Igbt老化状态监测方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明提供的IGBT老化状态监测方法及装置，其方法包括：通过测量电路中的稳压芯片输出正常电压，当稳压芯片控制信号为高电平时，测量电路输出驱动电压使待测IGBT导通；将稳压芯片控制信号置为低电平，使稳压芯片输出电压为零，当IGBT门极电压降至开通阈值电压时，流经IGBT集电极电流为零，控制驱动电压缓慢连续下降，并截取的测量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形,获取待测IGBT的传输特性曲线；将通过所述传输特性曲线提取的待测IGBT的导通阈值电压和跨导作为老化状态特征量，对待测IBGT的老化状态进行监测；本发明具有快速、准确的对IGBT的老化状态情况进行检测的特点。
【专利说明】
IGBT老化状态监测方法及装置
技术领域
[0001] 本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种IGBT老化状态监测方法及装置。
【背景技术】
[0002] IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管），是能源变换 与传输的核心器件，作为国家战略性新兴产业，在轨道交通、智能电网、航空航天、电动汽车 与新能源装备等领域应用极广，IGBT模块是应用最广泛的功率器件，有着不可或缺的地位。 在实际运用中，由于功率变流器长时间工作于处理功率大范围随机波动的恶劣工况下，造 成IGBT器件内部的结温持续大范围波动，进而使IGBT出现老化失效的情况，如能实时监测 IGBT的老化状态，就可以及时替换接近老化失效的模块，进而避免造成重大损失。现有IGBT 老化监测技术多使用小电流下的饱和压降V CE-sat，在IGBT饱和导通时注入100mA小电流，然 后读取该状态下的VCE，但是饱和导通压降相对老化过程的变化量很小，一般只有十几mV左 右，并且变流器的母线电压一般在几百伏上千伏，从上千伏中测量十几mV的变化量，这对采 样系统要求很高，因此，亟需一种新的快速准确检测IGBT的老化状态的方法，避免测量电路 对IGBT正常运行的影响。
【发明内容】
[0003] 有鉴于此，本发明提供一种IGBT老化状态监测方法及装置，以解决上述问题。
[0004]本发明提供的IGBT老化状态监测方法，包括
[0005] a.通过测量电路中的稳压芯片输出正常电压，当稳压芯片控制信号为高电平时， 测量电路输出驱动电压使待测IGBT导通；
[0006] b.将稳压芯片控制信号置为低电平，使稳压芯片输出电压为零，当IGBT门极电压 降至开通阈值电压时，流经IGBT集电极电流为零，控制驱动电压缓慢连续下降，并截取的测 量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形，获取待测IGBT的传输特性曲线；
[0007] C.将通过所述传输特性曲线提取的待测IGBT的导通阈值电压和跨导作为老化状 态特征量，对待测IBGT的老化状态进行监测。
[0008] 进一步，所述驱动电压波形和集电极电流波形关系如下式表示：
[0010 ] 其中，Vge表示门极电压，I c表示集电极电流，Ksat表示夸导，Vth表示阈值；
[0011] 对测量的驱动电压波形和集电极电流波形数据进行数据拟合，获取相应系数，计 算跨导和阈值电压。
[0012] 进一步，所述测量电路和常规驱动电路通过切换开关与待测IGBT连接，当对待测 IGBT进行测量时，通过切换开关控制测量电路与待测IGBT连接，同时断开常规驱动电路与 待测IGBT连接，对待测IGBT测量完成后，切换至常规驱动电路。
[0013] 进一步，通过改变数字电位器的阻值控制所述测量电路的输出电压值进行改变。
[0014]进一步，当切换开关切换至测量电路时，IGBT处于关断状态，通过所述稳压芯片输 出脉宽驱动电压信号使其导通，所述脉宽驱动电压信号为窄脉宽驱动电压信号，且脉宽信 号高度根据IGBT的门极驱动电压确定。
[0015]进一步，通过IGBT键合线脱落对所述传输特性曲线的影响变化，计算不同键合线 脱落数对应的跨导和阈值电压，对IGBT的老化状态进行判定。
[0016] 本发明还提供一种IGBT老化状态监测装置，包括测量电路，所述测量电路包括
[0017] 稳压芯片，用于输出脉宽驱动电压信号，
[0018] 采集单元，用于采集测量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形，
[0019] 门极电压控制单元，用于使驱动电压缓慢连续进行变化，
[0020] 监测单元，用于根据所述测量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形获 取待测IGBT的传输特性曲线，并提取的待测IGBT的导通阈值电压和跨导；
[0021] 当稳压芯片控制信号为高电平时，测量电路输出驱动电压使待测IGBT导通，将稳 压芯片控制信号置为低电平，使稳压芯片输出电压为零，当IGBT门极电压降至开通阈值电 压时，门极电压控制单元控制驱动电压缓慢连续下降，并截取的测量电路输出驱动电压波 形和相应的集电极电流波形，获取待测IGBT的传输特性曲线，将通过所述传输特性曲线提 取的待测IGBT的导通阈值电压和跨导作为老化状态特征量，对待测IBGT的老化状态进行监 测 。
[0022] 进一步，还包括常规驱动电路和切换开关，所述常规驱动电路和测量电路通过双 路切换开关与待测IGBT连接，当对待测IGBT进行测量时，通过切换开关控制测量电路与待 测IGBT连接，同时断开常规驱动电路与待测IGBT连接，对待测IGBT测量完成后，切换至常规 驱动电路。
[0023] 进一步，还包括数字电位器，用于输出电压调节，给稳压电路输出电容预充设定电 压。
[0024]本发明的有益效果:本发明中的IGBT老化状态监测装置，可以实现对IGBT传输特 性曲线的快速测量，以此来提取IGBT的老化特征量，通过老化特征量获得IGBT的老化状态 信息，以达到对IGBT老化状态监测的目的；本发明能够使老化特征量测量电路与常规驱动 电路之间进行自由切换，快速测量完成后切换至常规驱动电路，避免了测量电路对IGBT正 常运行的影响，本发明具有快速、准确的对IGBT的老化状态情况进行检测的特点。
【附图说明】
[0025]下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：
[0026]图1是本发明的原理示意图。
[0027] 图2是本发明测量电路示意图。
[0028] 图3是本发明的监测装置结构示意图。
[0029] 图4是本发明的驱动窄脉冲信号波形示意图。
[0030] 图5是本发明的IGBT门极驱动电压与集电极电流波形示意图。
[0031] 图6是本发明的测量与数据手册传输特性曲线对比示意图。
[0032] 图7是本发明不同键合线断裂数时传输特性曲线示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：图1是本发明的原理示意图，图2 是本发明测量电路示意图，图3是本发明的监测装置结构示意图，图4是本发明的驱动窄脉 冲信号波形示意图，图5是本发明的IGBT门极驱动电压与集电极电流波形示意图，图6是本 发明的测量与数据手册传输特性曲线对比示意图，图7是本发明不同键合线断裂数时传输 特性曲线示意图。
[0034]如图1-7所示，本实施例中的IGBT老化状态监测方法，包括
[0035] a.通过测量电路中的稳压芯片输出正常电压，当稳压芯片控制信号为高电平时， 测量电路输出驱动电压使待测IGBT导通；
[0036] b.将稳压芯片控制信号置为低电平，使稳压芯片输出电压为零，当IGBT门极电压 降至开通阈值电压时，流经IGBT集电极电流为零，控制驱动电压缓慢连续下降，并截取的测 量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形，获取待测IGBT的传输特性曲线；
[0037] c.将通过所述传输特性曲线提取的待测IGBT的导通阈值电压和跨导作为老化状 态特征量，对待测IBGT的老化状态进行监测。
[0038]本实施例中的测量电路和常规驱动电路通过切换开关与待测IGBT连接，当对待测 IGBT进行测量时，通过切换开关控制测量电路与待测IGBT连接，同时断开常规驱动电路与 待测IGBT连接，对待测IGBT测量完成后，切换至常规驱动电路。在实际监测过程中，IGBT处 于正常工作状态时，通过切换开关使IGBT的门极连接至常规驱动电路，当工作一段时间，需 要对IGBT模块老化状态进行测量时(一般在变流器停机时进行，如电动汽车停车时，风机因 风速不适合工作而停机时等），控制切换开关切换至测量驱动电路，此时测量工位IGBT处于 关断状态，给稳压芯片一个触发信号使其正常输出一个窄脉宽驱动电压信号，如图4所示， 脉宽信号的高度根据不同的IGBT的门极驱动电压确定。当稳压芯片控制信号为高电平时， 测量电路输出导通驱动电压，测量工位IGBT导通，直流电源输出固定电流值，流过IGBT集电 极的电流增加，当稳压芯片控制信号为低电平时，稳压芯片输出电压为零，如图2所示，在本 实施例中，利用RC电路放电特性实现驱动电压的连续变化，此时由于电容匕和电阻R g，IGBT 门极电压开始缓慢下降，流过IGBT的集电极电流也开始缓慢下降，当IGBT门极电压下降至 IGBT开通阈值电压时，流过IGBT的集电极电流为零。
[0039]如图5所示，通过采集单元对驱动电压波形和集电极电流波形进行数据采集，根据 截取测量电路输出驱动电压开始下降之后的驱动电压波形与相应的集电极电流波形，即可 得到IGBT的传输特性曲线，驱动电压波形和集电极电流波形关系如下式表示：
[0041] 其中，Vge表不门极电压，Ic表不集电极电流，Ksat表不夸导，Vth表不阈值
[0042]根据上述公式，使用所述测量所得驱动电压波形与集电极电流波形的数据对公式 进行数据拟合，即可得到相应的系数，然后根据系数获取跨导与阈值。
[0043]在本实施例中，采用英飞凌的FF50R12RT4型号的IGBT作为实验对象，触发开通信 号由DSP发出lms脉宽的窄脉冲信号，门极电压VCE与集电极电流Ic的波形由数据采集卡进行 采集，本实施例中所测的IGBT传输特性曲线与数据手册上的传输特性曲线对比如图6所示， 可以看出两条曲线非常接近。
[0044]在本实施例中，通过IGBT键合线脱落对所述传输特性曲线的影响变化，计算不同 键合线脱落数对应的跨导和阈值电压，对IGBT的老化状态进行判定。由于IGBT模块的老化 会使其内部的键合线断裂，因此，本实施例通过逐渐剪断IGBT的键合线来模拟IGBT模块的 老化情况，IGBT的传输特性曲线随键合线断裂变化情况如图7所示，然后根据公式(1)对图7 的传输特性曲线进行数据拟合，拟合结果如表1所示，可以看出，随着键合线脱落数的增加， 夸导Ksat与阈值Vth都依次下降。
[0047]相应地，本实施例还提供一种IGBT老化状态监测装置，包括测量电路，所述测量电 路包括
[0048] 稳压芯片，用于输出脉宽驱动电压信号，
[0049] 采集单元，用于采集测量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形，
[0050] 门极电压控制单元，用于使驱动电压缓慢连续进行变化，
[0051]监测单元，用于根据所述测量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形获 取待测IGBT的传输特性曲线，并提取的待测IGBT的导通阈值电压和跨导；
[0052] 如图2所示本实施例中的稳压芯片采用LM2678,当稳压芯片控制信号为高电平时， 测量电路输出驱动电压使待测IGBT导通，将稳压芯片控制信号置为低电平，使稳压芯片输 出电压为零，当IGBT门极电压降至开通阈值电压时，门极电压控制单元控制驱动电压缓慢 连续下降，并截取的测量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形，获取待测IGBT 的传输特性曲线，将通过所述传输特性曲线提取的待测IGBT的导通阈值电压和跨导作为老 化状态特征量，对待测IBGT的老化状态进行监测。
[0053] 如图1、3所示，还包括常规驱动电路和切换开关，所述常规驱动电路和测量电路通 过切换开关与待测IGBT连接，当对待测IGBT进行测量时，通过切换开关控制测量电路与待 测IGBT连接，同时断开常规驱动电路与待测IGBT连接，对待测IGBT测量完成后，切换至常规 驱动电路。
[0054]如图2所示，还包括数字电位器，用于输出电压调节，给稳压电路输出电容预充一 设定电压，设定电压大小由待测IGBT确定，该电压值一般使待测IGBT进入线性区但不进入 饱和区为宜，通过数字电位器方便数字调节所提驱动输出电压，可以针对不同模块调节合 适的门极电压，使IGBT模块进入线性区工作而不进入饱和区，限制IGBT模块的集电极电流 的最大值，一般控制在额定值的1.5倍合适。
[0055]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较 佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技 术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本 发明的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种IGBT老化状态监测方法，其特征在于:包括 a. 通过测量电路中的稳压忍片输出正常电压，当稳压忍片控制信号为高电平时，测量 电路输出驱动电压使待测IGBT导通； b. 将稳压忍片控制信号置为低电平，使稳压忍片输出电压为零，当IGBT 口极电压降至 开通阔值电压时，流经IGBT集电极电流为零，控制驱动电压缓慢连续下降，并截取的测量电 路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形，获取待测IGBT的传输特性曲线； C.将通过所述传输特性曲线提取的待测IGBT的导通阔值电压和跨导作为老化状态特 征量，对待测IBGT的老化状态进行监测。2. 根据权利要求1所述的IGBT老化状态监测方法，其特征在于:所述驱动电压波形和集 电极电流波形关系如下式表示：其中，Vce表示口极电压，IC表示集电极电流，Ksat表示夸导，Vth表示阔值； 对测量的驱动电压波形和集电极电流波形数据进行数据拟合，获取相应系数，计算跨 导和阔值电压。3. 根据权利要求1所述的IGBT老化状态监测方法，其特征在于:所述测量电路和常规驱 动电路通过切换开关与待测IGBT连接，当对待测IGBT进行测量时，通过切换开关控制测量 电路与待测IGBT连接，同时断开常规驱动电路与待测IGBT连接，对待测IGB巧则量完成后，切 换至常规驱动电路。4. 根据权利要求1所述的IGBT老化状态监测方法，其特征在于:通过改变数字电位器的 阻值控制所述测量电路的输出电压值进行改变。5. 根据权利要求1所述的IGBT老化状态监测方法，其特征在于：当切换开关切换至测量 电路时，IGBT处于关断状态，通过所述稳压忍片输出脉宽驱动电压信号使其导通，所述脉宽 驱动电压信号为窄脉宽驱动电压信号，且脉宽信号高度根据IGBT的口极驱动电压确定。6. 根据权利要求1-5任一权利要求所述的IGBT老化状态监测方法，其特征在于：通过 IGBT键合线脱落对所述传输特性曲线的影响变化，计算不同键合线脱落数对应的跨导和阔 值电压，对IGBT的老化状态进行判定。7. -种IGBT老化状态监测装置，其特征在于:包括测量电路，所述测量电路包括 稳压忍片，用于输出脉宽驱动电压信号， 采集单元，用于采集测量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形， 口极电压控制单元，用于使驱动电压缓慢连续进行变化， 监测单元，用于根据所述测量电路输出驱动电压波形和相应的集电极电流波形获取待 测IGBT的传输特性曲线，并提取的待测IGBT的导通阔值电压和跨导； 当稳压忍片控制信号为高电平时，测量电路输出驱动电压使待测IGBT导通，将稳压忍 片控制信号置为低电平，使稳压忍片输出电压为零，当IGBT 口极电压降至开通阔值电压时， 口极电压控制单元控制驱动电压缓慢连续下降，并截取的测量电路输出驱动电压波形和相 应的集电极电流波形，获取待测IGBT的传输特性曲线，将通过所述传输特性曲线提取的待 测IGBT的导通阔值电压和跨导作为老化状态特征量，对待测IBGT的老化状态进行监测。8. 根据权利要求7所述的IGBT老化状态监测装置，其特征在于:还包括常规驱动电路和 切换开关，所述常规驱动电路和测量电路通过切换开关与待测IGBT连接，当对待测IGBT进 行测量时，通过切换开关控制测量电路与待测IGBT连接，同时断开常规驱动电路与待测 IGBT连接，对待测IGBT测量完成后，切换至常规驱动电路。9.根据权利要求8所述的IGBT老化状态监测装置，其特征在于:还包括数字电位器，用 于输出电压调节，给稳压电路输出电容预充设定电压。
【文档编号】G01R31/26GK105911446SQ201610223894
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月12日
【发明人】周雒维, 彭英舟, 张晏铭, 蔡杰, 王凯宏, 孙鹏菊, 杜雄
【申请人】重庆大学