一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及其检测方法
【技术领域】
[0001]本发明属于电力电子器件检测技术领域，具体涉及一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及其检测方法。
【背景技术】
[0002]在实际的变流器应用工况中，功率模块不仅需经受内部芯片由于导通和关断引起的自热结温变化，另一方面还要经历外部的例如季节与昼夜的环境温度变化的双重影响。根据大量的试验数据与失效机理分析，学术界与工业界发现模块在失效前所经历的温度循环周期数是由结温摆幅、最高结温、平均结温、最低外壳温度及模块周期导通时间等因素共同决定。因此，大功率器件的在线芯片温度检测与监控是实施极限运行、寿命预测与过温保护的必要条件。
[0003]如何提高大容量功率器件的容量输出能力，并进一步降低功率器件的失效风险，是打破传统粗放式、大裕量的经验化设计准则，提升我国大容量变流器装备可靠性与竞争力的关键。而其中行之有效的方法就是在确保功率器件芯片结温在安全可控的工作范围以内，通过对功率器件芯片实际结温的在线检测，做到前提过温保护、降额冷却等有效措施。其次，大功率器件的结温检测技术是发展和完善电力变换装备在线测量方法的首要目标，也是反映和评估变流器在线运行状况的重要指标。由于功率芯片在模块内部具有难以直接观测、不易直接接触等特点，国内外学者在半导体芯片的结温检测技术方面做了大量的研究工作。现有的功率器件内部芯片的结温检测技术可大致分为如下四种方法:物理接触式测试法，光学非接触测试法，热阻模型预测法与热敏感电参数法。
[0004]以热敏电阻法为代表的物理接触式测量法是基于导体或半导体的电阻值随着温度的变化而变化的特性。该方法需要外部电源激励，且对随温度变化的响应较慢。利用热敏电阻对功率器件模块进行内部温度的检测需要对模块封装进行改造。由于封装类型和应用场合不同，现有大部分商用的功率器件模块内部仍没有安置热电阻测温元件，而仅仅在某些特定应用场合得到了有限程度的应用。以红外热成像仪为代表的光学非接触式测量法具有全局检测温度分布并迅速将温度分布成像的功能，已被引入功率器件模块芯片结温的测量研究。然而现有的商用红外热成像仪的最高采样率帧数较低，远不能满足动态变化的结温检测要求。因此，该方法也仅见于实验室研究使用，未见对功率器件内部芯片结温检测的现场应用案例。热阻抗模型预测法需要同时获取功率器件的实时损耗以及热阻网络才可对功率器件的结温进行实时预测。在变流器长期的运行过程中，衬底板下面的焊料层与导热硅脂均会出现不同程度的老化现象。经过测量的热阻网络由于老化原因将会变成未知的热阻网络，从而带来结温预测的误差。
[0005]由于半导体物理器件内部物理参数与温度有着一一对应的关系。因此这种半导体材料受温度影响的特性将会使得功率器件的工作电气特性呈现单调变化的趋势。这种受温度影响而变化的电气特征参数称之为热敏感电参数。该方法可以检测出ys级的开关功率器件的结温变化，因而热敏感电参数法被认为是最有可能成为对功率器件瞬态温度变化进行现场检测的方法。然而现有大多数热敏感电参数法只适用于以IGBT为代表的有源开关器件，而较少涉及于二极管功率器件为代表的无源功率器件。
[0006]大功率二极管模块在开通和关断运行当中需要同时经历高电压和大电流应力的冲击。常规的检测方法是测量不同温度下二极管的正向压降，利用正向电压降与芯片温度的对应关系来确定运行中二极管的芯片结温。然而这种方式所使用的电压传感器需要在二极管阻断状态下承受很高母线电压。其次，在高压和大电流的开关环境下，所测试的导通压降值很小，非常容易受到干扰。
【发明内容】
[0007]针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及其检测方法，能够以较高的精确度和分辨率实时检测功率二极管模块的工作结温。
[0008]—种功率二极管模块工作结温的在线检测系统，包括:
[0009]主电路单元，与功率二极管模块连接;所述的主电路单元包括直流电压源V、电容C、电感L和IGBT模块;其中，直流电压源V的正极与电容C的一端、电感L的一端和功率二极管模块的阴极相连，电感L的另一端与功率二极管模块的阳极和IGBT模块的集电极相连，IGBT模块的功率发射极与直流电压源V的负极和电容C的另一端相连；
[0010]温控单元，用于调控功率二极管模块和IGBT模块的环境温度；
[0011]采样单元，用于在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间采集直流电压源V的电压Vdc、功率二极管模块的正向导通电流以及IGBT模块的工作结温；
[0012]驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，以控制功率二极管模块由导通状态切换至关断状态，进而调控功率二极管模块的正向导通电流；
[0013]结温检测单元，用于采集IGBT模块功率发射极与驱动发射极两端的电压信号VEe，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号VEe正半部分的持续时间trf并计算电压信号VEe在该持续时间trf段内的定积分Srf ;所述的结温检测单元内存有各种运行工况下关于电压Vd。、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温、功率二极管模块的工作结温以及二极管反向恢复下降时刻存储电荷Qrf的数据表格以及函数模型，其中Qrf = trf*Srf/2LEe，LEe为IGBT模块功率发射极与驱动发射极之间的杂散电感;进而根据功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的电压Vd。、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温以及二极管反向恢复下降时刻存储电荷Qrf，通过查表或函数模型计算得到功率二极管模块的工作结温。
[0014]所述的结温检测单元包括:
[0015]过零检测积分模块，用于采集IGBT模块功率发射极与驱动发射极两端的电压信号VEe，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号VEe正半部分的持续时间trf并计算电压信号Vk在该持续时间trf段内的定积分Srf ;
[0016]隔离模块，用于对持续时间trf和定积分Srf进行隔离转换；
[0017]结温计算模块，其通过隔离模块与过零检测积分模块连接，且内部存有各种运行工况下关于电压Vdc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温、功率二极管模块的工作结温以及二极管反向恢复下降时刻存储电荷Qrf的数据表格以及函数模型;结温计算模块首先根据公式Qrf = trf*Srf/2LE4十算出二极管反向恢复下降时刻存储电荷Qrf，进而根据功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的电压Vd。、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温以及二极管反向恢复下降时刻存储电荷Qrf，通过查表或函数模型计算得到功率二极管模块的工作结温。
[0018]所述的过零检测积分模块包括十五个电阻Rl?R15、三个电容Cl?C3、三个二极管Dl?D3、五个运算放大器Ul?U5、一个NPN型的三极管Q和三个双向模拟开关Hl?H3;其中:双向模拟开关Hl的输入端接IGBT模块的功率发射极，输出端与电阻R6的一端相连；电阻R6的另一端与电阻R8的一端和运算放大器Ul的正相输入端相连，电阻R8的另一端接IGBT模块的驱动发射极，运算放大器Ul的反相输入端与电阻R5的一端、电阻R2的一端以及电容C3的一端相连，电阻R5的另一端接IGBT模块的驱动发射极，电阻R2的另一端与电容C3的另一端、运算放大器Ul的输出端以及运算放大器U2的正相输入端相连，运算放大器U2的反相输入端与电容CI的一端和二极管DI的阳极相连，运算放大器U2的输出端与二极管DI的阴极、二极管D2的阳极、电容Cl的另一端以及电阻Rl的一端相连，电阻Rl的另一端与电阻R3的一端、电阻R4的一端、运算放大器U4的反相输入端以及运算放大器U4的输出端相连，电阻R3的另一端与二极管D2的阴极和二极管D3的阳极相连，二极管D3的阴极与电阻R7的一端、电容C2的一端以及运算放大器U4的正相输入端相连，电阻R4的另一端产生定积分Srf;电阻R12的一端接IGBT模块的门极，电阻R12的另一端与电阻R9的一端和运算放大器U3的反相输入端相连，运算放大器U3的正相输入端与电阻R13的一端相连，电阻R9的另一端与电阻RlO的一端和运算放大器U3的输出端相连，电阻RlO的另一端与电阻Rll的一端和三极管Q的基极相连，三极管Q的集电极与电阻R7的另一端相连，三极管Q的发射极与电阻Rl I的另一端、电容C2的另一端以及电阻Rl 3的另一端相连并接IGBT模块的驱动发射极；双向模拟开关H2的输入端接IGBT模块的驱动发射极，控制端接IGBT模块的门极，输出端与运算放大器U5的反相输入端相连;双向模拟开关H3的输入端接IGBT模块的功率发射极，控制端接IGBT模块的门极，输出端与运算放大器U5的正相输入端相连;运算放大器U5的输出端与电阻R14的一端和电阻R15的一端相连，电阻R14的另一端接电源电压Vcc，电阻R15的另一端与双向模拟开关Hl的控制端相连并生成持续时间trf。
[0019]所述的隔离模块包含两个隔离子电路，所述的隔离子电路包括九个电阻R16?R24、四个电容C4?C7、两个运