RU2640089C2 - Система и способ контроля рабочего состояния igbt-устройства в реальном времени - Google Patents

Система и способ контроля рабочего состояния igbt-устройства в реальном времени Download PDF

Info

Publication number
RU2640089C2
RU2640089C2 RU2013100947A RU2013100947A RU2640089C2 RU 2640089 C2 RU2640089 C2 RU 2640089C2 RU 2013100947 A RU2013100947 A RU 2013100947A RU 2013100947 A RU2013100947 A RU 2013100947A RU 2640089 C2 RU2640089 C2 RU 2640089C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
igbt device
phase
unit
semiconductor junction
temperature
Prior art date
Application number
RU2013100947A
Other languages
English (en)
Other versions
RU2013100947A (ru
Inventor
Винотх СУНДАРАМООРТХИ
Александер ХАЙНЕМАНН
Энеа БИАНДА
Франц ЦУРФЛУХ
Герольд КНАПП
Юлиан НИСТОР
Ришар БЛОК
Original Assignee
Абб Рисерч Лтд
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Абб Рисерч Лтд filed Critical Абб Рисерч Лтд
Publication of RU2013100947A publication Critical patent/RU2013100947A/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2640089C2 publication Critical patent/RU2640089C2/ru

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L22/00—Testing or measuring during manufacture or treatment; Reliability measurements, i.e. testing of parts without further processing to modify the parts as such; Structural arrangements therefor
    • H01L22/30—Structural arrangements specially adapted for testing or measuring during manufacture or treatment, or specially adapted for reliability measurements
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/01—Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using semiconducting elements having PN junctions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2607—Circuits therefor
    • G01R31/2608—Circuits therefor for testing bipolar transistors
    • G01R31/2619—Circuits therefor for testing bipolar transistors for measuring thermal properties thereof
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2642—Testing semiconductor operation lifetime or reliability, e.g. by accelerated life tests
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/18—Modifications for indicating state of switch
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K2217/00—Temperature measurement using electric or magnetic components already present in the system to be measured
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/08—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage
    • H03K2017/0806—Modifications for protecting switching circuit against overcurrent or overvoltage against excessive temperature

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Testing Of Individual Semiconductor Devices (AREA)
  • Power Conversion In General (AREA)

Abstract

Предложенная группа изобретений относится к системе для контроля рабочего состояния IGBT-устройства в реальном времени. Система для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства содержит дифференцирующий блок (21) для приема характеристики напряжения (V) затвор-эмиттер IGBT-устройства (12), которая должна быть измерена, и для дифференцирования характеристики напряжения (V) затвор-эмиттер, чтобы получать импульсы, коррелирующие с фронтами, сформированными фазой участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12); блок (23) таймера для измерения временной задержки (t) между полученными импульсами, указывающими начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12); блок (25) вычисления температуры полупроводникового перехода для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства (12) на основе измеренной временной задержки (t). Указанная система реализует соответствующий способ определения температуры. Указанные изобретения позволяют обеспечить индикацию температуры с высокой точностью и с высоким временным разрешением. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Description

Область техники
Настоящее изобретение относится к области IGBT-устройств, в частности к способам измерения или оценки температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства.
Уровень техники
Температура полупроводникового перехода IGBT-устройств в полупроводниковых модулях во время работы, например в электронном преобразователе энергии, является важным параметром, который предоставляет информацию о термическом напряжении, которому подвергается устройство. Следовательно, она может быть использована, чтобы прогнозировать и оценивать износ IGBT-устройства и модуля питания и оценивать оставшийся срок эксплуатации IGBT-устройства.
Традиционно, температура полупроводникового перехода IGBT-устройства измеряется с помощью стандартных технологий измерения температуры, таких как использование инфракрасной камеры для исследования, термопара внутри корпуса IGBT-устройства непосредственно рядом или следом за IGBT-полупроводником, или измерение внутреннего сопротивления затвора IGBT-устройства для того, чтобы получать индикацию температуры устройства. Эти технологии либо подразумевают непосредственный доступ к корпусу IGBT-устройства, либо требуют специально спроектированных IGBT-устройств.
Кроме того, внутренняя температура IGBT-устройства может быть смоделирована посредством измерения температуры базовой пластины или подложки посредством датчика температуры и применения детализированной тепловой схемы, описывающей термические взаимодействия в устройстве. Моделирование основывается на информации об электрических величинах, таких как напряжение и форма волны тока, которые прикладываются к IGBT-устройству, так что температура IGBT может быть оценена.
Вследствие задержанной тепловой реакции, когда температура не измеряется непосредственно в полупроводниковом переходе, вышеописанные способы определения температуры не обеспечивают требуемое разрешение по времени и точность. Следовательно, эти технологии не подходят для измерения в реальном времени температуры полупроводникового перехода IGBT, в частности, если актуальное разрешение должно быть с частотой, близкой к управляющей частоте IGBT-устройства.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является предоставление способа и системы для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства, которое обеспечивает индикацию температуры с высокой точностью и с высоким временным разрешением.
Сущность настоящего изобретения
Эта задача была решена посредством системы для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства согласно пункту 1 формулы изобретения и посредством способа согласно дополнительному независимому пункту формулы.
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения указываются в зависимых подпунктах.
Согласно первому аспекту предоставляется система для определения температуры полупроводникового перехода и/или оставшегося срока эксплуатации IGBT-устройства. Система содержит:
- дифференцирующий блок для приема характеристики напряжения затвор-эмиттер IGBT-устройства, которое должно быть измерено, и для дифференцирования характеристики напряжения затвор-эмиттер, чтобы получать импульсы, коррелирующие с фронтами, сформированными фазой участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства;
- блок таймера для измерения временной задержки между полученными импульсами, указывающими начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства;
- блок вычисления температуры полупроводникового перехода для определения температуры полупроводникового перехода и/или оставшегося срока эксплуатации IGBT-устройства на основе измеренной временной задержки.
Характер поведения IGBT-устройства сильно зависит от его рабочей температуры. Это происходит вследствие сильной взаимозависимости между температурой и фундаментальными физическими параметрами, такими как мобильность, срок эксплуатации и концентрация собственных носителей. Поскольку фундаментальные физические параметры отражают стандартные свойства полупроводника, электрические характеристики полупроводникового устройства зависят от температуры. Помимо чувствительных к температуре электрических параметров, таких как пороговое напряжение, времена задержки включения и выключения, потери при переключении и т.п., которые требуют сложных технологий измерения, было обнаружено, что, в частности, характеристики выключения IGBT-устройства при заданном условии нагрузки могут быть использованы, чтобы определять температуру полупроводникового перехода устройства точным образом. В частности, характеристики напряжения затвор-эмиттер во время выключения показывают ступенчатый характер вследствие разряда емкости относительно корпуса, имеющий два этапа, при этом временная задержка между первым задним фронтом и вторым задним фронтом определяет продолжительность, сильно зависящую от температуры полупроводникового перехода устройства. Ступенчатый характер формирует характеристики, похожие на горизонтальные участки, также называемые участками заряда емкости Миллера.
Кроме того, было обнаружено, что временная задержка является близкой к линейной функции температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства. Следовательно, рассматривается вариант, что характеристика выключения напряжения затвор-эмиттер IGBT-устройства анализируется для того, чтобы определять температуру полупроводникового перехода IGBT.
Оценка продолжительности участка заряда емкости Миллера предоставляет возможность точного определения температуры полупроводникового перехода при каждом переключении IGBT-устройства. Следовательно, может быть получена характеристика в реальном времени температуры IGBT-устройства, которая, например, предоставляет возможность более точно оценивать термическое напряжение, оказываемое на IGBT-устройство, и оставшийся срок его эксплуатации.
Кроме того, блок вычисления температуры полупроводникового перехода может быть выполнен с возможностью определять температуру полупроводникового перехода IGBT-устройства на основе измеренной временной задержки и напряжения коллектор-эмиттер IGBT-устройства и тока IGBT-устройства.
Может быть предусмотрено, что блок вычисления температуры полупроводникового перехода выполнен с возможностью определять температуру полупроводникового перехода и/или оставшийся срок эксплуатации IGBT-устройства посредством заданной справочной таблицы или заданной функции.
Согласно варианту осуществления блок обнаружения амплитуды сигнала и блок сравнения могут быть сконфигурированы с возможностью выбирать импульсы, указывающие начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства, из других импульсов, при этом блок сравнения выполнен с возможностью фильтровать импульсы на основе опорного напряжения переключения в качестве порогового уровня, при этом блок обнаружения амплитуды сигнала выполнен с возможностью формировать соответствующие пороговые уровни на основе амплитуд импульсов, сформированных в дифференцирующем блоке.
Могут быть предусмотрены блок обнаружения амплитуды сигнала и блок сравнения, которые сконфигурированы с возможностью выбирать импульсы, указывающие начало и окончание фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства, из других импульсов,
при этом блок сравнения выполнен с возможностью сравнивать уровни напряжения импульсов с соответствующим опорным напряжением переключения в качестве порогового уровня, чтобы получать бинарные импульсные сигналы, при этом блок обнаружения амплитуды сигнала выполнен с возможностью формировать соответствующие пороговые уровни на основе амплитуд импульсов, сформированных в дифференцирующем блоке.
Кроме того, блок сравнения может быть сконфигурирован с возможностью применять гистерезис при сравнении уровней напряжения импульсов с соответствующим опорным напряжением переключения в качестве порогового уровня, чтобы получать бинарные импульсные сигналы.
Согласно первому аспекту предоставляется способ для определения температуры полупроводникового перехода и/или оставшегося срока эксплуатации IGBT-устройства. Способ содержит этапы, на которых:
- дифференцируют характеристику напряжения затвор-эмиттер, чтобы получать импульсы, коррелирующие с фронтами, сформированными фазой участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства;
- измеряют временную задержку между полученными импульсами, указывающими начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства;
- определяют температуру полупроводникового перехода и/или оставшийся срок эксплуатации IGBT-устройства на основе измеренной временной задержки.
Согласно варианту осуществления температура полупроводникового перехода IGBT-устройства может дополнительно быть определена на основе напряжения коллектор-эмиттер и тока IGBT-устройства.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно вместе с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг.1 показывает схему IGBT-модуля возбуждения, управляемого блоком управления;
Фиг.2 показывает график, изображающий напряжение затвор-эмиттер IGBT-устройства по времени во время фазы выключения;
Фиг.3 показывает график, изображающий временную задержку участка заряда емкости Миллера в зависимости от температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства;
Фиг.4 показывает функциональную блок-схему определения временной задержки участка заряда емкости Миллера;
Фиг.5 показывает схему примера блока определения температуры; и
Фиг.6 показывает характеристики напряжения затвор-эмиттер измеряемого IGBT-устройства относительно импульсов, сформированных в качестве выходных из блока сравнения.
Подробное описание вариантов осуществления
Фиг.1 показывает схему IGBT-модуля 1 возбуждения для предоставления трехфазного выходного тока, сгенерированного из DC-источника питания, прикладываемого между высоким подаваемым потенциалом VH и низким подаваемым потенциалом VL. IGBT-модуль 1 возбуждения управляется блоком 2 управления. IGBT-модуль 1 возбуждения содержит B6-схему, которая имеет три полумоста 11, по одному для каждой выходной фазы U, V, W.
Каждый полумост 11 является последовательным соединением двух IGBT-устройств между высоким подаваемым потенциалом VH и низким подаваемым потенциалом VL. В каждом из полумостов 11 клемма C коллектора первого IGBT-устройства 12 соединяется с высоким подаваемым потенциалом VH, в то время как клемма E эмиттера первого IGBT-устройства 12 соединяется с узлом вывода для соответствующей выходной фазы U, V, W. Клемма C коллектора второго IGBT-устройства 13 соединяется с узлом вывода и клеммой E эмиттера первого IGBT-устройства 12, в то время как клемма C коллектора второго IGBT-устройства 13 соединяется с низким подаваемым потенциалом VL.
Каждое IGBT-устройство 12, 13 каждого полумоста 11 снабжено обратным диодом 14, который подключается между высоким подаваемым потенциалом VH и низким подаваемым потенциалом VL в обратном направлении. Клеммы G затвора всех IGBT-устройств 12, 13 управляются блоком 2 управления, который не показан на фиг.1 ради ясности. Например, IGBT-модуль 1 возбуждения используется, чтобы снабжать электрической мощностью (непоказанную) трехфазную синхронную электрическую машину, прикладывая сигналы широтно-импульсной модуляции к IGBT-устройствам 12, 13 согласно заданной схеме коммутации.
Особенно для приборов большой мощности, контроль температуры IGBT-модуля 1 возбуждения и IGBT-устройств 12, 13 становится существенным для того, чтобы предотвращать отказ. Чтобы измерять температуру полупроводникового перехода IGBT-устройства 12, 13, используется характер электрического выключения IGBT-устройства 12, 13, который сильно зависит от температуры полупроводникового перехода соответствующего IGBT-устройства 12, 13.
Как может быть видно на фиг.2, которая показывает график характеристик напряжения затвор-эмиттер IGBT-устройства 12, 13 во время фазы выключения, уменьшение напряжения затвор-эмиттер включает в себя два этапа, определяющих пологий участок промежуточного напряжения, называемый участком заряда емкости Миллера. Продолжительность tdelay участка заряда емкости Миллера зависит от температуры. Было отмечено, что взаимозависимость временной задержки tdelay участка заряда емкости Миллера и температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства 12, 13 близка к линейной, как может быть видно на графике на фиг.3.
Чтобы получать указание температуры полупроводникового перехода на основе знания вышеописанных электрических характеристик выключенного IGBT-устройства 12, 13, блок 20 определения температуры может быть предпочтительно включен в блок 2 управления.
Блок определения температуры содержит дифференцирующий блок 21, который своевременно получает напряжение UGE затвор-эмиттер выбранного IGBT-устройства 12, 13 IGBT-модуля 1 возбуждения. Дифференцирующий блок 21 принимает напряжение UGE затвор-эмиттер выбранного IGBT-устройства 12, 13 и предоставляет импульс для каждого фронта характеристик напряжения затвор-эмиттер. Дифференцирующий блок 21 может быть предусмотрен как высокочастотный фильтр, фильтрующий DC-часть напряжения затвор-эмиттер. Дифференцирующий блок 21 может включать в себя конденсатор и резистивную схему, формирующую дифференциальное преобразование пошагового напряжения UGE затвор-эмиттер во время фазы выключения IGBT-устройства 12, 13.
Фронты напряжения UGE затвор-эмиттер формируют импульс, амплитуда которого зависит от времени роста напряжения UGE затвор-эмиттер. Временная разница между сгенерированными таким образом импульсами представляет временную задержку tdelay участка заряда емкости Миллера, который представляет температуру Tj полупроводникового перехода, которая должна быть определена. Дифференцированное напряжение UGE затвор-эмиттер предоставляется блоку 22 сравнения для того, чтобы корректно передавать импульсы дифференцирующего блока 21 к расположенному дальше блоку 23 таймера в цифровой форме.
Блок 22 сравнения имеет небольшой гистерезис, при этом опорное напряжение переключения для блока 22 сравнения устанавливается вполовину амплитуды импульса дифференцирующего блока 21. Поскольку амплитуда импульса дифференцированного напряжения UGE затвор-эмиттер зависит от времени роста, амплитуда импульса будет изменяться со многими параметрами.
По этой причине, переменное опорное напряжение формируется в блоке 24 обнаружения амплитуды сигнала в зависимости от выходной амплитуды дифференцирующего блока 21. Блок 24 обнаружения амплитуды сигнала используется, чтобы задавать корректное опорное напряжение переключения блоку 22 сравнения, который приспособлен к обоим фронтам, определяющим продолжительность tdelay участка заряда емкости Миллера. Блок 24 обнаружения амплитуды сигнала измеряет отрицательную амплитуду импульса, подаваемого дифференцирующим блоком 21. Выходное напряжение блока 24 обнаружения амплитуды сигнала, указывающее значение отрицательной амплитуды выходного сигнала дифференцирующего блока 21, делится на два (например, посредством делителя напряжения) и перенаправляется блоку 22 сравнения в качестве опорного напряжения переключения.
Блок 23 таймера выполнен с возможностью измерять временную задержку между первым и вторым импульсом, возникающим во время периода выключения.
На фиг.5 показана схема примера блока 20 определения температуры. В дифференцирующем блоке 21 предусмотрен конденсатор C4, который выполняет дифференцирование напряжения затвор-эмиттер. Резисторы R11 и R13 представляют выходную нагрузку для C4. Внутренний ноль схемы задается вполовину подаваемого напряжения VDD с помощью делителя напряжения, содержащего резисторы R11 и R13. Конденсатор C6 используется, чтобы соединять резистор R11 HF прямо с землей GND. Резистор R12 ограничивает выходной ток дифференцирующего блока 21.
Блок 22 сравнения использует операционный усилитель U3. Входной сигнал от дифференцирующего блока 21 идет к отрицательному входу операционного усилителя U3 и, следовательно, инвертируется в качестве выходного. Опорное напряжение Uref переключения соединяется с положительным входом U3 через резистор R20. Резисторы R18, R19, R20 и R21, каждый, представляют делитель напряжения для опорного напряжения переключения. Таким образом, опорное напряжение Uref переключения равно приблизительно половине выходного из блока 23 обнаружения амплитуды сигнала. Резисторы R18 и R21 задают рабочее напряжение вполовину подаваемого напряжения VDD. Резистор R19 включен, чтобы обеспечивать необходимый гистерезис. Конденсатор C17 помогает ускорять переключение вывода блока 22 сравнения.
Блок 23 обнаружения амплитуды сигнала использует операционный усилитель U2A. Усилитель U2A с диодом V7 и выходным буфером U2B представляет детектор отрицательного пика. Усилитель U2A возбуждает диод V7 отрицательно, пока напряжение выходного буфера U2B не равно значению входного напряжения. Как только входное напряжение становится положительным, диод V7 отсоединяет вывод усилителя U2A от конденсаторов C5 и C6. В этот момент максимальное отрицательное значение сохраняется в конденсаторах C5 и C7. Это буферизованное напряжение делится на два и передается в качестве опорного напряжения Uref переключения блоку 22 сравнения. Без сигнала емкости C5 и C7 будут разряжаться до 2,5 В через резисторы R10 и R14. Константа времени разряда может быть задана емкостями C5, C7 и сопротивлениями R10, R14. Диод V8 предотвращает насыщение усилителя U2A в состоянии хранения.
Как может быть видно на фиг.6, характеристика напряжения UGE затвор-эмиттер измеряемого IGBT-устройства 12, 13 иллюстрируется относительно импульсов, сформированных в качестве выходных из блока 22 сравнения. Может быть ясно видно, что первый импульс формируется в начале участка заряда емкости Миллера, а второй импульс формируется после второго спада напряжения VGE затвор-эмиттер участка заряда емкости Миллера, который зависит от температуры. Временной сдвиг между этими двумя импульсами изменяется с температурой.
Временная задержка tdelay между двумя пульсирующими фронтами импульсов, сформированных в блоке 22 сравнения, измеряется блоком 23 таймера для того, чтобы получать указание временной задержки tdelay участка заряда емкости Миллера. Указание временной задержки tdelay участка заряда емкости Миллера передается блоку 25 вычисления температуры полупроводникового перехода, который, по существу, включает в себя заданную справочную таблицу или заданную сравнимую функцию для того, чтобы определять указание температуры Tj полупроводникового перехода и/или указание об оставшемся сроке эксплуатации в зависимости от указания временной задержки tdelay участка заряда емкости Миллера.
Напряжение хорды постоянного тока или напряжение UGE коллектор-эмиттер через IGBT-устройство 12, 13 и ток через IGBT-устройство 12, 13 используются, чтобы получать опорное указание температуры полупроводникового перехода из заданной справочной таблицы, поскольку временная задержка tdelay также завит от этих показателей. Информация о напряжении UGE коллектор-эмиттер и токе IGBT-устройства 12, 13 обычно доступна в блоке 2 управления, поскольку работа IGBT-модуля 1 возбуждения управляется в зависимости от этих показателей. Например, для выполнения вышеупомянутой схемы коммутации требуются напряжение хорды постоянного тока или напряжение UGE коллектор-эмиттер на концах IGBT-устройств 12, 13 и ток через IGBT-устройства 12, 13. Устройство 20 определения температуры полупроводникового перехода может быть предусмотрено для каждого IGBT-устройства 12, 13 в блоке 2 управления.
Одним дополнительным преимуществом вышеописанного способа определения температуры Tj полупроводникового перехода IGBT-устройства является то, что эффекты старения модуля, в котором реализовано IGBT-устройство, могут быть легко обнаружены, если записывается постоянное увеличение средней температуры полупроводникового перехода. Когда характер постоянного увеличения температуры T полупроводникового перехода обнаруживается, причина может быть отнесена к старению припоя между IGBT-подложками и базовой пластиной модуля или даже к нарушению соединения переходных отверстий, соединяющих микросхемы с клеммами IGBT-модуля 1 возбуждения. Эти процессы старения преобразуются в увеличенное термическое сопротивление корпуса, которое означает, что IGBT-микросхемы менее эффективно охлаждаются. Таким образом, оцененная температура полупроводникового перехода IGBT-устройств 12, 13 будет увеличиваться постепенно со временем.
Список условных обозначений
1 - IGBT-модуль возбуждения
2 - блок управления
11 - полумост
12 - первое IGBT-устройство
13 - второе IGBT-устройство
14 - обратный диод
21 - дифференцирующий блок
22 - блок сравнения
23 - блок таймера
24 - блок обнаружения амплитуды сигнала
25 - блок вычисления температуры полупроводникового перехода
U, V, W - выходные фазы
C - клемма коллектора
G - клемма затвора
E - клемма эмиттера
Tj - температура полупроводникового перехода
VH, VL - высокий, низкий подаваемый потенциал
VGE - напряжение затвор-эмиттер
tdelay - временная задержка
Uref - опорное напряжение переключения

Claims (21)

1. Система (20) для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства (12), содержащая:
- дифференцирующий блок (21) для приема характеристики напряжения (VGE) затвор-эмиттер IGBT-устройства (12), которая должна быть измерена, и для дифференцирования характеристики напряжения (VGE) затвор-эмиттер, чтобы получать импульсы, коррелирующие с фронтами, сформированными фазой участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12);
- блок (23) таймера для измерения временной задержки (tdelay) между полученными импульсами, указывающими начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12);
- блок (25) вычисления температуры полупроводникового перехода для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства (12) на основе измеренной временной задержки (tdelay).
2. Система (20) по п.1, в которой блок (25) вычисления температуры полупроводникового перехода выполнен с возможностью определять температуру (Tj) полупроводникового перехода IGBT-устройства (12) на основе измеренной временной задержки (tdelay) и напряжения (VСE) коллектор-эмиттер IGBT-устройства (12, 13) и тока IGBT-устройства.
3. Система (20) по п.2, в которой блок (25) вычисления температуры полупроводникового перехода выполнен с возможностью определять температуру (Tj) полупроводникового перехода IGBT-устройства (12) посредством заданной справочной таблицы или заданной функции.
4. Система (20) по любому из пп.1-3, в которой блок (24) обнаружения амплитуды сигнала и блок (22) сравнения сконфигурированы с возможностью выбирать импульсы, указывающие начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12), из других импульсов,
при этом блок (22) сравнения выполнен с возможностью фильтровать импульсы на основе опорного напряжения (Uref) переключения в качестве порогового уровня,
при этом блок (24) обнаружения амплитуды сигнала выполнен с возможностью формировать соответствующие пороговые уровни на основе амплитуд импульсов, сформированных в дифференцирующем блоке (21).
5. Система (20) по любому из пп.1-3, в которой блок (24) обнаружения амплитуды сигнала и блок сравнения сконфигурированы с возможностью выбирать импульсы, указывающие начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12), из других импульсов,
при этом блок (22) сравнения выполнен с возможностью сравнивать уровни напряжения импульсов с соответствующим опорным напряжением (Uref) переключения в качестве порогового уровня, чтобы получать бинарные импульсные сигналы,
при этом блок (24) обнаружения амплитуды сигнала выполнен с возможностью формировать соответствующие пороговые уровни на основе амплитуд импульсов, сформированных в дифференцирующем блоке (21).
6. Система (20) по п.4, в которой блок (24) обнаружения амплитуды сигнала и блок сравнения сконфигурированы с возможностью выбирать импульсы, указывающие начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12), из других импульсов,
при этом блок (22) сравнения выполнен с возможностью сравнивать уровни напряжения импульсов с соответствующим опорным напряжением (Uref) переключения в качестве порогового уровня, чтобы получать бинарные импульсные сигналы,
при этом блок (24) обнаружения амплитуды сигнала выполнен с возможностью формировать соответствующие пороговые уровни на основе амплитуд импульсов, сформированных в дифференцирующем блоке (21).
7. Система (20) по п.5, в которой блок (22) сравнения сконфигурирован с возможностью применять гистерезис при сравнении уровней напряжения импульсов с соответствующим опорным напряжением (Uref) переключения в качестве порогового уровня, чтобы получать бинарные импульсные сигналы.
8. Способ определения температуры (Tj) полупроводникового перехода IGBT-устройства (12), содержащий этапы, на которых:
- дифференцируют характеристику напряжения (VGE) затвор-эмиттер, чтобы получать импульсы, коррелирующие с фронтами, сформированными фазой участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12);
- измеряют временную задержку (tdelay) между полученными импульсами, указывающими начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства (12);
- определяют температуру (Tj) полупроводникового перехода IGBT-устройства (12) на основе измеренной временной задержки (tdelay).
9. Способ по п.8, в котором температура полупроводникового перехода IGBT-устройства (12) дополнительно определяется на основе напряжения коллектор-эмиттер и тока IGBT-устройства.
RU2013100947A 2012-01-11 2013-01-10 Система и способ контроля рабочего состояния igbt-устройства в реальном времени RU2640089C2 (ru)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP12150704.0A EP2615467B1 (en) 2012-01-11 2012-01-11 System and method for monitoring in real time the operating state of an IGBT device
EP12150704.0 2012-01-11

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2013100947A RU2013100947A (ru) 2014-07-20
RU2640089C2 true RU2640089C2 (ru) 2017-12-26

Family

ID=45566819

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2013100947A RU2640089C2 (ru) 2012-01-11 2013-01-10 Система и способ контроля рабочего состояния igbt-устройства в реальном времени

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9039279B2 (ru)
EP (1) EP2615467B1 (ru)
JP (1) JP5675855B2 (ru)
CN (1) CN103207362B (ru)
RU (1) RU2640089C2 (ru)

Families Citing this family (65)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3049779B1 (en) * 2013-09-24 2017-11-15 ABB Schweiz AG Method and apparatus for determining an actual junction temperature of an igbt device
DE102013219373A1 (de) * 2013-09-26 2015-03-26 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zum Erfassen der Temperatur eines Bauteils, Schaltung mit Erfassung der Temperatur eines Bauteils und Vorrichtung
EP2933646B1 (en) * 2014-04-17 2019-04-17 Siemens Aktiengesellschaft Precision measurement of voltage drop across a semiconductor switching element
CN103929046B (zh) * 2014-04-24 2016-03-30 东南大学 一种buck拓扑开关电源中的开关管故障检测电路
US9789335B2 (en) 2014-09-24 2017-10-17 Techno Eye Corporation MgF2—CaF2 binary system sintered body for radiation moderator and method for producing the same
CN104596655B (zh) * 2014-12-19 2017-10-31 广东美的制冷设备有限公司 智能功率模块、功率器件及其温度检测电路和方法
EP3059216B1 (en) 2014-12-26 2021-05-05 University of Tsukuba Method for producing a mgf2 sintered compact for radiation moderator material
EP3054306A1 (de) * 2015-02-03 2016-08-10 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Bestimmung einer Alterung von Leistungshalbleitermodulen sowie Vorrichtung und Schaltungsanordnung
DE102015204343A1 (de) * 2015-03-11 2016-09-15 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Vorrichtung zum bestimmen eines schalterzustands, schaltervorrichtung, verfahren zum bestimmen eines schalterzustands und computerprogramm
CN104808130B (zh) * 2015-04-16 2017-08-25 北京工业大学 多路晶体管be结结温测量装置
US9859787B2 (en) * 2015-04-22 2018-01-02 Ge Energy Power Conversion Technology Limited Life of a semiconductor by reducing temperature changes therein via reactive power
KR101913385B1 (ko) * 2015-05-08 2018-10-30 전자부품연구원 반도체 소자 진단장치
CN104978459B (zh) * 2015-07-08 2017-11-21 电子科技大学 一种igbt剩余寿命预测方法
CN105242189B (zh) * 2015-10-13 2018-10-19 中国人民解放军海军工程大学 基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的igbt健康状态监测方法
CN106610601B (zh) * 2015-10-27 2019-08-06 国网智能电网研究院 一种igbt元件运行状态监测装置
CN105486992B (zh) * 2015-11-05 2019-03-12 中车株洲电力机车研究所有限公司 一种绝缘栅双极型晶体管的在线健康管理装置和方法
DE102015225909A1 (de) * 2015-12-18 2017-06-22 Zf Friedrichshafen Ag Verfahren und Vorrichtung zur Detektion einer Alterung einer ein Halbleiterbauelement umfassenden leistungselektronischen Vorrichtung und leistungelektronisches System
EP3208586B1 (en) * 2016-02-18 2019-08-28 Mitsubishi Electric R&D Centre Europe B.V. Method and device for determining the junction temperature of at least one die of a semiconductor power module
US9673809B1 (en) 2016-03-24 2017-06-06 Nxp Usa, Inc. Replication of a drive signal across a galvanic isolation barrier
CN107238761A (zh) * 2016-03-28 2017-10-10 通用电气公司 开关放大器、梯度放大器及估算开关放大器剩余寿命的方法
CN105811944B (zh) * 2016-04-12 2019-02-15 重庆大学 用于igbt结温估计的驱动装置及方法
US9838002B2 (en) * 2016-04-19 2017-12-05 Ford Global Technologies, Llc IGBT gate drive during turnoff to reduce switching loss
EP3457149B1 (en) * 2016-05-09 2022-12-21 Hitachi, Ltd. Diagnosis system for power conversion device, diagnosis method for semiconductor module, and power conversion device
GB201609907D0 (en) * 2016-06-07 2016-07-20 Rolls Royce Plc Method for estimating power system health
CN106199367A (zh) * 2016-07-06 2016-12-07 中国科学院电工研究所 一种igbt结温测量装置
CN105929316A (zh) * 2016-07-10 2016-09-07 北京工业大学 多路igbt结温及热疲劳实时监控系统
JP6750360B2 (ja) * 2016-07-15 2020-09-02 富士電機株式会社 半導体装置
CN106324466B (zh) * 2016-08-08 2019-05-14 同济大学 一种变流器igbt模块现场故障预诊断方法
CN106301317B (zh) * 2016-08-30 2019-04-16 深圳市禾望电气股份有限公司 一种igbt驱动电压的调整方法及系统
JP6754438B2 (ja) * 2016-09-27 2020-09-09 株式会社日立製作所 電気機器および電気機器の診断装置
CN106407608B (zh) * 2016-10-27 2019-09-27 华北电力大学 一种考虑热耦合的压接igbt模块稳态结温预测模型
KR20180069954A (ko) * 2016-12-15 2018-06-26 현대자동차주식회사 파워모듈의 정션온도 측정 방법
EP3598627A4 (en) 2017-03-15 2020-12-16 Hitachi, Ltd. POWER CONVERSION DEVICE DIAGNOSIS CIRCUIT AND POWER CONVERSION DEVICE DIAGNOSIS SYSTEM
JP6861079B2 (ja) 2017-04-19 2021-04-21 株式会社日立製作所 電力変換装置
JP6825975B2 (ja) * 2017-04-21 2021-02-03 株式会社日立製作所 電力変換装置、その診断システム、診断方法、及びそれを用いた電動機制御システム
FR3067117B1 (fr) * 2017-05-31 2021-05-07 Alstom Transp Tech Procede de determination d'une tension de sortie d'un transistor
JP6858648B2 (ja) * 2017-06-01 2021-04-14 キヤノンメディカルシステムズ株式会社 Ｘ線高電圧装置、ｘ線撮影装置、及び判定回路
CN107315877B (zh) * 2017-06-28 2020-06-19 华北电力大学 一种预测功率器件结温的方法及系统
US10393795B2 (en) * 2017-07-25 2019-08-27 Abb Schweiz Ag Semiconductor failure prognostication
JP6853147B2 (ja) 2017-09-06 2021-03-31 株式会社日立製作所 電力変換装置、電動機制御システム、および電力変換装置の診断方法
WO2019108223A1 (en) * 2017-12-01 2019-06-06 General Electric Company Systems and method for estimating junction temperature of a semiconductor switch
WO2019108219A1 (en) * 2017-12-01 2019-06-06 General Electric Company Systems and method for estimating junction temperature of a semiconductor switch
JP2019187089A (ja) 2018-04-10 2019-10-24 株式会社日立製作所 診断装置及び診断システム
CN108508342B (zh) * 2018-05-28 2020-07-17 中国科学院上海微系统与信息技术研究所 一种igbt短路过流检测电路
JP2020048276A (ja) * 2018-09-18 2020-03-26 株式会社日立製作所 電力変換装置の診断回路および診断システム
JP7085453B2 (ja) * 2018-10-18 2022-06-16 株式会社日立製作所 電力変換装置及び電力変換装置の診断方法
US10948359B2 (en) * 2018-10-30 2021-03-16 Analog Devices International Unlimited Company Techniques for junction temperature determination of power switches
JP7140635B2 (ja) * 2018-10-31 2022-09-21 株式会社日立製作所 電力変換装置
DE102019100594A1 (de) 2019-01-11 2020-07-16 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Halbbrückenschaltung
JP7133502B2 (ja) * 2019-03-26 2022-09-08 株式会社日立ビルシステム 電力変換装置の診断装置及び電力変換装置の診断方法
JP7381568B2 (ja) 2019-04-08 2023-11-15 ローム株式会社 デバイスパラメータの測定方法
US10955445B2 (en) 2019-05-21 2021-03-23 Nxp B.V. Automatic miller plateau sampling
CN110456264B (zh) * 2019-08-16 2021-07-30 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） 大功率器件功率循环试验结温监测方法、装置和系统
CN110502842B (zh) * 2019-08-26 2023-05-30 阳光电源股份有限公司 功率半导体模块的热模型建模方法及其应用方法和装置
CN110852509A (zh) * 2019-11-11 2020-02-28 北京昊鹏智能技术有限公司 Igbt模块的故障预测方法、装置及存储介质
DE102019132183B4 (de) * 2019-11-27 2021-10-14 Semikron Elektronik Gmbh & Co. Kg Leistungshalbleitereinrichtung mit einer Halbbrückenschaltung
CN111076835A (zh) * 2019-12-27 2020-04-28 全球能源互联网研究院有限公司 一种igbt器件温度在线测量方法及装置
CN111142002B (zh) * 2020-01-13 2022-04-29 全球能源互联网研究院有限公司 一种并联芯片温度均匀性检测方法及装置
CN111426933A (zh) * 2020-05-19 2020-07-17 浙江巨磁智能技术有限公司 安全型电力电子模块及其安全检测方法
CN112014708B (zh) * 2020-07-27 2023-02-07 西安中车永电电气有限公司 基于FPGA的SiC功率器件在线结温计算方法
CN111830389B (zh) * 2020-07-31 2023-10-20 江苏国传电气有限公司 一种基于发射极功率端子温度的igbt结温估算系统及方法
JPWO2022130827A1 (ru) 2020-12-17 2022-06-23
WO2023248335A1 (ja) * 2022-06-21 2023-12-28 三菱電機株式会社 半導体装置及び電力変換装置
EP4339629A1 (en) * 2022-09-15 2024-03-20 Abb Schweiz Ag Diagnosis and prognosis of igbt modules
CN117706317B (zh) * 2024-02-06 2024-05-28 中国电子产品可靠性与环境试验研究所（（工业和信息化部电子第五研究所）（中国赛宝实验室）） 热阻测试方法和热阻测试电路

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4039928A (en) * 1976-07-19 1977-08-02 Pertron Controls Corporation Electrical operating circuit having semiconductor device junction temperature monitoring
EP0336814A1 (fr) * 1988-04-01 1989-10-11 Thomson-Csf Dispositif et procédé de mesure thermique d'un transistor bipolaire en fonctionnement
RU2172493C1 (ru) * 2000-03-31 2001-08-20 Ульяновский государственный технический университет Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем
US6431749B1 (en) * 1999-11-30 2002-08-13 Thomson-Csf Method and device to measure the temperature of microwave components
EP1860446A1 (fr) * 2006-05-23 2007-11-28 Converteam SAS Procédé et dispositif de mesure de température de jonction d'un composant électronique.
US20090167414A1 (en) * 2007-12-26 2009-07-02 Infineon Technologies Ag Temperature detection for a semiconductor component
RU2402783C1 (ru) * 2009-08-04 2010-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS57191574A (en) * 1981-05-21 1982-11-25 Nec Corp Testing method for transistor
DE102006001874B4 (de) * 2006-01-13 2012-05-24 Infineon Technologies Ag Verfahren und Vorrichtung zur Strom- und Temperaturmessung in einer leistungselektronischen Schaltung
JP5456527B2 (ja) * 2010-03-19 2014-04-02 東芝エレベータ株式会社 エレベータの制御装置
DK2816728T3 (da) * 2013-06-20 2020-10-26 Abb Schweiz Ag Aktivt portdrevskredsløb

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4039928A (en) * 1976-07-19 1977-08-02 Pertron Controls Corporation Electrical operating circuit having semiconductor device junction temperature monitoring
EP0336814A1 (fr) * 1988-04-01 1989-10-11 Thomson-Csf Dispositif et procédé de mesure thermique d'un transistor bipolaire en fonctionnement
US6431749B1 (en) * 1999-11-30 2002-08-13 Thomson-Csf Method and device to measure the temperature of microwave components
RU2172493C1 (ru) * 2000-03-31 2001-08-20 Ульяновский государственный технический университет Способ измерения теплового сопротивления переход-корпус цифровых интегральных микросхем
EP1860446A1 (fr) * 2006-05-23 2007-11-28 Converteam SAS Procédé et dispositif de mesure de température de jonction d'un composant électronique.
US20090167414A1 (en) * 2007-12-26 2009-07-02 Infineon Technologies Ag Temperature detection for a semiconductor component
RU2402783C1 (ru) * 2009-08-04 2010-10-27 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" Способ измерения теплового импеданса полупроводниковых диодов

Also Published As

Publication number Publication date
CN103207362B (zh) 2016-04-20
EP2615467A1 (en) 2013-07-17
US9039279B2 (en) 2015-05-26
JP2013142704A (ja) 2013-07-22
RU2013100947A (ru) 2014-07-20
CN103207362A (zh) 2013-07-17
US20130177041A1 (en) 2013-07-11
EP2615467B1 (en) 2014-06-18
JP5675855B2 (ja) 2015-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2640089C2 (ru) Система и способ контроля рабочего состояния igbt-устройства в реальном времени
CN110108999B (zh) 一种igbt模块工作结温在线检测系统及方法
TWI648942B (zh) 用於檢測開關模式電源的電流檢測電路及其檢測方法
CN105699775B (zh) Igbt耦合热阻抗的离散化方波提取方法及装置
Zhang et al. Online junction temperature monitoring using turn-off delay time for silicon carbide power devices
Baker et al. Online junction temperature measurement using peak gate current
Eleffendi et al. Evaluation of on-state voltage V CE (ON) and threshold voltage V th for real-time health monitoring of IGBT power modules
Bazzo et al. Thermal characteristics analysis of an IGBT using a fiber Bragg grating
Stella et al. On-line temperature estimation of SiC power MOSFET modules through on-state resistance mapping
CN109765471B (zh) 功率半导体器件特性统计学测试方法
Anurag et al. An accurate calorimetric method for measurement of switching losses in silicon carbide (SiC) MOSFETs
Li et al. A turn-off delay time measurement and junction temperature estimation method for IGBT
Qiao et al. Online junction temperature monitoring for SiC MOSFETs using turn-on delay time
Zheng et al. Monitoring of SiC MOSFET junction temperature with on-state voltage at high currents
Sathik et al. Online condition monitoring of IGBT modules using voltage change rate identification
Weimer et al. Soft-switching losses in gan and sic power transistors based on new calorimetric measurements
JP2019060792A (ja) 電力変換装置の診断回路および診断システム
CN116754915A (zh) 一种半导体开关器件的工作结温监测系统和方法
CN107167666B (zh) 功率器件损耗测试方法
Ruthardt et al. Online junction temperature measurement via internal gate resistance using the high frequency gate signal injection method
Herwig et al. Impact of parasitics in power modules and gate drivers on tsep-based temperature estimations
RU2504793C1 (ru) Способ определения теплового импеданса цифровых кмоп интегральных микросхем
Weimer et al. Thermal Impedance Calibration for Rapid and Non-Invasive Calorimetric Soft-Switching Loss Characterization
JP2019187089A (ja) 診断装置及び診断システム
Herwig et al. Junction temperature estimation of SiC MOSFETs during inverter operation using switching times and on-state voltages

Legal Events

Date Code Title Description
PC43 Official registration of the transfer of the exclusive right without contract for inventions

Effective date: 20200528