本發(fā)明涉及igbt模塊的可靠性監(jiān)測，具體涉及一種基于門極電壓微分的多芯片igbt模塊支路缺陷的監(jiān)測電路及方法。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著新能源發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、電動汽車等新興產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展，igbt等功率器件也得到了前所未有的廣泛應(yīng)用。據(jù)工業(yè)界調(diào)查報告顯示，功率器件是電力電子系統(tǒng)中最不可靠的部分之一，占變流系統(tǒng)失效的34％。電力電子系統(tǒng)工況復(fù)雜，循環(huán)功率波動，如風(fēng)電變流器通常工作在復(fù)雜嚴(yán)峻的環(huán)境下，其機側(cè)變流器的電流、電壓、頻率隨著風(fēng)速的變化而變化，igbt模塊承受著大量功率循環(huán)和熱循環(huán)載荷，這種惡劣的工作環(huán)境對igbt模塊的可靠性影響很大。同樣，工作于軌道牽引和新能源電動汽車驅(qū)動領(lǐng)域的功率變流裝置中的igbt器件長期承受較大的結(jié)溫波動以及周期變化的熱應(yīng)力沖擊，長期的結(jié)溫波動和熱應(yīng)力沖擊最終導(dǎo)致igbt失效老化。igbt模塊逐漸向大功率和特殊重要領(lǐng)域發(fā)展，這對igbt模塊的可靠性有了更高的要求。作為電力電子裝置中的關(guān)鍵核心器件，igbt模塊的可靠性是實現(xiàn)更高功率密度和更高集成度主要考慮因素，也是電力電子應(yīng)用中非常重要的問題。igbt器件封裝老化監(jiān)測技術(shù)通過監(jiān)測封裝老化過程中特征參量變化以評估封裝老化程度，是實現(xiàn)器件狀態(tài)評估、故障預(yù)測及智能運維的關(guān)鍵。

2、目前，將igbt功率模塊的失效主要分為兩大類：一類是芯片級失效，另一類是封裝級失效。研究表明，鍵合線與焊料層作為igbt模塊中最為脆弱的部分，對模塊的可靠性起到了最直接的影響。在引起半導(dǎo)體器件失效的原因中，鍵合線失效占到49％。因此，掌握鍵合線的可靠性對于了解整個模塊的可靠性來說是至關(guān)重要的。造成鍵合線故障的主要原因是鍵合線與芯片材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，當(dāng)芯片一直處于開關(guān)狀態(tài)時，因為集膚效應(yīng)的原因，鍵合線間電流的分布極不均勻，igbt模塊承受著高、低溫不斷交互的熱應(yīng)力作用，當(dāng)熱應(yīng)力對鍵合線造成的彈性應(yīng)變不斷累積到一定程度后，便會造成鍵合線的塑性應(yīng)變，最終導(dǎo)致鍵合線脫落、斷裂等故障。與模塊在經(jīng)受瞬間的過應(yīng)力沖擊后引起的瞬態(tài)失效不同，鍵合線的疲勞老化失效是一個漸變的過程，這也為功率器件的狀態(tài)評估提供了可能。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供一種基于門極電壓微分的多芯片igbt模塊支路缺陷的監(jiān)測電路及方法，使得在不影響其正常工作的情況下，對多芯片igbt模塊支路缺陷進(jìn)行監(jiān)測，能夠準(zhǔn)確的評估多芯片igbt模塊老化狀態(tài)。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：

3、基于門極電壓微分的多芯片igbt模塊支路缺陷的監(jiān)測電路，包括：

4、隔離電源模塊、信號比較模塊、信號運算模塊、常規(guī)驅(qū)動模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊；

5、隔離電源模塊分別連接信號比較模塊、信號運算模塊、常規(guī)驅(qū)動模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊，用于給這些模塊供電；

6、信號比較模塊分別連接多芯片igbt模塊、信號運算模塊，信號比較模塊用于將多芯片igbt模塊的門極電壓vge與基準(zhǔn)預(yù)設(shè)值vsth進(jìn)行比較，并將比較的結(jié)果輸出給信號運算模塊；

7、信號運算模塊分別連接常規(guī)驅(qū)動模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊，信號運算模塊根據(jù)接收到的信號比較模塊比較的結(jié)果，向常規(guī)驅(qū)動模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊輸出不同的控制信號；

8、常規(guī)驅(qū)動模塊連接多芯片igbt模塊，常規(guī)驅(qū)動模塊根據(jù)接收到的信號運算模塊的控制信號來控制多芯片igbt模塊的開通和關(guān)斷；

9、狀態(tài)監(jiān)測模塊連接多芯片igbt模塊，狀態(tài)監(jiān)測模塊根據(jù)接收到的信號運算模塊的控制信號，來控制是否向多芯片igbt模塊內(nèi)注入恒定的門極電流、是否開啟微分運算。

10、該監(jiān)測電路還包括微處理器，微處理器發(fā)出常規(guī)驅(qū)動模塊的控制信號svi和狀態(tài)監(jiān)測模塊的控制信號sci給信號運算模塊，信號運算模塊將接收到的輸入控制信號svi和sci與信號比較模塊輸出的結(jié)果進(jìn)行運算處理后得到輸出信號sv和sc，并將輸出信號sv輸出給常規(guī)驅(qū)動模塊，信號運算模塊將輸出信號sc輸出給狀態(tài)監(jiān)測模塊和微處理器，當(dāng)狀態(tài)監(jiān)測過程結(jié)束時，輸出信號sc通知微處理器狀態(tài)監(jiān)測過程結(jié)束，微處理器將輸入控制信號sci跳變?yōu)榈碗娖健Ｎ⑻幚砥鹘邮諣顟B(tài)監(jiān)測模塊中微分運算模塊的結(jié)果，并結(jié)合恒流源的電流數(shù)值計算igbt的門極輸入電容的大小。

11、所述隔離電源模塊，其輸入接口連接外部電源，輸出接口為多個接口，輸出接口分別連接信號比較模塊、信號運算模塊、常規(guī)驅(qū)動模塊和狀態(tài)監(jiān)測模塊，隔離電源模塊向常規(guī)驅(qū)動模塊輸出的電壓為-vm和+vs，向狀態(tài)監(jiān)測模塊輸出電壓為-vm和+vc。

12、所述常規(guī)驅(qū)動模塊包括igbt門極驅(qū)動器opt1、電阻r1、r10、雙向穩(wěn)壓管tvs和具有并聯(lián)體二極管的n溝道增強型mosfet1；

13、igbt門極驅(qū)動器opt1的輸入端連接信號運算模塊的輸出信號sv，igbt門極驅(qū)動器opt1兩個電源端分別連接隔離電源模塊的-vm電壓值輸出接口和+vs電壓值輸出接口，igbt門極驅(qū)動器opt1的輸出端連接n溝道增強型mosfet1的漏極，n溝道增強型mosfet1的柵極連接反向器，反向器連接輸入信號sc；n溝道增強型mosfet1的源極連接電阻r1的一端，電阻r1的另一端分別連接電阻r10的一端、雙向穩(wěn)壓管tvs的一端、狀態(tài)監(jiān)測模塊中恒流驅(qū)動單元的輸出端、狀態(tài)監(jiān)測模塊中狀態(tài)監(jiān)測單元的輸入端、信號比較模塊的輸入端、多芯片igbt模塊的門極，雙向穩(wěn)壓管tvs的一端連接igbt的門極，雙向穩(wěn)壓管tvs的另一端分別連接igbt的發(fā)射極、接地端，電阻r10與雙向穩(wěn)壓管tvs并聯(lián)連接。

14、所述狀態(tài)監(jiān)測模塊包括恒流驅(qū)動單元、微分運算單元；

15、恒流驅(qū)動單元包括：igbt門極驅(qū)動器opt2、電阻r2、r3、r4，二極管d1、d2、單向穩(wěn)壓管zd、npn型晶體管q1、pnp型晶體管q2；

16、igbt門極驅(qū)動器opt2的輸入端連接輸出控制信號sc，igbt門極驅(qū)動器opt2的兩個電源端分別連接隔離電源模塊的+vc電壓值輸出接口和-vm電壓值輸出接口，igbt門極驅(qū)動器opt2的輸出端連接電阻r2一端，電阻r2的另一端連接npn型晶體管q1的基極，npn型晶體管q1的集電極連接igbt門極驅(qū)動器opt2用于連接+vc電壓值的電源端，npn型晶體管q1的發(fā)射極分別連接電阻r3的一端、單向穩(wěn)壓管zd的陰極，電阻r3的另一端連接pnp型晶體管q2的發(fā)射極，單向穩(wěn)壓管zd的陽極分別連接pnp型晶體管q2的基極、電阻r4的一端，電阻r4的另一端連接二極管d1的陽極，二極管d1的陰極連接igbt門極驅(qū)動器opt2用于連接-vm電壓值的電源端，pnp型晶體管q2的集電極連接二極管d2的陽極，二極管d2的陰極同時分別連接多芯片igbt模塊的門極、信號比較模塊的輸入端和狀態(tài)監(jiān)測模塊中微分運算單元的輸入端；

17、微分運算單元包括運算放大器amp2、amp3、amp4、電容c2、二極管d3、n溝道增強型mosfet2、電阻r7、r8、r9、r10、r11；

18、運算放大器amp2的同相輸入端連接多芯片igbt模塊的門極，運算放大器amp2的輸出端分別連接運算放大器amp2的反相輸入端、電容c2的一端，電容c2的另一端分別連接二極管d3的陰極、n溝道增強型mosfet2的漏極，n溝道增強型mosfet2的門極連接輸入信號sc，n溝道增強型mosfet2的源極分別連接電阻r8的一端、運算放大器amp3的反相輸入端，運算放大器amp3的同相輸入端連接電阻r7的一端，電阻r7的另一端接地，電阻r8的另一端分別連接運算放大器amp3的輸出端、電阻r9的一端，電阻r9的另一端分別連接電阻r11的一端、運算放大器amp4的反相輸入端，運算放大器amp4的同相輸入端連接電阻r10的一端，電阻r10的另一端接地，電阻r11連接運算放大器amp4的輸出端。

19、所述信號比較模塊包括電阻r5、r6、比較器comp、數(shù)字隔離器diso、運算放大器amp1；

20、運算放大器amp1的同相輸入端連接多芯片igbt模塊的門極，運算放大器amp1的反相輸入端分別連接運算放大器amp1的輸出端、比較器comp的反相輸入端，電阻r5的一端連接電源隔離模塊中能夠輸出+vcc電壓值的輸出接口，電阻r5的另一端分別連接電阻r6的一端、比較器comp的同相輸入端，電阻r6的另一端接地，比較器comp的輸出端連接數(shù)字隔離器diso的輸入端。

21、所述信號運算模塊包括與非門nas、與非門nar、與門and1、與門and2、電阻r9；

22、與非門nas和與非門nar構(gòu)成sr鎖存器，與非門nas的一個輸入端連接輸入信號sci，與非門nas的另一個輸入端分別連接與非門nar的輸出端、與門的一個輸入端，與非門nar的一個輸入端與數(shù)字隔離器diso的輸出端cp連接，與非門nar的另一個輸入端分別與與非門nas的輸出端、與門and1的一個輸入端連接，與門and1的另一個輸入端連接輸入信號sci，與門and1的輸出端連接與門and2的一個輸入端，與門and2的另一個輸入端連接反向器，反向器連接輸入信號svi，與門and2的輸出端產(chǎn)生輸出控制信號sc，并通過下拉電阻r9接地。

23、本發(fā)明一種基于門極電壓微分的多芯片igbt模塊支路缺陷的監(jiān)測電路及方法，技術(shù)效果如下：

24、1)該方法在開關(guān)周期中多芯片igbt模塊處在關(guān)斷狀態(tài)下向柵極注入恒定電流，不影響多芯片igbt的正常工作，可實現(xiàn)在線監(jiān)測；

25、2)該方法在支路狀態(tài)監(jiān)測中可不考慮溫度的影響，給監(jiān)測帶來了極大的方便；

26、3)該監(jiān)測電路集成度高，監(jiān)測方法易于實施，評估準(zhǔn)確，有很高的實際應(yīng)用價值。