一種igbt模塊工作結(jié)溫的在線檢測系統(tǒng)及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種IGBT模塊工作結(jié)溫的在線檢測系統(tǒng)及檢測方法，其在IGBT模塊實(shí)際運(yùn)行不停的開關(guān)斷狀態(tài)切換中，變化的驅(qū)動電流和集電極電流在IGBT模塊的雜散電感上產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該感應(yīng)電壓在關(guān)斷過程中發(fā)生兩次電壓變化，其間隔時(shí)間記為溫敏時(shí)間，該時(shí)間在固定的關(guān)斷電壓和電流情況下與IGBT模塊的工作結(jié)溫密切相關(guān)。本發(fā)明通過建立IGBT測試系統(tǒng)，在不同直流母線電壓、IGBT導(dǎo)通電流和工作結(jié)溫下提取溫敏時(shí)間，建立離線參考數(shù)據(jù)庫，并在IGBT實(shí)際運(yùn)行中監(jiān)測IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極與功率發(fā)射極之間的電壓，提取溫敏時(shí)間進(jìn)行在線結(jié)溫計(jì)算，與現(xiàn)有IGBT工作結(jié)溫監(jiān)測技術(shù)相比，具有更高的實(shí)時(shí)性和可集成性。
【專利說明】一種IGBT模塊工作結(jié)溫的在線檢測系統(tǒng)及檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力電子器件檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種IGBT模塊工作結(jié)溫的在 線檢測系統(tǒng)及檢測方法。

【背景技術(shù)】
[0002] IGBT模塊的工作結(jié)溫在工業(yè)用如柔性直流輸電和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)中的功率變流器 中是一項(xiàng)重要的參數(shù)，其提供了 IGBT模塊熱應(yīng)力和熱性能的相關(guān)信息，因此，其工作結(jié)溫 可以用來進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測，評估IGBT模塊可靠性，預(yù)測剩余使用壽命和分析失效機(jī)理。
[0003] 常規(guī)的IGBT模塊工作結(jié)溫檢測方法，如熱傳感法，即在IGBT模塊內(nèi)部芯片附近放 置熱傳感器，該方法需要打開IGBT模塊的封裝放置熱傳感器；熱成像法，即利用紅外測溫 儀測量IGBT模塊結(jié)溫的分布情況，但只能測量未封裝的裸露芯片，對于封裝結(jié)構(gòu)的模塊需 要打開模塊封裝，并且測試儀器昂貴。
[0004] 熱阻網(wǎng)絡(luò)法，即測量IGBT模塊基板的溫度，并通過IGBT模塊的熱阻網(wǎng)絡(luò)可以預(yù)測 內(nèi)部IGBT模塊工作結(jié)溫，此方法需要對IGBT模塊的熱傳導(dǎo)路徑及熱阻網(wǎng)絡(luò)測量具有高分 辨率和精確度，由于IGBT模塊芯片處溫度傳導(dǎo)至IGBT模塊基板具有延遲時(shí)間，該技術(shù)不適 用與IGBT模塊工作結(jié)溫的在線監(jiān)測。
[0005] 總體來說，以上IGBT模塊工作結(jié)溫監(jiān)測技術(shù)，或測量儀器昂貴，或?qū)τ贗GBT模塊 封裝具有需要打開封裝結(jié)構(gòu)的特殊要求，或結(jié)溫監(jiān)測有一定的延遲，不適用于IGBT模塊工 作結(jié)溫的在線監(jiān)測。
[0006] 除此之外，IGBT模塊的行為與其工作結(jié)溫有密切的聯(lián)系，這是由于半導(dǎo)體物理參 數(shù)如載流子濃度、載流子遷移率等與溫度有較強(qiáng)的耦合關(guān)系，而IGBT模塊的電氣特性取決 于以上所述的半導(dǎo)體物理參數(shù)，因此IGBT的溫敏電氣參數(shù)為IGBT模塊的工作結(jié)溫監(jiān)測提 供了可能性，如閾值電壓，導(dǎo)通壓降，開通電流最大變化率和關(guān)斷電壓變化率等；閾值電壓 是通過監(jiān)測不同溫度下IGBT模塊M0S溝道開通的最小驅(qū)動電壓，利用該電壓與工作結(jié)溫 的對應(yīng)關(guān)系確定IGBT模塊工作結(jié)溫，但該參數(shù)與溫度敏感系數(shù)低，且提取較為困難；導(dǎo)通 壓降是測量不同溫度下IGBT的正向壓降，利用正向電壓降與工作結(jié)溫的對應(yīng)關(guān)系來確定 IGBT工作結(jié)溫，但導(dǎo)通壓降的檢測需要高耐壓的傳感器，并且在高壓大電流的開關(guān)環(huán)境下， 所測試的導(dǎo)通壓降值很小，非常容易受到干擾；IGBT模塊的開通往往伴隨著與之換流的功 率管的關(guān)斷，在兩電平電感負(fù)載型的電路中，當(dāng)IGBT模塊開通時(shí)，負(fù)載電流從二級管換流 至大IGBT模塊時(shí)，二級管的反向恢復(fù)電流會流過IGBT模塊，因此IGBT模塊的開通電流包 含了二極管的反向恢復(fù)電流，不完全為IGBT模塊本身的特性；關(guān)斷電壓變化率的檢測需要 借助額外的無源器件（如電容）轉(zhuǎn)化成易于直接測量的信號，無源器件的加入影響了 IGBT 模塊的工作狀態(tài)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種IGBT模塊工作結(jié)溫的 在線檢測系統(tǒng)及檢測方法，能夠以較高的精確度和分辨率實(shí)時(shí)檢測IGBT模塊的工作結(jié)溫。
[0008] -種IGBT模塊工作結(jié)溫的在線檢測系統(tǒng)，包括：
[0009] 主電路單元，與IGBT模塊連接；所述的主電路單元包括直流電壓源V、電容C、電感 L和功率二極管D ;其中，直流電壓源V的正極與電容C的一端、電感L的一端和功率二極管 D的陰極相連，電感L的另一端與功率二極管D的陽極和IGBT模塊的集電極相連，IGBT模 塊的功率發(fā)射極與直流電壓源V的負(fù)極和電容C的另一端相連；
[0010] 溫控單元，用于調(diào)控IGBT模塊的環(huán)境溫度；
[0011] 采樣單元，用于在IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間采集電容C 兩端的直流母線電壓vd。和IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。；
[0012] 驅(qū)動單元，用于為IGBT模塊的基極提供開關(guān)控制信號，以控制IGBT模塊由導(dǎo)通狀 態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)控IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。；
[0013] 結(jié)溫檢測單元，用于采集IGBT模塊的功率發(fā)射極與驅(qū)動發(fā)射極兩端的電壓信號 I，提取電壓信號VEe在IGBT模塊關(guān)斷過程中兩次電壓變化之間的溫敏時(shí)間td_eE ;所述的結(jié) 溫檢測單元內(nèi)存有各種運(yùn)行工況下關(guān)于直流母線電壓Vdc;、IGBT模塊的導(dǎo)通電流I^IGBT模 塊的工作結(jié)溫Τ」以及溫敏時(shí)間t d_eE的數(shù)據(jù)表格以及函數(shù)模型；進(jìn)而根據(jù)IGBT模塊由導(dǎo)通 狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間的直流母線電壓V d。、IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。以及溫敏 時(shí)間td_eE，通過查表或函數(shù)模型計(jì)算得到IGBT模塊的工作結(jié)溫Τ」。
[0014] 所述的結(jié)溫檢測單元包括：
[0015] 電壓捕獲模塊，用于捕獲在關(guān)斷過程中IGBT模塊的功率發(fā)射極與驅(qū)動發(fā)射極兩 端的電壓信號;
[0016] 隔離模塊，用于對電壓信號VEe進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換；
[0017] 比較模塊，用于使隔離轉(zhuǎn)換后的電壓信號VEe與給定的閾值電壓進(jìn)行比較，生成具 有與電壓信號變化相對應(yīng)的兩次脈沖的脈沖信號；
[0018] 計(jì)時(shí)測量模塊，用于測量所述的脈沖信號中兩次脈沖之間的溫敏時(shí)間td_eE ;
[0019] 結(jié)溫計(jì)算模塊，其內(nèi)部存有各種運(yùn)行工況下關(guān)于直流母線電壓Vd。、IGBT模塊的導(dǎo) 通電流I。、IGBT模塊的工作結(jié)溫Tj以及溫敏時(shí)間t d_eE的數(shù)據(jù)表格以及函數(shù)模型，進(jìn)而根據(jù) IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間的直流母線電壓Vd。、IGBT模塊的導(dǎo)通 電流I。以及溫敏時(shí)間t d_eE，通過查表或函數(shù)模型計(jì)算得到IGBT模塊的工作結(jié)溫Τ』。
[0020] 所述的電壓捕獲模塊包括三個(gè)電阻R1?R3、運(yùn)算放大器U1和雙向模擬開關(guān)Η;其 中：電阻R1的一端接收IGBT模塊基極的開關(guān)控制信號，另一端與電阻R3的一端和運(yùn)算放 大器U1的反相輸入端相連；電阻R2的一端接IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極的電壓，另一端與運(yùn)算 放大器U1的正相輸入端相連；電阻R3的另一端與運(yùn)算放大器U1的輸出端和雙向模擬開關(guān) Η的控制端相連，雙向模擬開關(guān)Η的輸入端接IGBT模塊功率發(fā)射極的電壓，雙向模擬開關(guān)Η 的輸出端輸出電壓信號VEe;。
[0021] 所述的隔離模塊包括三個(gè)運(yùn)算放大器U2?U4、兩個(gè)型號為HCNR201的線性光耦 P1?P2、三個(gè)電容C1?C3、兩個(gè)二極管D1?D2和五個(gè)電阻R4?R8 ;其中：電阻R4的一 端與電阻R5的一端相連并接收電壓信號VEe，電阻R4的另一端與電容C1的一端、二極管D1 的陰極、運(yùn)算放大器U2的反相輸入端和線性光耦P1的3號引腳相連，運(yùn)算放大器U2的正 相輸入端與線性光耦P1的2號引腳、線性光耦P1的4號引腳、線性光耦P2的1號引腳、線 性光耦P2的3號引腳和運(yùn)算放大器U3的正相輸入端相連并接IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極的電 壓，運(yùn)算放大器U2的輸出端與電容C1的另一端、二極管D1的陽極和電阻R6的一端相連， 電阻R6的另一端與線性光稱P1的1號引腳相連，電阻R5的另一端與電容C2的一端、二極 管D2的陽極、運(yùn)算放大器U3的反相輸入端和線性光耦P2的4號引腳相連，運(yùn)算放大器U3 的輸出端與電容C2的另一端、二極管D2的陰極和電阻R7的一端相連，電阻R7的另一端與 線性光耦P2的2號引腳相連，線性光耦P1的5號引腳與線性光耦P2的6號引腳和運(yùn)算放 大器U4的正相輸入端相連并接地，線性光耦P1的6號引腳與線性光耦P2的5號引腳、電 容C3的一端、電阻R8的一端和運(yùn)算放大器U4的反相輸入端相連，運(yùn)算放大器U4的輸出端 與電容C3的另一端和電阻R8的另一端相連且為隔離模塊的輸出端。
[0022] 所述的比較模塊包括兩個(gè)運(yùn)算放大器U5?U6、兩個(gè)比較器B1?B2、七個(gè)電阻 R9?R15和與門K ;其中：電阻R9的一端與電阻R10的一端相連并接收隔離轉(zhuǎn)換后的電壓 信號VEe，電阻R9的另一端與電阻R11的一端和運(yùn)算放大器U5的反相輸入端相連，電阻R10 的另一端與電阻R14的一端、運(yùn)算放大器U6的反相輸入端和運(yùn)算放大器U6的輸出端相連， 運(yùn)算放大器U5的正相輸入端和運(yùn)算放大器U6的正相輸入端均接地，電阻R11的另一端與 運(yùn)算放大器U5的輸出端和電阻R12的一端相連，電阻R12的另一端與比較器B1的反相輸 入端相連，比較器B1的正相輸入端與電阻R13的一端相連，電阻R13的另一端接閾值電壓 VT1，電阻R14的另一端與比較器B2的反相輸入端相連，比較器B2的正相輸入端與電阻R15 的一端相連，電阻R15的另一端接閾值電壓VT2,比較器B1和B2的輸出端分別與與門K的 第一輸入端和第二輸入端相連，與門K的輸出端輸出所述的脈沖信號。
[0023] 所述的計(jì)時(shí)測量模塊和結(jié)溫計(jì)算模塊可通過FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列）實(shí)現(xiàn)。
[0024] 為了便于實(shí)現(xiàn)IGBT模塊工作結(jié)溫的在線檢測，結(jié)溫檢測單元與驅(qū)動單元可以集 成在一起。
[0025] 上述在線檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括如下步驟：
[0026] (1)建立數(shù)據(jù)模型；
[0027] 在不超過IGBT模塊最大工作電壓、最大工作電流以及最大工作結(jié)溫的條件下設(shè) 定運(yùn)行工況；對于任一運(yùn)行工況，在IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間， 其對應(yīng)一組關(guān)于直流母線電壓V d。、IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。和IGBT模塊的工作結(jié)溫Τ」的 數(shù)據(jù)，采集在該運(yùn)行工況下IGBT模塊的功率發(fā)射極與驅(qū)動發(fā)射極兩端的電壓信號V Ee，并提 取電壓信號在IGBT模塊關(guān)斷過程中兩次電壓變化之間的溫敏時(shí)間td_eE ;
[0028] 依此遍歷所有運(yùn)行工況，獲得每一運(yùn)行工況對應(yīng)的溫敏時(shí)間td_eE ;進(jìn)而建立各運(yùn) 行工況下關(guān)于直流母線電壓Vd。、IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。、IGBT模塊的工作結(jié)溫Τ」以及溫 敏時(shí)間t d_eE的數(shù)據(jù)表格和函數(shù)模型；
[0029] (2)在線檢測；
[0030] 采集IGBT模塊的功率發(fā)射極與驅(qū)動發(fā)射極兩端的電壓信號VEe，并提取電壓信號 VEe在IGBT模塊關(guān)斷過程中兩次電壓變化之間的溫敏時(shí)間td_eE ;同時(shí)在IGBT模塊由導(dǎo)通狀 態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間采集直流母線電壓Vd。以及IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。；
[0031] 進(jìn)而根據(jù)IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間的直流母線電壓 Vd。、IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。以及溫敏時(shí)間td_eE，通過查表或函數(shù)模型計(jì)算得到IGBT模塊的 工作結(jié)溫I。
[0032] 本發(fā)明利用大功率IGBT模塊在關(guān)斷過程中溫敏時(shí)間td_eE的變化與其工作結(jié)溫有 強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，溫敏時(shí)間t d_eE與IGBT模塊的工作結(jié)溫近似為線性關(guān)系，溫敏時(shí)間td_eE由 驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極E之間產(chǎn)生的電壓V Ee變化進(jìn)行提取，通過了 IGBT模塊驅(qū)動發(fā) 射極e與功率發(fā)射極E之間在關(guān)斷過程中產(chǎn)生電壓VEe變化可提取出溫敏時(shí)間td_ eE，進(jìn)一步 確定IGBT模塊的工作結(jié)溫。由于IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極E之間電壓比較低， 故本發(fā)明使用一個(gè)低壓的電壓及時(shí)間間隔檢測電路就可以將溫敏時(shí)間1&測量出來，而且 該方法及系統(tǒng)不需要額外的高壓無源輔助元件，且檢測系統(tǒng)易于與驅(qū)動單元集成，不影響 IGBT模塊原有的工作狀態(tài)，具有較好的實(shí)時(shí)性和可集成性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0033] 圖1為本發(fā)明在線測試系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖2為結(jié)溫檢測單元的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖3為電壓捕獲模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖4為隔離模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037] 圖5為比較模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038] 圖6為本發(fā)明系統(tǒng)各測試信號的時(shí)序圖；其中，\為IGBT模塊的基極控制信號，、 為電感L上的電流，V。和I。分別為IGBT模塊的電壓和電流。
[0039] 圖7為電壓信號VEe兩次變化的波形示意圖。
[0040] 圖8為不同工作結(jié)溫下電壓信號VEe的波形示意圖。
[0041] 圖9為溫敏時(shí)間td_eE隨IGBT模塊工作結(jié)溫變化的示意圖。
[0042] 圖10為溫敏時(shí)間td_eE隨IGBT模塊電壓電流變化的三維數(shù)據(jù)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0043] 為了更為具體地描述本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明的技術(shù)方案 進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0044] 圖1所示了電感性負(fù)載的IGBT模塊工作結(jié)溫在線測試系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)。測試系 統(tǒng)包括溫控單元、驅(qū)動單元、采樣單元、直流電源V、直流電容組C、負(fù)載電感L、大功率IGBT 模塊、大功率二極管模塊D和結(jié)溫檢測單元，其中：功率二級管模塊D的陰極與直流電容組 C的正極和直流電源V的正極相連接，負(fù)載電感L的一端與大功率IGBT模塊的功率集電極 端相連，另一端與直流電容組C的正極、直流電源V的正極和二級管模塊D的陰極相連接， 大功率IGBT模塊的功率發(fā)射極端與直流電容組C的負(fù)極和直流電源V的負(fù)極相連接，驅(qū)動 單元連接至大功率IGBT模塊的基極端和驅(qū)動發(fā)射極端，結(jié)溫檢測單元連接至大功率IGBT 模塊的功率發(fā)射極端和驅(qū)動發(fā)射極端；為大功率IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極引線的雜散電感， LEe為大功率IGBT模塊功率發(fā)射極與驅(qū)動發(fā)射極之間的雜散電感。
[0045] 溫控單元用于控制IGBT模塊的環(huán)境溫度，溫控單元可以采用溫控加熱板也可以 采用恒溫控制裝置（包括溫度傳感器，加熱板與溫控儀）；采樣單元采用電壓電流傳感器采 集直流母線電壓V d。和IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。。
[0046] 驅(qū)動單元提供大功率IGBT模塊的控制信號時(shí)序如圖6所示；基于上述IGBT模塊 工作結(jié)溫在線測試系統(tǒng)的測試方法步驟如下（以某廠商大功率3300V800A大功率IGBT模 塊為例），由溫控單元設(shè)置IGBT模塊的工作溫度為第一額定溫度，假設(shè)第一額定溫度為25 攝氏度；同時(shí)設(shè)置直流電壓源輸出，給直流電容組充電至第一額定電壓VI。
[0047] (1)在h時(shí)刻，被測大功率IGBT模塊開通，直流電壓源V通過大功率IGBT模塊對 負(fù)載電感L進(jìn)行充電，控制充電時(shí)間，至h時(shí)刻，將流經(jīng)大功率IGBT模塊的電流上升至第一 額定電流L，在h時(shí)刻，大功率IGBT模塊關(guān)斷；在關(guān)斷過程中，驅(qū)動電流的變化雜散電感 上感應(yīng)出電壓V Eel，IGBT模塊功率電流在雜散電感LEe上感應(yīng)出電壓VEe2，因此可以在IGBT 模塊驅(qū)動發(fā)射極和功率發(fā)射極之間的電壓VEe上監(jiān)測到兩次電壓的變化，分別對應(yīng)感應(yīng)電 壓VEel和V Ee2，通過結(jié)溫檢測單元提取出兩次感應(yīng)電壓之間的溫敏時(shí)間td_eE，圖7顯示了大 功率IGBT模塊在關(guān)斷過程中在IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極和功率發(fā)射極之間監(jiān)測的V Ee電壓波 形。
[0048] (2)由溫控單元將大功率IGBT模塊的環(huán)境溫度設(shè)定在第二額定溫度，同時(shí)保持第 一額定電壓和第一額定負(fù)載電流不變，調(diào)節(jié)溫控單元設(shè)置IGBT模塊的環(huán)境溫度，從某一溫 度開始以一定的溫度間隔逐步增長到最高設(shè)置溫度，最高設(shè)置溫度不超過IGBT模塊的允 許的最高工作溫度，重復(fù)至步驟（1)，獲得波形與其余額定溫度的對應(yīng)關(guān)系，圖8顯示了 在251：、501：、751：、1001：和1251：的1681'模塊工作結(jié)溫下，在1681'模塊驅(qū)動發(fā)射極和功 率發(fā)射極之間的電壓波形；圖9顯示了由IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極和功率發(fā)射極之間的電壓 VEe兩次變化提取的溫敏時(shí)間td_eE隨工作結(jié)溫變化的關(guān)系圖。
[0049] (3)改變第一額定電流；保持直流電源V給直流電容組充電的第一額定電壓不變， 設(shè)置控制及驅(qū)動單元改變第一驅(qū)動脈沖的持續(xù)時(shí)間，使測試電流從某一電流值開始以一定 的電流間隔逐步增長到最1?測試電流，最1?測試電流不超過IGBT t旲塊允許的最1?工作電 流，重復(fù)步驟（1)?（2)，獲得不同測試電流下的驅(qū)動發(fā)射極與功率發(fā)射極之間電壓波形VEe 及溫敏時(shí)間td_eE。
[0050] (4)改變第一額定電壓；設(shè)置直流電源V給直流電容組充電的電壓，使電壓從某一 電壓值開始以一定的電壓間隔逐步增長到最高測試電壓，最高測試電壓不超過IGBT模塊 允許的最高工作電壓，重復(fù)以上步驟（1)?（3)，即可獲得全方位不同電壓，不同電流，不同 工作結(jié)溫下的IGBT模塊V Ee波形，以及提取出所述溫敏時(shí)間td_eE。
[0051] (5)通過上述方法即可建立不同電壓，不同電流，不同工作結(jié)溫下的IGBT模塊驅(qū) 動發(fā)射極與功率發(fā)射極之間兩次電壓變化的溫敏時(shí)間t d_eE的參考數(shù)據(jù)庫。在IGBT模塊的 實(shí)際工作中，對大功率IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極E之間電壓V Ee進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測， 通過結(jié)溫檢測單元獲取電壓νΕε中的兩次變化溫敏時(shí)間td_ eE，進(jìn)而根據(jù)實(shí)際運(yùn)行中直流母線 電壓Vdc和IGBT模塊的導(dǎo)通電流Ic以及溫敏時(shí)間t d_eE，通過參考數(shù)據(jù)庫中的信息，利用查 表或函數(shù)模型或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型反推出當(dāng)前的IGBT模塊工作結(jié)溫。圖10顯示了 IGBT模塊 工作結(jié)溫固定的情況下，不同的母線電壓和負(fù)載電流下，IGBT模塊的工作結(jié)溫與td_ eE值的 三維數(shù)據(jù)庫，并將獲得的參考數(shù)據(jù)庫集成于結(jié)溫檢測單元的數(shù)字處理芯片中。
[0052] 如圖2所示，本實(shí)施方式中結(jié)溫檢測單元包括電壓捕獲模塊、隔離模塊、比較模 塊、計(jì)時(shí)測量模塊和結(jié)溫計(jì)算模塊；其中：
[0053] 電壓捕獲模塊根據(jù)IGBT模塊的開關(guān)狀態(tài)驅(qū)動信號，采用可控模擬開關(guān)對IGBT開 關(guān)過程中的IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極E之間電壓V Ee進(jìn)行選取，只獲取關(guān)斷過 程中該部分的電壓信號；如圖3所示，該模塊包括三個(gè)電阻R1?R3、運(yùn)算放大器U1和雙向 模擬開關(guān)Η ;其中：電阻R1的一端接收IGBT模塊基極的開關(guān)控制信號，另一端與電阻R3的 一端和運(yùn)算放大器U1的反相輸入端相連；電阻R2的一端接IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極的電壓， 另一端與運(yùn)算放大器U1的正相輸入端相連；電阻R3的另一端與運(yùn)算放大器U1的輸出端和 雙向模擬開關(guān)Η的控制端相連，雙向模擬開關(guān)Η的輸入端接IGBT模塊功率發(fā)射極的電壓， 雙向模擬開關(guān)Η的輸出端輸出電壓信號V Ee;。
[0054] 隔離模塊采用線性光耦對獲取的驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極E之間電壓VEe進(jìn)行 隔離轉(zhuǎn)換，使得IGBT開關(guān)主功率電路的高壓與結(jié)溫檢測部分的低壓信號進(jìn)行隔離；如圖4 所示，該模塊包括三個(gè)運(yùn)算放大器U2?U4、兩個(gè)型號為HCNR201的線性光耦P1?P2、三個(gè) 電容C1?C3、兩個(gè)二極管D1?D2和五個(gè)電阻R4?R8 ;其中：電阻R4的一端與電阻R5的 一端相連并接收電壓信號VEe，電阻R4的另一端與電容C1的一端、二極管D1的陰極、運(yùn)算 放大器U2的反相輸入端和線性光耦P1的3號引腳相連，運(yùn)算放大器U2的正相輸入端與線 性光耦P1的2號引腳、線性光耦P1的4號引腳、線性光耦P2的1號引腳、線性光耦P2的3 號引腳和運(yùn)算放大器U3的正相輸入端相連并接IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極的電壓，運(yùn)算放大器 U2的輸出端與電容C1的另一端、二極管D1的陽極和電阻R6的一端相連，電阻R6的另一端 與線性光耦P1的1號引腳相連，電阻R5的另一端與電容C2的一端、二極管D2的陽極、運(yùn) 算放大器U3的反相輸入端和線性光耦P2的4號引腳相連，運(yùn)算放大器U3的輸出端與電容 C2的另一端、二極管D2的陰極和電阻R7的一端相連，電阻R7的另一端與線性光耦P2的2 號引腳相連，線性光耦P1的5號引腳與線性光耦P2的6號引腳和運(yùn)算放大器U4的正相輸 入端相連并接地，線性光耦P1的6號引腳與線性光耦P2的5號引腳、電容C3的一端、電阻 R8的一端和運(yùn)算放大器U4的反相輸入端相連，運(yùn)算放大器U4的輸出端與電容C3的另一端 和電阻R8的另一端相連且為隔離模塊的輸出端。
[0055] 比較模塊通過設(shè)置相應(yīng)的閾值電壓，該閾值電壓可以驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極 E之間電壓VEe進(jìn)行比較，產(chǎn)生與驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極E之間電壓VEe變化相對應(yīng)的 兩次脈沖信號，這樣產(chǎn)生的脈沖信號之間的溫敏時(shí)間代表了驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極E 之間電壓VEe的變化反映的我溫敏時(shí)間td_eE ;如圖5所示，該模塊包括兩個(gè)運(yùn)算放大器U5? U6、兩個(gè)比較器B1?B2、七個(gè)電阻R9?R15和與門K ;其中：電阻R9的一端與電阻R10的 一端相連并接收隔離轉(zhuǎn)換后的電壓信號VEe，電阻R9的另一端與電阻R11的一端和運(yùn)算放 大器U5的反相輸入端相連，電阻R10的另一端與電阻R14的一端、運(yùn)算放大器U6的反相輸 入端和運(yùn)算放大器U6的輸出端相連，運(yùn)算放大器U5的正相輸入端和運(yùn)算放大器U6的正相 輸入端均接地，電阻R11的另一端與運(yùn)算放大器U5的輸出端和電阻R12的一端相連，電阻 R12的另一端與比較器B1的反相輸入端相連，比較器B1的正相輸入端與電阻R13的一端相 連，電阻R13的另一端接閾值電壓VT1，電阻R14的另一端與比較器B2的反相輸入端相連， 比較器B2的正相輸入端與電阻R15的一端相連，電阻R15的另一端接閾值電壓VT2,比較 器B1和B2的輸出端分別與與門K的第一輸入端和第二輸入端相連，與門K的輸出端輸出 所述的脈沖信號。
[0056] 計(jì)時(shí)測量模塊用于根據(jù)比較單元產(chǎn)生的脈沖信號，測量脈沖信號之間的時(shí)間間隔 td_eE ;結(jié)溫計(jì)算模塊用于根據(jù)計(jì)時(shí)測量模塊所產(chǎn)生的時(shí)間間隔td_eE以及采樣單元采集得到 的直流母線電壓V d。和IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。，計(jì)算IGBT模塊的工作結(jié)溫；本實(shí)施方式中 這兩個(gè)模塊采用FPGA實(shí)現(xiàn)。
[0057] 電壓捕獲模塊采用雙向模擬開關(guān)⑶4066BCJ，與IGBT模塊的驅(qū)動控制信號，實(shí)現(xiàn) 驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極E之間電壓VEe的選通捕獲，由于IGBT模塊的驅(qū)動信號位于驅(qū) 動單元中，因此結(jié)溫檢測單元可以集成在驅(qū)動單元中?？紤]驅(qū)動發(fā)射極e與功率發(fā)射極Ε 之間電壓VEe變化幅值的正負(fù)極性，隔離模塊使用運(yùn)算放大器U2、U3與D2、D1實(shí)現(xiàn)電壓信號 的正負(fù)極性均可傳遞，同時(shí)使用線性光耦Pl，P2, R6, R7, R8實(shí)現(xiàn)電壓信號的等值傳遞。由 U5和U6組成的反相器和跟隨器將兩次電壓信號均轉(zhuǎn)換為正極性，Bl、VT1和B2、VT2組成 的比較器分別與第一個(gè)電壓變化的幅值與第二次電壓變化的幅值進(jìn)行比較，獲取與電壓變 化相對應(yīng)的脈沖信號，利用該脈沖信號的時(shí)間間隔即可獲取IGBT的工作結(jié)溫。
【權(quán)利要求】
1. 一種IGBT模塊工作結(jié)溫的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括： 主電路單元，與IGBT模塊連接；所述的主電路單元包括直流電壓源V、電容C、電感L和 功率二極管D ;其中，直流電壓源V的正極與電容C的一端、電感L的一端和功率二極管D的 陰極相連，電感L的另一端與功率二極管D的陽極和IGBT模塊的集電極相連，IGBT模塊的 功率發(fā)射極與直流電壓源V的負(fù)極和電容C的另一端相連； 溫控單元，用于調(diào)控IGBT模塊的環(huán)境溫度； 采樣單元，用于在IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間采集電容C兩端 的直流母線電壓Vd。和IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。； 驅(qū)動單元，用于為IGBT模塊的基極提供開關(guān)控制信號，以控制IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切 換至關(guān)斷狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)控IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。； 結(jié)溫檢測單元，用于采集IGBT模塊的功率發(fā)射極與驅(qū)動發(fā)射極兩端的電壓信號VEe，提 取電壓信號在IGBT模塊關(guān)斷過程中兩次電壓變化之間的溫敏時(shí)間td_eE ;所述的結(jié)溫檢 測單元內(nèi)存有各種運(yùn)行工況下關(guān)于直流母線電壓Vdc;、IGBT模塊的導(dǎo)通電流I^IGBT模塊的 工作結(jié)溫Τ」以及溫敏時(shí)間t d_eE的數(shù)據(jù)表格以及函數(shù)模型；進(jìn)而根據(jù)IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài) 切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間的直流母線電壓V d。、IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。以及溫敏時(shí)間 td_eE，通過查表或函數(shù)模型計(jì)算得到IGBT模塊的工作結(jié)溫Τ」。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的結(jié)溫檢測單元包括： 電壓捕獲模塊，用于捕獲在關(guān)斷過程中IGBT模塊的功率發(fā)射極與驅(qū)動發(fā)射極兩端的 電壓信號VEe;; 隔離模塊，用于對電壓信號進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換； 比較模塊，用于使隔離轉(zhuǎn)換后的電壓信號VEe與給定的閾值電壓進(jìn)行比較，生成具有與 電壓信號變化相對應(yīng)的兩次脈沖的脈沖信號； 計(jì)時(shí)測量模塊，用于測量所述的脈沖信號中兩次脈沖之間的溫敏時(shí)間td_eE; 結(jié)溫計(jì)算模塊，其內(nèi)部存有各種運(yùn)行工況下關(guān)于直流母線電壓vd。、IGBT模塊的導(dǎo)通電 流I。、IGBT模塊的工作結(jié)溫Tj以及溫敏時(shí)間td_eE的數(shù)據(jù)表格以及函數(shù)模型，進(jìn)而根據(jù)IGBT 模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間的直流母線電壓Vd。、IGBT模塊的導(dǎo)通電流 I。以及溫敏時(shí)間td_eE，通過查表或函數(shù)模型計(jì)算得到IGBT模塊的工作結(jié)溫Τ』。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的電壓捕獲模塊包括三個(gè) 電阻R1?R3、運(yùn)算放大器U1和雙向模擬開關(guān)Η ;其中：電阻R1的一端接收IGBT模塊基極 的開關(guān)控制信號，另一端與電阻R3的一端和運(yùn)算放大器U1的反相輸入端相連；電阻R2的 一端接IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極的電壓，另一端與運(yùn)算放大器U1的正相輸入端相連；電阻R3 的另一端與運(yùn)算放大器U1的輸出端和雙向模擬開關(guān)Η的控制端相連，雙向模擬開關(guān)Η的輸 入端接IGBT模塊功率發(fā)射極的電壓，雙向模擬開關(guān)Η的輸出端輸出電壓信號V Ee。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的隔離模塊包括三個(gè)運(yùn)算 放大器U2?U4、兩個(gè)型號為HCNR201的線性光耦P1?P2、三個(gè)電容C1?C3、兩個(gè)二極管 D1?D2和五個(gè)電阻R4?R8 ;其中：電阻R4的一端與電阻R5的一端相連并接收電壓信號 VEe，電阻R4的另一端與電容C1的一端、二極管D1的陰極、運(yùn)算放大器U2的反相輸入端和 線性光耦P1的3號引腳相連，運(yùn)算放大器U2的正相輸入端與線性光耦P1的2號引腳、線 性光耦P1的4號引腳、線性光耦P2的1號引腳、線性光耦P2的3號引腳和運(yùn)算放大器U3 的正相輸入端相連并接IGBT模塊驅(qū)動發(fā)射極的電壓，運(yùn)算放大器U2的輸出端與電容Cl的 另一端、二極管D1的陽極和電阻R6的一端相連，電阻R6的另一端與線性光耦P1的1號引 腳相連，電阻R5的另一端與電容C2的一端、二極管D2的陽極、運(yùn)算放大器U3的反相輸入 端和線性光耦P2的4號引腳相連，運(yùn)算放大器U3的輸出端與電容C2的另一端、二極管D2 的陰極和電阻R7的一端相連，電阻R7的另一端與線性光耦P2的2號引腳相連，線性光耦 P1的5號引腳與線性光耦P2的6號引腳和運(yùn)算放大器U4的正相輸入端相連并接地，線性 光奉禹P1的6號引腳與線性光稱P2的5號引腳、電容C3的一端、電阻R8的一端和運(yùn)算放大 器U4的反相輸入端相連，運(yùn)算放大器U4的輸出端與電容C3的另一端和電阻R8的另一端 相連且為隔離模塊的輸出端。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的比較模塊包括兩個(gè)運(yùn)算 放大器U5?U6、兩個(gè)比較器B1?B2、七個(gè)電阻R9?R15和與門K ;其中：電阻R9的一端 與電阻R10的一端相連并接收隔離轉(zhuǎn)換后的電壓信號VEe，電阻R9的另一端與電阻R11的一 端和運(yùn)算放大器U5的反相輸入端相連，電阻R10的另一端與電阻R14的一端、運(yùn)算放大器 U6的反相輸入端和運(yùn)算放大器U6的輸出端相連，運(yùn)算放大器U5的正相輸入端和運(yùn)算放大 器U6的正相輸入端均接地，電阻R11的另一端與運(yùn)算放大器U5的輸出端和電阻R12的一 端相連，電阻R12的另一端與比較器B1的反相輸入端相連，比較器B1的正相輸入端與電阻 R13的一端相連，電阻R13的另一端接閾值電壓VT1，電阻R14的另一端與比較器B2的反相 輸入端相連，比較器B2的正相輸入端與電阻R15的一端相連，電阻R15的另一端接閾值電 壓VT2,比較器B1和B2的輸出端分別與與門K的第一輸入端和第二輸入端相連，與門K的 輸出端輸出所述的脈沖信號。
6. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的計(jì)時(shí)測量模塊和結(jié)溫計(jì) 算模塊通過FPGA實(shí)現(xiàn)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的在線檢測系統(tǒng)，其特征在于：所述的結(jié)溫檢測單元與驅(qū)動單 元集成于一起。
8. -種如權(quán)利要求1?7任一權(quán)利要求所述的在線檢測系統(tǒng)的檢測方法，包括如下步 驟： (1) 建立數(shù)據(jù)模型； 在不超過IGBT模塊最大工作電壓、最大工作電流以及最大工作結(jié)溫的條件下設(shè)定運(yùn) 行工況；對于任一運(yùn)行工況，在IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間，其對 應(yīng)一組關(guān)于直流母線電壓Vd。、IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。和IGBT模塊的工作結(jié)溫Τ」的數(shù)據(jù)， 采集在該運(yùn)行工況下IGBT模塊的功率發(fā)射極與驅(qū)動發(fā)射極兩端的電壓信號V Ee，并提取電 壓信號VEe在IGBT模塊關(guān)斷過程中兩次電壓變化之間的溫敏時(shí)間td_ eE ; 依此遍歷所有運(yùn)行工況，獲得每一運(yùn)行工況對應(yīng)的溫敏時(shí)間td_eE ;進(jìn)而建立各運(yùn)行工 況下關(guān)于直流母線電壓Vd。、IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。、IGBT模塊的工作結(jié)溫Τ」以及溫敏時(shí) 間t d_eE的數(shù)據(jù)表格和函數(shù)模型； (2) 在線檢測； 采集IGBT模塊的功率發(fā)射極與驅(qū)動發(fā)射極兩端的電壓信號VEe，并提取電壓信號VEe在 IGBT模塊關(guān)斷過程中兩次電壓變化之間的溫敏時(shí)間td_eE ;同時(shí)在IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切 換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間采集直流母線電壓Vd。以及IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。； 進(jìn)而根據(jù)IGBT模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過程間的直流母線電壓Vd。、 IGBT模塊的導(dǎo)通電流I。以及溫敏時(shí)間td_eE，通過查表或函數(shù)模型計(jì)算得到IGBT模塊的工 作結(jié)溫Τ』。
【文檔編號】G01R31/26GK104155587SQ201410345265
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年7月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月18日
【發(fā)明者】李武華, 孫鵬飛, 羅皓澤, 何湘寧 申請人:浙江大學(xué)