專利名稱：用于實時監(jiān)測igbt器件的操作狀態(tài)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及IGBT器件的領(lǐng)域，特別地涉及用于測量或估計IGBT器件的結(jié)溫的方法。
背景技術(shù)：
在操作期間半導(dǎo)體模塊中的IGBT器件的結(jié)溫在例如功率電子轉(zhuǎn)換器中是重要的參數(shù)，其提供關(guān)于器件所暴露的熱應(yīng)力的信息。因此，它可以用于預(yù)測和評估IGBT器件和功率模塊的老化并且估計IGBT器件的剩余壽命。常規(guī)地，使用標(biāo)準(zhǔn)溫度測量技術(shù)測量IGBT器件的結(jié)溫，例如使用紅外拍攝裝置探測、在IGBT器件封裝內(nèi)部直接在IGBT半導(dǎo)體處或附近的熱耦，或測量IGBT器件的內(nèi)部柵極電阻以便獲得器件溫度的指示。這些技術(shù)或牽涉對IGBT器件封裝的直接接觸或需要專門設(shè)計的IGBT器件。此外，可以通過憑借溫度傳感器測量基底板或襯底的溫度并且應(yīng)用描述器件中的熱互作用的詳細熱網(wǎng)絡(luò)而模擬內(nèi)部IGBT器件溫度。該模擬基于關(guān)于施加到IGBT器件的電壓和電流波形等電參量的信息，使得可以估計IGBT溫度。由于直接在半導(dǎo)體結(jié)處未測量到溫度時的延遲熱響應(yīng)，上文的用于確定溫度的方法未提供需要的及時分辨率和精確度。因此，特別地，如果及時分辨率應(yīng)該處于接近IGBT器件的控制頻率的頻率，這些技術(shù)不適合于IGBT結(jié)溫的在線測量。因此，本發(fā)明的目的是提供用于確定IGBT器件的結(jié)溫的方法和系統(tǒng)，其高度精確地且以高的及時分辨率提供溫度的指示。

發(fā)明內(nèi)容
該目的由根據(jù)權(quán)利要求1的用于確定IGBT器件的結(jié)溫的系統(tǒng)和由根據(jù)另外的獨立權(quán)利要求的方法實現(xiàn)。本發(fā)明的另外的實施例在從屬的子權(quán)利要求中指示。根據(jù)第一方面，提供用于確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:
一微分單元，用于接收要測量的IGBT器件的柵極-發(fā)射極電壓特性和用于微分該柵極-發(fā)射極電壓特性來獲得與IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖；
一計時器單元，用于測量獲得的指示IGBT器件的關(guān)斷期期間Miller平臺期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時間延遲；
一結(jié)溫計算單元，用于基于測量的時間延遲確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命。IGBT器件的行為強烈地取決于其操作溫度。這是由于溫度與基本物理參數(shù)(例如遷移率、壽命和本征載流子濃度)之間強烈的相互依賴性。因為這些基本物理參數(shù)反映標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體特性，半導(dǎo)體器件的電特性是溫度依賴的。除例如閾值電壓、導(dǎo)通和關(guān)斷延遲時間、開關(guān)損耗等需要復(fù)雜的測量技術(shù)的熱敏電參數(shù)外，還發(fā)現(xiàn)，特別地在給定負載條件的IGBT器件的關(guān)斷特性可以用于以精確的方式確定器件的結(jié)溫。特別地，關(guān)斷期間的柵極-發(fā)射極電壓特性示出由于本體電容的放電而具有兩個步階的階梯模式，其中第一下降邊緣與第二下降邊緣之間的時間延遲確定了強烈地取決于器件結(jié)溫的持續(xù)時間。該階梯模式形成類似平臺的特性，也稱為Miller平臺。此外，發(fā)現(xiàn)該時間延遲是IGBT結(jié)溫的接近于線性的函數(shù)。因此，提供了分析IGBT器件的柵極-發(fā)射極電壓的關(guān)斷特性以便確定IGBT結(jié)溫。Miller平臺的持續(xù)時間的估計允許精確確定IGBT器件的各開關(guān)時的結(jié)溫。因此，可以獲得IGBT器件的在線溫度特性，其例如允許更精確估計施加在IGBT器件上的熱應(yīng)力及其剩余壽命。此外，結(jié)溫計算單元可適用于基于測量的時間延遲和IGBT器件的集電極-發(fā)射極電壓以及IGBT器件電流確定IGBT器件的結(jié)溫?？商峁┙Y(jié)溫計算單元適用于憑借給定查找表或給定函數(shù)確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命。根據(jù)實施例，信號幅度檢測單元和比較器單元可配置成從其他脈沖選擇指示IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺期的起始和結(jié)束的脈沖，其中該比較器單元適用于基于作為閾值水平的參考開關(guān)電壓而對脈沖濾波，其中該信號幅度檢測單元適用于基于在微分單元中產(chǎn)生的脈沖的幅度產(chǎn)生相應(yīng)的閾值水平。可提供信號幅度檢測單元和比較器單元，其配置成從其他脈沖選擇指示IGBT器件的關(guān)斷期期間Miller平臺期的起始和結(jié)束的脈沖，其中該比較器單元適用于將脈沖的電壓水平與作為閾值水平的相應(yīng)參考開關(guān)電壓比較來獲得二進制脈沖信號，其中該信號幅度檢測單元適用于基于在微分單元中產(chǎn)生的脈沖的幅度產(chǎn)生相應(yīng)的閾值水平。此外，比較器單元可配置成在將脈沖的電壓水平與作為閾值水平的相應(yīng)參考開關(guān)電壓比較來獲得二進制信號時應(yīng)用滯后。根據(jù)第一方面，提供用于確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命的方法。該方法包括以下步驟:
一微分柵極-發(fā)射極電壓特性來獲得與IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖；
一測量獲得的指示IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時間延遲；
一基于測量的時間延遲確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命。根據(jù)實施例，可進一步基于集電極-發(fā)射極電壓和IGBT器件電流確定IGBT器件的結(jié)溫。


本發(fā)明的優(yōu)選實施例將連同附圖更詳細描述，其中:
圖1示出由控制單元控制的IGBT驅(qū)動模塊的示意 圖2示出描繪在關(guān)斷期期間IGBT器件隨時間的柵極-發(fā)射極電壓的 圖3示出描繪隨IGBT器件的結(jié)溫的Miller平臺的時間延遲的圖；圖4示出用于確定Miller平臺的時間延遲的功能框 圖5示出溫度確定單元的示例的示意圖；以及
圖6示出與產(chǎn)生作為比較器單元的輸出的脈沖有關(guān)的測量IGBT器件的柵極-發(fā)射極電壓的特性。
權(quán)利要求
1.一種用于確定IGBT器件(12)的結(jié)溫和/或剩余壽命的系統(tǒng)(20)，包括: 一微分單元(21)，用于接收要測量的所述IGBT器件(12)的柵極-發(fā)射極電壓(VeE)特性以及用于微分所述柵極-發(fā)射極電壓(Vra)特性來獲得與所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖； 一計時器單元(23)，用于測量獲得的指示所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間所述Mi 11 er平臺期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時間延遲(tdelay)； —結(jié)溫計算單元(25)，用于基于測量的時間延遲(tdelay)確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫和/或剩余壽命。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(20)，其中所述結(jié)溫計算單元(25)適用于基于測量的時間延遲(tdelay)和所述IGBT器件(12，13)的集電極-發(fā)射極電壓(Vce)以及IGBT器件電流確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫(Tj)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(20)，其中所述結(jié)溫計算單元(25)適用于憑借給定查找表或給定函數(shù)確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫(Τρ和/或剩余壽命的指示。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的系統(tǒng)(20)，其中信號幅度檢測器單元(24)和比較器單元(22)配置成從其他脈沖選擇指示所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的所述Miller平臺期的起始和結(jié)束的脈沖， 其中所述比較器單元(22)適用于基于作為閾值水平的參考開關(guān)電壓(Uref)而對脈沖濾波， 其中所述信號幅度檢測單元(24)適用于基于在所述微分單元(21)中產(chǎn)生的脈沖的幅度產(chǎn)生相應(yīng)的閾值水平。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的系統(tǒng)(20)，其中信號幅度檢測器單元(24)和比較器單元配置成從其他脈沖選擇指示所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的所述Miller平臺期的起始和結(jié)束的脈沖， 其中所述比較器單元(22)適用于將脈沖的電壓水平與作為閾值水平的相應(yīng)參考開關(guān)電壓(UMf)比較來獲得二進制脈沖信號， 其中所述信號幅度檢測器單元(24)適用于基于在所述微分單元(21)中產(chǎn)生的脈沖的幅度產(chǎn)生相應(yīng)的閾值水平。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)(20)，其中所述比較器單元(22)配置成在將脈沖的電壓水平與作為閾值水平的相應(yīng)參考開關(guān)電壓(U比較來獲得二進制脈沖信號時應(yīng)用滯后。
7.一種用于確定IGBT器件(12)的結(jié)溫(Tj)和/或剩余壽命的方法，包括: 一微分柵極-發(fā)射極電壓(\E)特性來獲得與所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖； 一測量獲得的指示所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的所述Miller平臺期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時間延遲(tdelay)； —基于測量的時間延遲(tdelay)確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫(Tj)和/或剩余壽命。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中進一步基于集電極-發(fā)射極電壓和IGBT器件電流確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于實時監(jiān)測IGBT器件的操作狀態(tài)、特別地用于確定IGBT器件的結(jié)溫的系統(tǒng)，包括微分單元，用于接收要測量的IGBT器件的柵極-發(fā)射極電壓特性以及用于微分該柵極-發(fā)射極電壓特性來獲得與IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖；計時器單元，用于測量獲得的指示IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時間延遲；結(jié)溫計算單元，用于基于測量的時間延遲確定IGBT器件的結(jié)溫。
文檔編號G01R31/26GK103207362SQ20131000983
公開日2013年7月17日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者V.孫達拉莫爾蒂, A.海內(nèi)曼, E.比安達, F.澤弗盧, G.克納普, I.尼斯托爾, R.布洛赫 申請人:Abb研究有限公司