基于饱和压降测量IGBT功率模块结温的在线检测装置的制作方法

本发明涉及基于饱和压降测量igbt功率模块结温的在线检测装置，属于温度检测装置领域，特别涉及一种igbt模块结温在线检测装置。

背景技术：

绝缘栅双极型晶体管(igbt)是一种复合全控型电压驱动式功率半导体器件，它综合了金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)和巨型晶体管(gtr)的优点，具有高输入阻抗、易驱动、开关速度快、低导通压降及耐高压与大电流等特性，使其成为大功率电力电子装置的理想功率元件，在轨道交通、航空航天、新能源汽车、风力发电等反复加速减速、起动/停止的电能变换场合得到广泛应用。

在这些大功率电力电子装置的应用中，一方面igbt模块的工作电压、电流很大，其功耗和芯片工作结温都很高；另一方面由于反复加热、冷却，igbt模块的结温波动也很显著。随着功率的提升，igbt模块过热的问题越来越严重，导致其服役寿命降低。为确保igbt模块能够长期安全可靠地运行，需要对igbt的结温进行在线监测。

igbt模块本身具有一个最高工作结温限制，这可从数据手册中获知，如果模块的工作结温超过此限定值，则模块的安全会受到严重威胁，如果能在线测量出模块的结温，就能及时知道模块目前的结温波动状况，便于采取相应的控制措施来减小结温，增加模块的使用寿命。

目前，igbt结温测量方法主要分为以下四种：物理接触法、光学法、热网络法和温敏参数法。物理接触法需要接触测量，易受封装材料(如硅胶)干扰；光学法：不适合全封装模块，只适合在实验室研究开封模块，而且整套设备价格昂贵。热网络法:igbt模块焊料层老化后，热网络参数会发生变化，再用原来的热参数进行结温计算将产生较大误差。

温敏参数法：只需测量igbt模块外部电参量，不需要改变模块封装结构，测量相对简单，且精度非常高。

本发明利用电气参数饱和压降vce的温度敏感性来在线检测结温tj。

技术实现要素：

本发明提供一种基于饱和压降测量的igbt功率模块结温在线检测方法，能够及时准确的在线检测igbt的结温。

本发明采用的技术方案为基于饱和压降测量的igbt功率模块结温的在线检测装置，该装置包括温箱实验单元101、功率循环实验单元106、驱动单元102、保护单元103、待测igbt模块单元105、小电流测试单元104、数据采集单元107。温箱实验单元101、驱动单元102均与待测igbt模块单元105连接，驱动单元102、保护单元103与功率循环实验单元106连接，小电流测试单元104、功率循环实验单元106和待测igbt模块单元105连接，待测igbt模块单元105与数据采集单元107连接。

所述的温箱实验单元101，温箱实验单元101中igbt模块的栅极vge常开，持续通入小电流，用于确定在小电流下不同结温tj对应的饱和压降vce，对所得数据采用线性拟合和最小二乘法方法，得到出饱和压降vce与结温tj的函数关系(如图3所示)，以此函数关系为依据，计算功率循环实验条件下igbt的结温。

所述的功率循环实验单元106，采用与待测igbt模块相同型号的igbt模块作为开关，控制大电流的开通和关断。该单元由被测igbt2、控制开关igbt1和负载电阻ra组成，如图2所示。其中，lm317小电流恒流源电路中串联二极管in5819使得该部分电路在加热过程中不导通在加热结束后导通。被测igbt模块栅极控制信号一直连接15v使得被测模块在加热过程中一直处于导通状态。采用脉冲信号控制开关igbt的驱动电路的开通和关断，当脉冲信号处于高电平时大电流的导通，被测igbt模块加热直至最大结点温度，脉冲信号处于低电平，此时立即测量在该温度下待测igbt模块的vce值。

所述的驱动单元如图4所示，所述光耦隔离芯片hcpl2601包括电源脚vcc、第一输入脚a第二输入脚c、常闭脚nc、第一输出脚vo、使能端ve,及接地脚gnd；所述的igbt驱动芯片mic4451bn包括第一电源脚vs1、第二电源脚vs2、输入脚in、常闭脚nc、第一输出脚out、第二输出脚out、及两个接地脚gnd；所述的信号输入端j1,连接电阻r9和r10给光耦u2的输入端a和c,一个电流信号，当使能端工作时，光耦u2的输出端v0,输出稳压二极管zd1所设定的电压值，给驱动芯片u1的输入端in一个电压信号，驱动芯片u1的输出端out，经过肖特基二极管d1和d2及稳压二极管d3，给igbt的栅极一个15v电压。

所述的保护单元103分为过温保护单元和过流保护单元。

所述的过温保护单元，j2端采集温敏电阻的阻值，经过电感l1、l2和电容c9、c10组成的滤波电路，接入lm2903比较器的2脚与lm2903比较器的3脚的电压信号进行比较，当2脚的电压低于3脚的电压时，比较器工作输出一个电压信号，使三极管q3的基极2导通，q3的集电极3接入igbt驱动信号的in端，将其电平拉低到0.7v，驱动电路就立即停止工作。

所述的过流保护单元，j3端接入电流互感器的输出端，经过二极管d6,电阻r25和电容c12组成的滤波电路，接入lm2903比较器的3脚与lm2903比较器的2脚的电压信号进行比较，当2脚的电压低于3脚的电压时，比较器工作输出一个电压信号，使三极管q4的基极2导通，q3的集电极3接入igbt驱动信号的in端，将其电平拉低到0.7v，驱动电路就立即停止工作。

所述待测igbt模块单元105的驱动端常开，不需施加保护单元，就能使大电流安全的交替施加于待测igbt模块。

所述小电流测试单元104，采用lm317芯片制作简易稳定的恒流源，用于在待测igbt大电流关断时给待测igbt模块施加与温箱实验单元相同大小的小电流，测量此小电流下的饱和压降vce，即得到此时的tj。

所述数据采集单元107，用于实时获取压降的变化，此单元的采集速率足够快，能准确反映此时刻的结温值。

附图说明

图1是本发明提供的igbt结温检测装置实施结构图；

图2是本发明提供的igbt结温检测装置整体实施电路图；

图3本发明提供的小电流下压降与结温的关系图；

图4是本发明提供的驱动单元对应的电路图；

图5是本发明提供的过温检测单元对应的电路图；

图6是本发明提供的过流检测单元对应的电路图；

图7是本发明提供的igbt结温检测方法实施流程图。

具体实施方式

下面结合下述实施例对本发明的具体实施步骤做详细的说明。

如图7所示，为本发明提供的igbt结温检测装置实施流程图，具体实施步骤分为：确定小电流下vce与tj的函数关系曲线701；对待测igbt模块施加特定开关时间的功率循环实验702；对待测igbt模块施加恒定的小电流703；在功率循环实验关断瞬间测vce704；在功率循环实验关断瞬间测vce705。

确定小电流下vce与tj的函数关系曲线时，采用101所述的温箱实验单元，将igbt模块放入温箱中，分别设定温箱的温度为20℃-150℃，持续20分钟，直至其稳定。此单元中igbt模块的栅极vge常开，持续通入小电流，用于确定在小电流下不同结温tj对应的饱和压降vce，对所得数据采用线性拟合和最小二乘法方法，得到出饱和压降vce与结温tj的函数关系(如图3所示)，以此函数关系为依据，计算功率循环实验条件下igbt的结温。

对待测igbt模块施加特定开关时间的功率循环实验，采用与待测igbt模块相同型号的igbt模块作为开关，控制大电流的开通和关断。该单元由电源v1、控制开关igbt1、被测igbt2和负载电阻ra组成串联回路。其中，lm317为恒流源为电路中提供小电流，二极管in5819使得该部分电路在加热过程中不导通在加热结束后导通。被测igbt2栅极控制信号一直施加15v，使得被测模块一直处于导通状态。采用脉冲信号控制开关igbt2驱动电路的开通和关断，当脉冲信号处于高电平时大电流的导通，被测igbt模块加热直至最大结点温度，当脉冲信号处于低电平，立即测量在该温度下待测igbt模块的vce值。