FPGA打开晶体管VT1,使储存电容C1放电，为下一次测量做准备。
需要说明的是上述实施例，并没有用来限定本实用新型的保护范围，在上述基础上所作出的等同替换或者替代均属于本实用新型权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，其特征在于，所述测量装置包括采样整流电路、放大电路及数据处理模块；其中，所述采样整流电路用于在SICMOSFET开通的瞬态时，采集到感应dIds/dt即漏极电流变化率的感应电压整流得到一个稳定的电压值；所述放大电路用于对采样整流电路的输出电压值进行放大处理；所述数据处理模块用于将放大电路输出的电压值转化为数字信号，用于根据标定的该电压与直流母线电压、结温的关系通过查表来获取实际结温，还用于输出控制采样整流电路进行数据测量的准备信号。
2.根据权利要求1所述的基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，其特征在于，所述漏极电流变化率感应电压的获取通过利用PCB罗氏线圈或辅助源极S’和源极S之间的寄生电感两种方式实现。
3.根据权利要求2所述的基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，其特征在于，所述采样整流电路包括运算放大器U1、二极管D1、晶体管VT1、电阻R1、电阻R4和储存电容C1；所述运算放大器U1正输入端接入漏极电流变化率dIds/dt感应电压，负输入端接入所述二极管D1的阴极，所述运算放大器U1的输出端连接所述二极管D1的阳极，所述二极管D1的阴极端分别接入所述晶体管VT1的集电极、电阻R4的一端及放大电路U1的输入端，所述电阻R4另一端接储存电容C1的一端，所述储存电容C1的另一端接地，所述晶体管VT1发射极通过所述电阻R1接地，晶体管的VT1的基极接FPGA的输出端。
4.根据权利要求2所述的基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，其特征在于，所述放大电路包括运算放大器U2、电阻R2和电阻R3，其中所述运算放大器U2负输入端一方面通过所述电阻R2与地连接，另一方面通过电阻R3接入所述运算放大器U2的输出端，所述运算放大器U2的输出端接入数据处理模块的输入端。
5.根据权利要求1或2所述的基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，其特征在于，所述数据处理模块包括FPGA和测量电路AD模块。
6.根据权利要求5所述的基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，其特征在于，所述测量电路AD模块为12位的AD模块。
7.根据权利要求3或4所述的基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，其特征在于，所述运算放大器U1、U2均采用高增益带宽高精度运算放大器LM7171B。
8.根据权利要求2所述的基于开通dIds/dt的SIC MOSFET模块结温在线测量装置，其特征在于，所述PCB罗氏线圈为高带宽，可达20MHZ。
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