跨半導(dǎo)體開關(guān)元件的電壓降的精確測(cè)量的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及跨半導(dǎo)體開關(guān)元件的電壓降的測(cè)量的領(lǐng)域，特別地涉及用于精確測(cè)量這樣的電壓降的裝置。本發(fā)明還涉及包括前述裝置的海底設(shè)備、用于監(jiān)控海底設(shè)備的系統(tǒng)和精確測(cè)量跨半導(dǎo)體開關(guān)元件的電壓降的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]諸如用于與例如石油和天然氣生產(chǎn)結(jié)合的海底應(yīng)用的可調(diào)速驅(qū)動(dòng)裝置(ASD)之類的許多電動(dòng)系統(tǒng)利用半導(dǎo)體開關(guān)元件，諸如絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)。例如，IGBT可以使用在DC-AC轉(zhuǎn)換器中。在其中一旦已經(jīng)將設(shè)備布置在海床處則IGBT和其它組件就不易接近的海底應(yīng)用中，合期望的是可以獲得關(guān)于IGBT狀態(tài)中的改變(例如，由于老化效應(yīng))的信息，使得可以對(duì)預(yù)期壽命進(jìn)行預(yù)測(cè)并且可以采取適當(dāng)措施。
[0003]IGBT的開啟狀態(tài)電壓是當(dāng)其傳導(dǎo)電流時(shí)從集電極到發(fā)射極的跨IGBT的電壓(Vce)，并且IGBT處于所謂的飽和模式，意味著其作為開關(guān)而操作。這是對(duì)于IGBT的正常操作。該電壓取決于若干因素。動(dòng)態(tài)(不由器件的物理構(gòu)造決定)的主要因素是流過IGBT的電流。增加電流意味著增加電壓。針對(duì)飽和的IGBT的典型值可以是從0.5V到2.5V。確定電壓的另一因素是IGBT的老化。隨著IGBT老化，開啟狀態(tài)電壓Vce增加。由于老化所致的電壓中的差異典型地為貫穿壽命的幾百毫伏。
[0004]提供某種電壓測(cè)量/估計(jì)電路以便能夠確定IGBT是否在飽和之外是慣例。在IGBT的關(guān)斷狀態(tài)(IGBT不傳導(dǎo)任何電流)中的Vce可以非常高，并且測(cè)量電路需要被保護(hù)以免受該電壓。這通常通過插入保護(hù)測(cè)量電路的二極管來完成。然后通過二極管和IGBT發(fā)送電流，開啟狀態(tài)中在集電極與發(fā)射極之間的電壓(Vce)可以通過測(cè)量二極管和Vce之上的總電壓降來估計(jì)。二極管的電壓可以被估計(jì)，并且然后被取出，并且Vce留下。
[0005]在圖1中示出用于該目的的實(shí)際電路100。如所示，電流源與電壓源Vs和串聯(lián)電阻器Rl交換。這具有兩個(gè)原因，第一是當(dāng)IGBT關(guān)斷時(shí)，來自電流源的電流除了進(jìn)入測(cè)量電路之外將會(huì)無(wú)處可去。測(cè)量電路本質(zhì)上是高阻抗電路，并且因此電流源將設(shè)立高電壓，這可能損壞測(cè)量電路。另一原因在于電壓源更加可得到。當(dāng)使用電壓源Vs時(shí)，電壓Vm的測(cè)量于是將替代地在電阻器Rl之上，因此電壓Vce可以通過公式Vs — Vm — V(Dl) 一 Vce = O來計(jì)算。
[0006]通過使用這樣的電路100，二極管Dl之上的電壓降未被測(cè)量，并且因此是不確定的。二極管Dl之上的電壓降關(guān)于流過二極管Dl的電流和環(huán)境溫度二者都是非線性的。因此，基于電路100的Vce測(cè)量可能不提供用于確定IGBT的老化的足夠精度。
[0007]因此可能存在對(duì)于測(cè)量跨半導(dǎo)體開關(guān)元件的電壓降的經(jīng)改進(jìn)的方式的需要，其提供足夠精度以確定半導(dǎo)體開關(guān)元件的老化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]該需要可以通過根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的主題來滿足。通過從屬權(quán)利要求描述本發(fā)明的有利實(shí)施例。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于精確測(cè)量半導(dǎo)體開關(guān)元件的第一端子與第二端子之間的電壓降的裝置。裝置包括(a)包括第一保護(hù)元件、第一阻抗元件和電壓源的第一電路路徑，其中第一電路路徑被適配成連接在半導(dǎo)體開關(guān)元件的第一端子與第二端子之間；(b)形成在第一輸出端子與第二輸出端子之間的第二電路路徑，第二電路路徑包括第二保護(hù)元件和第二阻抗元件，其中第二保護(hù)元件等同于第一保護(hù)元件，并且其中第二阻抗元件等同于第一阻抗元件，以及(C)用于調(diào)節(jié)第二電路路徑中的電流使得第二電路路徑中的所述電流等于第一電路路徑中的電流的調(diào)節(jié)電路，其中半導(dǎo)體開關(guān)元件的第一端子與第二端子之間的電壓降等于由電壓源提供的電壓與第一輸出端子和第二輸出端子之間的電壓降之間的差。
[0010]本發(fā)明的該方面基于以下想法:第一電路路徑被提供在半導(dǎo)體開關(guān)元件的第一與第二端子之間，而具有等同于第一電路路徑中的對(duì)應(yīng)第一元件的第二保護(hù)元件和第二阻抗元件的第二電路路徑被提供在第一與第二輸出端子之間。提供調(diào)節(jié)電路，其調(diào)節(jié)第二電路路徑中的電流使得其等于第一電路路徑中的電流。由此，第一與第二輸出端子之間的電壓等于跨第一電路路徑中的第一保護(hù)元件和第一阻抗元件的電壓降的總和。換言之，跨第一保護(hù)元件的電壓被包括在測(cè)量中并且因此不必被估計(jì)。
[0011]第一保護(hù)元件、第一阻抗元件和電壓源可以串聯(lián)連接。特別地，第一保護(hù)元件的一個(gè)端子可以可連接至半導(dǎo)體開關(guān)元件的第一端子，而保護(hù)元件的另一端子可以連接至第一阻抗元件的一個(gè)端子。第一阻抗元件的另一端子可以連接至電壓源的一個(gè)端子，并且電壓源的另一端子可以可連接至半導(dǎo)體開關(guān)元件的第二端子。
[0012]第一保護(hù)元件被布置成當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)元件正導(dǎo)通時(shí)允許電流在第一電路路徑中流動(dòng)并且當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)元件不在導(dǎo)通時(shí)防止電流在第一電路路徑中流動(dòng)。
[0013]第二保護(hù)元件和第二阻抗元件可以在第一與第二輸出端子之間串聯(lián)連接。
[0014]第一阻抗元件和第二阻抗元件在以下意義上是等同的:它們是具有基本上等同的物理屬性、特別是電學(xué)屬性的兩個(gè)分離的物理元件。類似地，第一保護(hù)元件和第二保護(hù)元件在以下意義上是等同的:它們是具有基本上等同的物理屬性、特別是電學(xué)屬性的兩個(gè)分離的物理元件。
[0015]因此，由于在第二電路路徑中流動(dòng)的電流被調(diào)節(jié)成基本上等于在第一電路路徑中流動(dòng)的電流，因此應(yīng)當(dāng)預(yù)期到第一與第二輸出端子之間的電壓基本上等同于跨第一保護(hù)元件和第一阻抗元件的電壓降的總和。
[0016]作為結(jié)果，半導(dǎo)體開關(guān)元件的第一端子與第二端子之間的電壓降基本上等于由電壓源提供的電壓與第一輸出端子和第二輸出端子之間的電壓降之間的差。
[0017]由此，根據(jù)第一方面的裝置提供了一種獲得半導(dǎo)體開關(guān)元件的第一與第二端子之間的電壓的精確測(cè)量的簡(jiǎn)單方式。
[0018]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，調(diào)節(jié)電路包括(a)用于測(cè)量第一電路路徑中的電流的第一測(cè)量單元，(b)用于測(cè)量第二電路路徑中的電流的第二測(cè)量單元，以及(C)用于響應(yīng)于由第一和第二測(cè)量單元所測(cè)量的電流之間的差而調(diào)節(jié)第二電路路徑中的電流的調(diào)節(jié)器。
[0019]換言之，調(diào)節(jié)電路構(gòu)成閉環(huán)調(diào)節(jié)器，其中第二電路路徑中的電流基于相對(duì)于第一電路路徑中的電流的所測(cè)量的差而被調(diào)節(jié)。
[0020]根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施例，調(diào)節(jié)電路還包括用于計(jì)算由第一和第二測(cè)量單元所測(cè)量的電流之間的差的減法單元。
[0021]減法單元可以是能夠數(shù)字地減去所表示的測(cè)量值的數(shù)字減法單元，或者減法單元可以是被設(shè)計(jì)成從第一電路路徑中的電流減去第二電路路徑中的電流以便生成用于調(diào)節(jié)電路的誤差信號(hào)的模擬電路。
[0022]根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施例，第一測(cè)量單元被適配成基于跨第一阻抗元件的電壓而測(cè)量第一電路路徑中的電流，并且第二測(cè)量單元被適配成基于跨第二阻抗元件的電壓而測(cè)量第二電路路徑中的電流。
[0023]換言之，第一和第二電路路徑中的相應(yīng)電流借助于被連接以測(cè)量跨相應(yīng)阻抗元件的電壓的簡(jiǎn)單但精確的電壓測(cè)量單元來測(cè)量。
[0024]根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施例，第一保護(hù)元件和第二保護(hù)元件是等同的二極管。
[0025]二極管在以下意義上是等同的:它們首先是相同類型的二極管，優(yōu)選地來自相同的生產(chǎn)批次。另外，保證二極管的諸如電流-電壓特性和溫度相關(guān)性之類的電學(xué)屬性在預(yù)定容差內(nèi)是等同的。
[0026]根據(jù)本發(fā)明另外的實(shí)施例，第一阻抗元件和第二阻抗元件是等同的電阻器。
[0027]電阻器在以下意義