本發(fā)明涉及基于飽和壓降測量igbt功率模塊結(jié)溫的在線檢測裝置，屬于溫度檢測裝置領(lǐng)域，特別涉及一種igbt模塊結(jié)溫在線檢測裝置。

背景技術(shù)：

絕緣柵雙極型晶體管(igbt)是一種復(fù)合全控型電壓驅(qū)動式功率半導(dǎo)體器件，它綜合了金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(mosfet)和巨型晶體管(gtr)的優(yōu)點(diǎn)，具有高輸入阻抗、易驅(qū)動、開關(guān)速度快、低導(dǎo)通壓降及耐高壓與大電流等特性，使其成為大功率電力電子裝置的理想功率元件，在軌道交通、航空航天、新能源汽車、風(fēng)力發(fā)電等反復(fù)加速減速、起動/停止的電能變換場合得到廣泛應(yīng)用。

在這些大功率電力電子裝置的應(yīng)用中，一方面igbt模塊的工作電壓、電流很大，其功耗和芯片工作結(jié)溫都很高；另一方面由于反復(fù)加熱、冷卻，igbt模塊的結(jié)溫波動也很顯著。隨著功率的提升，igbt模塊過熱的問題越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致其服役壽命降低。為確保igbt模塊能夠長期安全可靠地運(yùn)行，需要對igbt的結(jié)溫進(jìn)行在線監(jiān)測。

igbt模塊本身具有一個最高工作結(jié)溫限制，這可從數(shù)據(jù)手冊中獲知，如果模塊的工作結(jié)溫超過此限定值，則模塊的安全會受到嚴(yán)重威脅，如果能在線測量出模塊的結(jié)溫，就能及時知道模塊目前的結(jié)溫波動狀況，便于采取相應(yīng)的控制措施來減小結(jié)溫，增加模塊的使用壽命。

目前，igbt結(jié)溫測量方法主要分為以下四種：物理接觸法、光學(xué)法、熱網(wǎng)絡(luò)法和溫敏參數(shù)法。物理接觸法需要接觸測量，易受封裝材料(如硅膠)干擾；光學(xué)法：不適合全封裝模塊，只適合在實(shí)驗(yàn)室研究開封模塊，而且整套設(shè)備價格昂貴。熱網(wǎng)絡(luò)法:igbt模塊焊料層老化后，熱網(wǎng)絡(luò)參數(shù)會發(fā)生變化，再用原來的熱參數(shù)進(jìn)行結(jié)溫計(jì)算將產(chǎn)生較大誤差。

溫敏參數(shù)法：只需測量igbt模塊外部電參量，不需要改變模塊封裝結(jié)構(gòu)，測量相對簡單，且精度非常高。

本發(fā)明利用電氣參數(shù)飽和壓降vce的溫度敏感性來在線檢測結(jié)溫tj。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供一種基于飽和壓降測量的igbt功率模塊結(jié)溫在線檢測方法，能夠及時準(zhǔn)確的在線檢測igbt的結(jié)溫。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案為基于飽和壓降測量的igbt功率模塊結(jié)溫的在線檢測裝置，該裝置包括溫箱實(shí)驗(yàn)單元101、功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)單元106、驅(qū)動單元102、保護(hù)單元103、待測igbt模塊單元105、小電流測試單元104、數(shù)據(jù)采集單元107。溫箱實(shí)驗(yàn)單元101、驅(qū)動單元102均與待測igbt模塊單元105連接，驅(qū)動單元102、保護(hù)單元103與功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)單元106連接，小電流測試單元104、功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)單元106和待測igbt模塊單元105連接，待測igbt模塊單元105與數(shù)據(jù)采集單元107連接。

所述的溫箱實(shí)驗(yàn)單元101，溫箱實(shí)驗(yàn)單元101中igbt模塊的柵極vge常開，持續(xù)通入小電流，用于確定在小電流下不同結(jié)溫tj對應(yīng)的飽和壓降vce，對所得數(shù)據(jù)采用線性擬合和最小二乘法方法，得到出飽和壓降vce與結(jié)溫tj的函數(shù)關(guān)系(如圖3所示)，以此函數(shù)關(guān)系為依據(jù)，計(jì)算功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)條件下igbt的結(jié)溫。

所述的功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)單元106，采用與待測igbt模塊相同型號的igbt模塊作為開關(guān)，控制大電流的開通和關(guān)斷。該單元由被測igbt2、控制開關(guān)igbt1和負(fù)載電阻ra組成，如圖2所示。其中，lm317小電流恒流源電路中串聯(lián)二極管in5819使得該部分電路在加熱過程中不導(dǎo)通在加熱結(jié)束后導(dǎo)通。被測igbt模塊柵極控制信號一直連接15v使得被測模塊在加熱過程中一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。采用脈沖信號控制開關(guān)igbt的驅(qū)動電路的開通和關(guān)斷，當(dāng)脈沖信號處于高電平時大電流的導(dǎo)通，被測igbt模塊加熱直至最大結(jié)點(diǎn)溫度，脈沖信號處于低電平，此時立即測量在該溫度下待測igbt模塊的vce值。

所述的驅(qū)動單元如圖4所示，所述光耦隔離芯片hcpl2601包括電源腳vcc、第一輸入腳a第二輸入腳c、常閉腳nc、第一輸出腳vo、使能端ve,及接地腳gnd；所述的igbt驅(qū)動芯片mic4451bn包括第一電源腳vs1、第二電源腳vs2、輸入腳in、常閉腳nc、第一輸出腳out、第二輸出腳out、及兩個接地腳gnd；所述的信號輸入端j1,連接電阻r9和r10給光耦u2的輸入端a和c,一個電流信號，當(dāng)使能端工作時，光耦u2的輸出端v0,輸出穩(wěn)壓二極管zd1所設(shè)定的電壓值，給驅(qū)動芯片u1的輸入端in一個電壓信號，驅(qū)動芯片u1的輸出端out，經(jīng)過肖特基二極管d1和d2及穩(wěn)壓二極管d3，給igbt的柵極一個15v電壓。

所述的保護(hù)單元103分為過溫保護(hù)單元和過流保護(hù)單元。

所述的過溫保護(hù)單元，j2端采集溫敏電阻的阻值，經(jīng)過電感l(wèi)1、l2和電容c9、c10組成的濾波電路，接入lm2903比較器的2腳與lm2903比較器的3腳的電壓信號進(jìn)行比較，當(dāng)2腳的電壓低于3腳的電壓時，比較器工作輸出一個電壓信號，使三極管q3的基極2導(dǎo)通，q3的集電極3接入igbt驅(qū)動信號的in端，將其電平拉低到0.7v，驅(qū)動電路就立即停止工作。

所述的過流保護(hù)單元，j3端接入電流互感器的輸出端，經(jīng)過二極管d6,電阻r25和電容c12組成的濾波電路，接入lm2903比較器的3腳與lm2903比較器的2腳的電壓信號進(jìn)行比較，當(dāng)2腳的電壓低于3腳的電壓時，比較器工作輸出一個電壓信號，使三極管q4的基極2導(dǎo)通，q3的集電極3接入igbt驅(qū)動信號的in端，將其電平拉低到0.7v，驅(qū)動電路就立即停止工作。

所述待測igbt模塊單元105的驅(qū)動端常開，不需施加保護(hù)單元，就能使大電流安全的交替施加于待測igbt模塊。

所述小電流測試單元104，采用lm317芯片制作簡易穩(wěn)定的恒流源，用于在待測igbt大電流關(guān)斷時給待測igbt模塊施加與溫箱實(shí)驗(yàn)單元相同大小的小電流，測量此小電流下的飽和壓降vce，即得到此時的tj。

所述數(shù)據(jù)采集單元107，用于實(shí)時獲取壓降的變化，此單元的采集速率足夠快，能準(zhǔn)確反映此時刻的結(jié)溫值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的igbt結(jié)溫檢測裝置實(shí)施結(jié)構(gòu)圖；

圖2是本發(fā)明提供的igbt結(jié)溫檢測裝置整體實(shí)施電路圖；

圖3本發(fā)明提供的小電流下壓降與結(jié)溫的關(guān)系圖；

圖4是本發(fā)明提供的驅(qū)動單元對應(yīng)的電路圖；

圖5是本發(fā)明提供的過溫檢測單元對應(yīng)的電路圖；

圖6是本發(fā)明提供的過流檢測單元對應(yīng)的電路圖；

圖7是本發(fā)明提供的igbt結(jié)溫檢測方法實(shí)施流程圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合下述實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施步驟做詳細(xì)的說明。

如圖7所示，為本發(fā)明提供的igbt結(jié)溫檢測裝置實(shí)施流程圖，具體實(shí)施步驟分為：確定小電流下vce與tj的函數(shù)關(guān)系曲線701；對待測igbt模塊施加特定開關(guān)時間的功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)702；對待測igbt模塊施加恒定的小電流703；在功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)關(guān)斷瞬間測vce704；在功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)關(guān)斷瞬間測vce705。

確定小電流下vce與tj的函數(shù)關(guān)系曲線時，采用101所述的溫箱實(shí)驗(yàn)單元，將igbt模塊放入溫箱中，分別設(shè)定溫箱的溫度為20℃-150℃，持續(xù)20分鐘，直至其穩(wěn)定。此單元中igbt模塊的柵極vge常開，持續(xù)通入小電流，用于確定在小電流下不同結(jié)溫tj對應(yīng)的飽和壓降vce，對所得數(shù)據(jù)采用線性擬合和最小二乘法方法，得到出飽和壓降vce與結(jié)溫tj的函數(shù)關(guān)系(如圖3所示)，以此函數(shù)關(guān)系為依據(jù)，計(jì)算功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)條件下igbt的結(jié)溫。

對待測igbt模塊施加特定開關(guān)時間的功率循環(huán)實(shí)驗(yàn)，采用與待測igbt模塊相同型號的igbt模塊作為開關(guān)，控制大電流的開通和關(guān)斷。該單元由電源v1、控制開關(guān)igbt1、被測igbt2和負(fù)載電阻ra組成串聯(lián)回路。其中，lm317為恒流源為電路中提供小電流，二極管in5819使得該部分電路在加熱過程中不導(dǎo)通在加熱結(jié)束后導(dǎo)通。被測igbt2柵極控制信號一直施加15v，使得被測模塊一直處于導(dǎo)通狀態(tài)。采用脈沖信號控制開關(guān)igbt2驅(qū)動電路的開通和關(guān)斷，當(dāng)脈沖信號處于高電平時大電流的導(dǎo)通，被測igbt模塊加熱直至最大結(jié)點(diǎn)溫度，當(dāng)脈沖信號處于低電平，立即測量在該溫度下待測igbt模塊的vce值。