一种在线测量电路及测量方法与流程

本发明涉及电路测量领域，尤其涉及一种在线测量电路及测量方法。

背景技术：

随着半导体技术的发展，功率模块应用领域也在不断扩展，逐渐向特殊领域渗透。这类应用领域工况严酷且对功率模块的可靠性有严格的要求，对于工况复杂，例如需要面对潮湿、极端的高低温、风沙和盐、雾灯外部环境，功率循环大的电力电子系统，为实现良好的用户体验，电子系统的频率、电流、电压需要随外部环境变化而不断变化，将会在功率模块上产生大量功率循环/热循环载荷。功率模块伴随着较大的温度波动，承受周期变化的热应力冲击，形成长期的失效积累，从而降低功率模块乃至整个系统的可靠性。因此需要一种监测方法监测由工作状况产生热机械应力引起的老化累计的可靠性问题。

现有技术通过对功率模块的失效模式和失效机理的分析和研究发现，主要的老化特征量有：结温tj、集射极导通压降vce、热阻抗zth、栅极阈值电压vge(th)等。结温tj及热阻抗zth无法在功率模块处于工作状况下采集，栅极阈值电压vge(th)做为老化特征变量的有效性有待进一步验证。从技术可行性来说，集射极导通压降vce测量相对来说较容易，目前，对于vce的实时在线测量已经取得一定的成果，但现有的测量电路较复杂导致测量效率低，并且未考虑结温和集电极电流对测量精度的影响，令测量结果不准确。

技术实现要素：

本发明提供了一种在线测量电路及测量方法，通过实时测量功率模块的集射极导通压降值，并通过老化标准提取当前壳温及集电极电流所对应的老化阈值进行对比，确认功率模块老化，以解决现有的测量电路结构复杂，且未考虑结温和集电极电流对测量精度影响的技术问题，从而提供一种结构简单的测量电路，结合不同的壳温及集电极电流所对应的老化阈值进行测量判断，进而实现提高测量效率和测量准确度。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种在线测量电路，包括：第一二极管、第二二极管、电流源、放大器、第一电阻和第二电阻；

所述第一二极管的负极与被监测功率模块的集电极连接，正极与所述第二二极管的负极、所述放大器的正向端相连；所述第二二极管的正极与所述第一电阻的一端、所述电流源的正极相连，所述电流源的负极与所述被监测功率模块的发射极连接；所述放大器的反相端与所述第一电阻、所述第二电阻的一端相连接，所述放大器的输出端与控制器的输入端连接。

作为优选方案，所述第一二极管和所述第二二极管的参数相同。

作为优选方案，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相同。

本发明实施例还提供了一种基于上述在线测量电路的测量方法，包括：

确定功率模块的老化标准；所述老化标准包括不同的功率模块壳温及集电极电流所对应的老化阈值；

测量获取当前工况下功率模块的实际壳温及实际集电极电流；

根据所述实际壳温及实际集电极电流，从所述老化标准中提取相应的老化阈值；

通过所述在线测量电路测量获取功率模块实时的集射极导通压降值；

当所述集射极导通压降值超过所述相应的老化阈值时，判断功率模块开始老化，进入失效阶段。

作为优选方案，所述确定功率模块的老化标准，具体包括：

分别测量多个新的功率模块在不同壳温、集电极电流条件下的测试集射极导通压降值，并将所述测试集射极导通压降值增加预设数值，得到老化阈值；

根据不同壳温、集电极电流条件下得到的老化阈值，制定功率模块的老化标准。

作为优选方案，所述将所述测试集射极导通压降值增加预设数值，为：将所述测试集射极导通压降值增加5％。

作为优选方案，所述多个新的功率模块为参数相同的同一款功率模块。

作为优选方案，在所述判断功率模块开始老化，进入失效阶段之后，还包括：控制输出相应的报警信号，以提醒工作人员及时处理。

作为优选方案，所述报警信号包括报警声音信号和报警闪烁光。

相比于现有技术，本发明实施例具有如下有益效果：

本发明通过实时测量功率模块的集射极导通压降值，并通过老化标准提取当前壳温及集电极电流所对应的老化阈值进行对比，确认功率模块老化，以解决现有的测量电路结构复杂，且未考虑结温和集电极电流对测量精度影响的技术问题，从而提供一种结构简单的测量电路，结合不同的壳温及集电极电流所对应的老化阈值进行测量判断，进而实现提高测量效率和测量准确度。

附图说明

图1：为本发明实施例中的在线测量电路的结构示意图；

其中，说明书附图的附图标记如下：

d1、第一二极管；d2、第二二极管；dc、电流源；k、放大器；r1、第一电阻；r2、第二电阻；g、被监测功率模块；

图2：为本发明实施例中的vce与结温、集电极电流的关系示意图；

图3：为本发明实施例中的在线测量方法的步骤流程示意图；

图4：为本发明实施例中的在线测量方法的原理结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，本发明优选实施例提供了一种在线测量电路，包括第一二极管d1、第二二极管d2、电流源dc、放大器k、第一电阻r1和第二电阻r2。所述第一二极管d1负极与被监测功率模块g的集电极连接，正极与第二二极管d2的负极、放大器k的正向端相连，连接点为b，第二二极管d2的正极与第一电阻r1的一端、电流源dc的正极相连，连接点为a，电流源dc的负极与被监测功率模块g的发射极连接，放大器k的反相端连接于第一电阻r1与第二电阻r2之间的公共连接点，放大器k的输出端与控制器的输入端连接。

在本实施例中，所述第一二极管和所述第二二极管的参数相同。在本实施例中，所述第一电阻和所述第二电阻的阻值相同。

在线测量电路的测量原理如下：

1、假设所述第一二极管d1和第二二极管d2具有相同参数，则d1和d2两端的压降可表示为：

vd1＝vd2＝va-vb(1)；

式中，va、vb分别表示连接点a、b处的电压。

2、根据电路结构可知，被监测功率模块的集射极导通压降vce等于：

vce＝vb-vd1＝vb-(va-vb)＝2vb-va(2)；

3、放大器k的输出端电压vout与第一电阻阻值r1，第二电阻阻值r2有关：

vout＝vb-((va-vb).r2/r1)(3)；

4、进一步，令r1＝r2，则式(3)可表示成：

vout＝2vb-va(4)；

由式(2)和式(4)可以看出，通过合理选取第一电阻和第二电阻的阻值，比较器的输出电压可以反应被测功率模块集射极导通压降vce。

集射极导通压降vce受结温和集电极电流影响较大，如图2所示，集射极导通压降vce(sat)随结温的升高及集电极电流的增大呈上升趋势。以vce制定老化标准vce(sat)，即当相同结温、集电极电流条件下，vce增加了5％则判定功率模块老化。由于工作状况下，功率模块结温测量难度较大，本发明采用功率模块的壳温作为限定条件。

请参照图3和图4，本发明实施例还提供了一种基于上述在线测量电路的测量方法，包括：

s1，确定功率模块的老化标准；所述老化标准包括不同的功率模块壳温及集电极电流所对应的老化阈值；在本实施例中，所述确定功率模块的老化标准，具体包括：s11，分别测量多个新的功率模块在不同壳温、集电极电流条件下的测试集射极导通压降值，并将所述测试集射极导通压降值增加预设数值，得到老化阈值；s12，根据不同壳温、集电极电流条件下得到的老化阈值，制定功率模块的老化标准。

在本实施例中，所述将所述测试集射极导通压降值增加预设数值，为：将所述测试集射极导通压降值增加5％。在本实施例中，所述多个新的功率模块为参数相同的同一款功率模块。

s2，测量获取当前工况下功率模块的实际壳温及实际集电极电流；

s3，根据所述实际壳温及实际集电极电流，从所述老化标准中提取相应的老化阈值；

s4，通过所述在线测量电路测量获取功率模块实时的集射极导通压降值；

s5，当所述集射极导通压降值超过所述相应的老化阈值时，判断功率模块开始老化，进入失效阶段。在本实施例中，在所述判断功率模块开始老化，进入失效阶段之后，还包括：控制输出相应的报警信号，以提醒工作人员及时处理。在本实施例中，所述报警信号包括报警声音信号和报警闪烁光。

控制器中预存了所监测功率模块对应的老化标准vce(sat)，在工作状态下，温度传感器及电流传感器实时测量当前工况下功率模块的壳温及集电极电流，经过信号处理电路，输入至控制器中，控制器根据输入的壳温及集电极电流，从老化标准提取对应的老化阈值vce(sat)；

通过集射极导通压降在线测量电路测量功率模块实时的集射极导通压降vce，通过信号处理电路后，输入控制器中；

控制器将vce与老化阈值vce(sat)进行比较，若前者超过后者，则认为功率模块开始老化，进入失效阶段，此时控制器输出相应的报警信号，提醒工作人员及时处理。

本发明的优点在于：

1)本发明可以可靠监测功率模块的老化状况，从而避免功率模块老化失效而造成的破坏性后果；

2)目前还未看到对运行中对功率模块进行老化监测的方法，本发明充分考虑了结温和集电极电流对集射极导通压降的影响，为实现实时监测功率模块老化状况提供了有效的思路；

3)本发明提出的vce在线测量电路原理明了，结构简单，且可靠性高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，应当理解，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围。特别指出，对于本领域技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。