电力电子开关器件结温在线监测装置、检测电路及测试方法与流程

本发明涉及一种监测装置，具体涉及一种电力电子开关器件结温在线监测装置，属于电力电子技术领域。

背景技术：

随着电力电子技术产业的发展，电力电子器件作为能源变换和传输的核心器件，其应用范围越来越广泛。功率变换器系统运行时，由于器件的开关损耗和导通损耗会使其芯片的温度升高，使得器件内部材料承受热应力，加速了开关器件老化程度以及失效率，导致变换器发生故障。

开关器件的结温估计对其可靠性，健康状态以及使用寿命评估具有重要意义。精确测量器件结温是电力电子领亟需解决的问题。然而目前没有一个较为可靠的办法能够直接测量或估算结温。大多是通过测量器件基板或散热片温度，来反推器件结温。近些年，研究人员提出了一些根据器件热敏感电参数(Thermo-Sensitive Electrical Parameter TSEP)来估计器件结温。即当芯片温度随着运行工况变化时，待测器件相应的外部电气参数也会随之变化。通过对热敏感电参数的测量，即可对芯片结温进行逆向预估。

目前，常用的根据TSEP来进行结温估计方法包括导通电压测量法、阈值电压法，短路电流法，最大电压变化率法，最大电流变化率法等，这些测量条件要求高，并且提取较为困难。其中导通压降参数对热较为敏感，但是由于器件在正常工作时，开通电压较低，一般几伏之内。关断时承受的电压则在几百伏甚至高达上千伏。器件两端的电压动态范围变化较大，很难精确测量由于温度变化而引起的导通压降毫伏级别的变化。本领域的技术人员一直尝试新的方案，但是该问题一直没有得到妥善解决。

技术实现要素：

本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种电力电子开关器件结温在线监测装置，该技术方案采用动态探测导通压降法能够在在器件导通时，通过可控开关，去探测电力电子开关器件的导通压降，当器件关断后，不再去探测，这样能够降低导通压降探测电路的动态范围，大大提高测量精度。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种电力电子开关器件结温在线监测装置，其特征在于，所述在线监测装置包括主控制单元、待测电力电子开关器件、电流检测单元、V_ce(on)检测单元以及AD采集单元，其中主控制单元包括器件驱动单元和结温计算单元，电流检测单元用于采集器件导通状态下流过器件的电流I_c，V_ce(on)检测单元用于采集电力电子开关器导通状态下的某一额定时间段的导通压降V_ce，通过V_ce(on)检测单元内的模拟电路得出等效导通压降信号V_ce(on，AD采集单元完成模拟电流和电压到数字信号的转换，器件驱动单元，用于提供待测器件的门极的驱动信号V_g和V_ce(on)检测单元开关信号V_p(mos)，结温计算单元，用于通过采集器件导通状态的电流I_c和导通压降V_ce(on)，查表计算得到器件的工作结温T_j。

作为本发明的一种改进，所述电流检测单元采用电流互感器或者罗氏线圈或者电阻测量法中的一种进行检测。

作为本发明的一种改进，所述V_ce(on)检测单元，包含一个电子开关Q1，以及电压采样电路，所述电子开关Q1串联在电压采样电路的输入端。

作为本发明的一种改进，所述V_ce(on)检测单元使电力电子开关器件在电子开关Q1开通状态下的某一时间段内接入检测系统，在电力电子开关器件其他状态下与电力电子开关器件结温在线检测系统断开，从而保护V_ce(on)检测单元并能精确测量电力电子开关器件开通状态下的导通压降。

作为本发明的一种改进，所述电压采样电路、包括电阻R7、R8、R9、R10、电容C4、C5、C6以及运算放大器U3，其中电阻R7、R8、R9、R10、电容C4、C5、C6以及运算放大器U3，所述R7的另一端连接C4的一端，同时连接R9，C5的一端和U3的正极性输入；所述C4的另一端连接U3的负极性输入以及R8的一端，同时连接R10，C6的一端；所述R8的另一端接地；所述R10的另一端连接C6的另一端，同时连接到U3的输出端Vce。

作为本发明的一种改进，所述罗氏线圈采样电路包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、电容C1、C2、C3以及运算放大器U1、U2，所述R2一端接罗氏线圈，另一端接C1的一端和U1的正极性输入端，所述C1的另一端接地，所述R1的一端接地，另一端接U1的负极性输入，同时连接R3和C2的一端；所述R3的另一端接C2的另一端，同时连接U1的输出；所述U1的输出连接C3一端；所述C3的另一端连接R4的一端，同时连接U2的正极性输入；所述R4的另一端接地；所述R5的一端接地，另一端连接U2的负极性输入和和R6的一端；所述R6的另一端连接U2的输出，U2的输出为Ic_ad。

设置有电力电子开关器件结温在线监测装置的检测电路，其特征在于，所述检测电路包括母线直流电压源Vdc、母线电容C、负载电感L、功率二极管D以及IGBT模块结温在线检测系统；其中，母线直流电压源Vdc的正极与母线电容C一端、负载电感L一端和功率二极管D阴极相连，负载电感另一端与功率二极管D阳极和IGBT模块结温在线检测系统中的待测IGBT模块集电极IGBT_C相连，IGBT模块结温在线检测系统中的待测IGBT模块发射极IGBT_E与母线电容另一端和母线直流电压源Vdc的负极相连。

采用所述电力电子开关器件结温在线监测检测电路的电力电子开关器件结温在线监测结温检测装置的测试步骤如下：

由驱动单元提供的电力电子开关器件的开关控制信号V_g与V_ce检测单元开关信号V_p(mos)之间的电平变化时序；在t₀-t₃时间段内，电力电子开关器件的开关控制信号V_g为高电平，待测电力电子开关器件为导通状态，其余时间电力电子开关器件门极的开关控制信号V_g为低电平，待测电力电子开关器件为关断状态；

在t₁-t₂时间段内，V_ce(on)检测单元中的Q1导通，使得V_ce(on)检测单元接入IGBT模块结温在线检测系统，其余时间V_ce(on)检测单元中的Q1关断，使得V_ce(on)检测单元与IGBT模块结温在线检测系统断开；由于IGBT模块在实际工作过程中不断的开通与关断，为保证IGBT模块结温在线检测的高精度，必须保证t1和t2时刻落在t0和t3的范围内；

驱动单元提供的IGBT模块门极的开关控制信号VIGBT的开通时间ton即t0和t3时刻由外部的控制单元决定，与结温检测装置无关系。IGBT在接收到开通信号后，经过开通延迟时间t_don,后才能正常开通。t_don时间由具体的被测器件确定，因此测量时刻必须在t_don以后。对于结温测量装置而言，并不知道t3时刻何时到来，因此需要尽快在IGBT开通过程中测量V_ce(on)。IGBT测量时间在1us即可，1us时间取决于采集电路的速度，对于高速运放该时间可以更短。测量完成后将Q1关断即可。具体的时序图如图3所示。

相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)该技术方案整体设计巧妙、结构紧凑；2)该技术方案对IGBT模块结温在线检测适用，由于IGBT模块导通压降与IGBT模块关断承受的母线电压相差较大，普通的IGBT模块导通压降检测电路的误差较大；通过本发明的V_ce(on)检测单元的电路进行导通压降采样，能精确的提取出IGBT模块导通状态下的导通压降V_ce；通过本发明的电流检测单元中的罗氏线圈电流采样电路，能精确的提取出IGBT模块在开通状态下的导通电流I_c；通过导通压降V_ce(on)与导通电I_c的精确测量，进而精确计算出IGBT模块的结温T_j；3)该技术方案成本较低，便于大规模的推广应用。

附图说明

图1为发明整体结构示意图；

图2为IGBT模块检测电路结构示意图；

图3为测试信号时序图，其中，V_g为IGBT模块门极的开关控制信号，V_p(mos)为V_CE检测单元开关信号,I_c为IGBT模块导通电流，V_ce为IGBT模块电压，V_ce(on)为V_ce检测单元输出信号。

图4为基于罗氏线圈电流I_c采样电路示意图；

图5为导通压降V_ce(on)检测单元电路示意图；

图6为结温与集电极电流和通态压降的关系。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1，一种电力电子开关器件结温在线监测装置，所述在线监测装置包括主控制单元、待测电力电子器件、电流检测单元、V_ce(on)检测单元以及AD采集单元，其中主控制单元包括器件驱动单元和结温计算单元，该技术方案中，待测电力电子开关器件包含常用电力电子开关器件，包括MOSFET，IGBT等；电流检测单元用于采集器件导通状态下流过器件的电流I_c，V_ce(on)检测单元用于采集IGBT导通状态下的某一额定时间段的导通压降V_ce，通过V_ce(on)检测单元内的模拟电路得出等效导通压降信号V_ce(on，AD采集单元完成模拟电流和电压到数字信号的转换，器件驱动单元，用于提供待测器件的门极的驱动信号V_g和V_ce(on)检测单元开关信号V_p(mos)，IGBT驱动单元采用数字驱动方式，在IGBT驱动单元中调整IGBT模块门极的开关控制信号V_g与V_ce(on)检测单元开关信号V_p(mos)之间的电平变化时序关系；门极驱动信号V_g为待测器件的开关信号，该单元主要将弱电控制信号放大到能驱动待测器件的信号。V_p(mos)为导通压降V_ce(on)检测单元提供开关信号，当待测器件接收到开通信号V_g后，器件处于导通状态，此时适合V_ce(on)检测单元去探测导通压降。可以将V_ce(on)检测单元内部的开关接通，当探测完毕后，需要将内部开关断开。结温计算单元，器件的结温与电流I_c和导通压降的V_ce(on)的关系可用T_j＝f(V_ce(on),I_c)来表示。该方程为分线性，可以通过离线测量建立结温与I_c、V_ce(on)的表格。结温计算单元主要通过采集器件导通状态的电流I_c和导通压降V_ce(on)，通过查表计算得到器件的工作结温T_j；所述电流检测单元采用电流互感器或者罗氏线圈或者电阻测量法中的一种进行检测。

所述V_ce(on)检测单元，用于采集IGBT导通状态下的某一额定时间段的导通压降V_ce，V_ce(on)检测单元采用串接MOSFET作为开关的方法，使V_ce(on)检测单元在IGBT模块开通状态下的某一时间段内接入检测系统，在IGBT模块其他状态下与IGBT模块结温在线检测系统断开，从而保护V_ce(on)检测单元并能精确测量IGBT模块开通状态下的导通压降。由于IGBT模块开通的导通压降远小于关断电压，传统提取IGBT模块导通压降的方法没有将导通压降与关断电压分开，导致测量动态范围过大，从而造成导通压降提取误差大，通过本发明的V_CE(on)检测单元可以保证导通压降的高精确度。所述V_ce(on)检测单元，包含一个电子开关Q1，以及电压采样电路，所述电子开关Q1串联在电压采样电路的输入端。所述V_ce(on)检测单元使电力电子开关器件在电子开关Q1开通状态下的某一时间段内接入检测系统，在电力电子开关器件其他状态下与电力电子开关器件结温在线检测系统断开，从而保护V_ce(on)检测单元并能精确测量电力电子开关器件开通状态下的导通压降。参见图5，所述电压采样电路、包括电阻R7、R8、R9、R10、电容C4、C5、C6以及运算放大器U3，其中电阻R7、R8、R9、R10、电容C4、C5、C6以及运算放大器U3，所述R7的另一端连接C4的一端，同时连接R9，C5的一端和U3的正极性输入；所述C4的另一端连接U3的负极性输入以及R8的一端，同时连接R10，C6的一端；所述R8的另一端接地；所述R10的另一端连接C6的另一端，同时连接到U3的输出端Vce。

参见图4，所述罗氏线圈采样电路包括电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、电容C1、C2、C3以及运算放大器U1、U2，所述R2一端接罗氏线圈，另一端接C1的一端和U1的正极性输入端，所述C1的另一端接地，所述R1的一端接地，另一端接U1的负极性输入，同时连接R3和C2的一端；所述R3的另一端接C2的另一端，同时连接U1的输出；所述U1的输出连接C3一端；所述C3的另一端连接R4的一端，同时连接U2的正极性输入；所述R4的另一端接地；所述R5的一端接地，另一端连接U2的负极性输入和和R6的一端；所述R6的另一端连接U2的输出，U2的输出为Ic_ad。

实施例2：参见图2，设置有电力电子开关器件结温在线监测装置的IGBT检测电路，，所述检测电路包括母线直流电压源Vdc、母线电容C、负载电感L、功率二极管D以及IGBT模块结温在线检测系统；其中，母线直流电压源Vdc的正极与母线电容C一端、负载电感L一端和功率二极管D阴极相连，负载电感另一端与功率二极管D阳极和IGBT模块结温在线检测系统中的待测IGBT模块集电极IGBT_C相连，IGBT模块结温在线检测系统中的待测IGBT模块发射极IGBT_E与母线电容另一端和母线直流电压源Vdc的负极相连。

实施例3：参见图3，采用所述IGBT模块检测电路的IGBT模块结温检测装置的测试步骤如下：按照图3所示的IGBT驱动和mos驱动时序图配合，完成高精度导通压降的测量，在t₀-t₃时间段内，IGBT模块门极的开关控制信号V_g为高电平，待测IGBT模块为导通状态，其余时间IGBT模块门极的开关控制信号V_g为低电平，待测IGBT模块为关断状态；在t₁-t₂时间段内，V_ce(on)检测单元中的Q1导通，使得V_ce(on)检测单元接入IGBT模块结温在线检测系统，其余时间V_ce(on)检测单元中的Q1关断，使得V_ce(on)检测单元与IGBT模块结温在线检测系统断开。由于IGBT模块在实际工作过程中不断的开通与关断，为保证IGBT模块结温在线检测的高精度，必须保证t1和t2时刻落在t0和t3的范围内。驱动单元提供的IGBT模块门极的开关控制信号VIGBT的开通时间ton即t0和t3时刻由外部的控制单元决定，与结温检测装置无关系。IGBT在接收到开通信号后，经过开通延迟时间t_don,后才能正常开通。t_don时间由具体的被测器件确定，因此测量时刻必须在t_don以后。对于结温测量装置而言，并不知道t3时刻何时到来，因此需要尽快在IGBT开通过程中测量V_ce(on)。IGBT测量时间在1us即可，1us时间取决于采集电路的速度，对于高速运放该时间可以更短。测量完成后将Q1关断即可。具体的时序图如图3所示。

工作原理：

首先离线测试建立被测器件结温与电流I_c和导通压降的V_ce(on)的关系表格，由公式T_j＝f(V_ce(on),I_c)表示。图6为器件结温与电流I_c和导通压降的V_ce(on)的关系曲线。在实际IGBT开关过程中，按照图3实时记录I_c和V_ce(on)，根据事先建立的表格，通过查表法得到器件的工作结温。以某半导体厂商IGBT工作状态为例，在IGBT开关过程中侧的电流I_c为150A，V_ce(on)为3.1V，通过查表可得结温为60℃。

结温计算单元，器件的结温与电流I_c和导通压降的V_ce(on)的关系可用T_j＝f(V_ce(on),I_c)来表示。该方程为非线性，可以通过离线测量建立结温与I_c、V_ce(on)的表格，如图6所示。结温计算单元主要通过采集器件导通状态的电流I_c和导通压降V_ce(on)，通过查表计算得到器件的工作结温T_j；

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。