一种基于关断延迟时间的IGBT结温检测系统与检测方法与流程

本发明涉及一种结温检测系统与检测方法，应用于电力电子器件性能测量技术领域。

背景技术：

近年来，随着社会经济的发展，电能变换技术广泛应用于新能源发电、电力输送、交通运输等领域。作为大功率电力电子变换器中应用最广泛的功率器件，igbt需要面对更为复杂的工况。系统的高安全性需求进而使得功率器件的可靠性成为研究热点之一，提高igbt的可靠性对保证大功率电力电子系统的安全运行具有重要意义。研究表明，31％的电力电子变换器失效是由电力电子器件的失效而引起的；其中，60％的电力电子器件失效由过温导致；而且，电力电子器件的结温每升高10℃，器件失效的概率便增大一倍。结温过高会导致多方面的问题。结温较高时，器件的耐压能力下降，容易引起器件过压击穿而失效；结温较高时，器件内部各材料之间热应力增大，容易引起焊层松动和键合线断裂，从而导致器件失效。因此，对igbt工作过程中的结温进行检测对于提高igbt可靠性至关重要。

目前，igbt的结温测量系统主要有三类。

第一类系统采用直接测量的原理，利用igbt模块内部植入的热电阻、热电偶或者二极管等热敏元件的温度，推测igbt芯片处的温度。因为芯片和热敏元件处的温度并不完全相同，并且热敏元件的对温度响应时间较长，动态性能较差。

第二类系统是非接触式的，采用热成像技术对igbt结温进行测量，这种方法能够获得较高的精度，但是需要破坏igbt的封装结构，具有破坏性，仅适用于实验室测量。

第三类系统利用器件本身的热敏感电参数测量结温。典型的热敏感电参数包括igbt的饱和压降、igbt的开通时的电压下降率、igbt的关断时电流下降率，米勒平台电压的峰值、igbt开通栅极电流的峰值、开通延迟时间和关断延迟时间等。基于测量igbt饱和压降的方法分为大电流注入法和小电流注入法，这两种方法都是在系统停止运行的间隙，向igbt中注入特定的电流值，根据饱和压降与结温的关系推测结温，不适合在线测量；基于栅极信号的测量或开通延迟时间的igbt结温测量系统，导致测量结果的灵敏度很低，准确性差。研究表明，igbt的关断延迟时间与结温之间的关系最为线性，灵敏度也最高。

现存的提取igbt关断延迟时间的方法，采集igbt栅极电压和集射极电压信号，分别与阈值做比较，得到关断延迟的起始和终止点的时刻。这种方法检测量多，外加电路需要极高的带宽。此外离线标定igbt关断延迟时间与集电极电流关系时，需要在特定的集电极电流下，测定结温与关断延迟时间的线性关系。

本发明的目的在于克服现有igbt结温检测方法的缺点，对igbt关断延迟时间与结温的关系进行线性化处理，建立其斜率与截距关于igbt集电极电流的函数模型。并利用时间数字转换技术，将时间信号转换为数字信号。该方法仅需采集发射极寄生电感上的感应电压和发射极电流，具有建模简单，容易测量，精度高等优点。

技术实现要素：

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种基于关断延迟时间的igbt结温检测系统与检测方法，利用igbt发射极寄生电感上的感应电压提取igbt的关断延迟时间，根据igbt关断延迟时间和igbt的集电极电流的关系，在线测量igbt结温。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于关断延迟时间的igbt结温检测系统，包括待测igbt模块，待测igbt模块分别连接一个igbt控制单元、一个电压vee采集单元、一个集电极电流采集单元和一个集射极电压采集单元；

所述待测igbt模块，作为测试对象，提供测试端口；

所述电压vee采集单元，用于采集待测igbt模块辅助发射极e与发射极e之间的电势差vee；

所述集电极电流采集单元，用于采集待测igbt模块的集电极电流ic；

所述集射极电压采集单元，用于采集待测igbt模块的集电极c与发射极e之间的电势差vce；

所述所述电压vee采集单元经一个起点时基比较器和终点时基比较器连接一个延迟时间测量单元；

所述起点时基比较器和终点时基比较器根据vee分别得到采集待测igbt模块的关断延迟阶段的起始与终止脉冲信号；

所述延迟时间测量单元，用于根据关断延迟阶段的起始与终止信息测量待测igbt模块的关断延迟时间；

所述igbt控制单元，用于控制待测igbt模块通断，控制集电极电流采集单元、集射极电压采集单元、延迟时间测量单元的工作；

所述集射极电压采集单元、集电极电流采集单元、延迟时间测量单元连接一个结温计算单元，用于数据处理，计算待测igbt模块的结温。

优选地，所述igbt控制单元与待测igbt模块相连，并与集电极电流采集单元、集射极电压采集单元和延迟时间计算单元相连。所述集电极电流采集单元和集射极电压采集单元分别采集待测igbt模块的发射极电流和待测igbt模块的集电极发射极电压；电压vee采集单元采集待测igbt模块的发射极与辅助发射极的电压，并和起点时基比较器、终点时基比较器相连；延迟时间测量单元接收起点时基比较器和终点时基比较器的输出；结温计算单元接收集电极电流采集单元、集射极电压采集单元的信号和延迟时间测量单元的输出。

优选地，所述电压vee采集单元，包括依次连接的电压衰减电路、电压跟随器及信号偏移电路。

优选地，所述集电极电流采集单元包括依次连接的电流传感器、整形电路及信号输出。

优选地，所述集射极电压采集单元包括依次连接的电压传感器、整形电路及信号输出。

优选地，所述关断延迟时间计算单元由时间数字转换器芯片实现。

一种基于关断延迟时间的igbt结温检测方法，采用本发明基于关断延迟时间的igbt结温检测系统进行操作，通过所述控制单元的控制操作流程包括以下步骤：

1)建立数据模型：在不超过igbt模块最大工作电压、最大工作电流以及最大运行结温的条件下设定运行工况；对于任一运行工况，其对应一组关于直流母线电压、igbt模块集电极电流以及igbt模块运行结温的数据，采集该运行工况下igbt模块功率发射极与辅助发射极两端之间的电压信号，并在igbt模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号两个幅值之间的时间差，即为关断延迟时间；

2)固定母线电压与集电极电流，改变igbt模块的结温并采集igbt的关断延迟时间，对关断延迟时间与结温的关系进行建模，求取特定母线电压与特定集电极电流条件下关断延迟时间关于igbt模块运行结温的变化率与截距；在不同集电极电流条件下，重复该步骤，进而建立特定母线电压下，关断延迟时间关于igbt模块运行结温的斜率与igbt模块集电极电流的相关性函数模型，关断延迟时间关于igbt模块运行结温的截距与igbt模块集电极电流的相关性函数模型；

3)在驱动电路控制igbt模块由导通状态切换至阻断状态之前，采集igbt模块集电极电流；在驱动电路控制igbt模块由导通状态切换至阻断状态时采集igbt模块功率发射极与辅助发射极两端之间的电压信号，并在igbt模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取该电压信号的两个峰值之间的时间差；进而根据igbt模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的igbt模块集电极电流以及关断延迟时间，通过函数模型计算或查表反推得到igbt模块的运行结温。

优选地，在所述步骤2)中，所述相关性函数模型由各直流母线电压下关断延迟时间关于igbt模块集电极电流以及igbt模块运行结温的有理函数组成；对于任一直流母线电压，则该直流母线电压下关于关断延迟时间、igbt模块集电极电流以及igbt模块运行结温的有理函数如下：

其中，a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2为常数，可由离线标定后的数据拟合得到。ic为igbt关断前的集电极电流，tj为igbt的结温，tdoff为igbt的关断延迟时间，斜率是指截距是指

本发明与现有技术相比较，具有如下突出实质性特点和显著优点：

1.本发明系统对igbt关断延迟时间与结温的关系进行线性化处理，建立其斜率与截距关于igbt集电极电流的函数模型，并利用时间数字转换技术，将时间信号转换为数字信号，本方法仅需要采集发射极寄生电感上的干声电压和集电极电流，具有建模简单，容易测量，精度高的优点。

2.本发明方法工艺简单，容易实现，具有十分明显的经济效益。

附图说明

图1为检测系统结构示意图。

图2为电压vee采集单元电路图。

图3为电流采集单元结构示意图。

图4为电压采集单元结构示意图。

图5为控制单元控制过程示意图。

图6为发射极寄生电感上感应电压产生机理示意图。

图7为不同集电极电流下tdoff＝f(tj)的线性关系图。

图8为不同集电极电流下tdoff＝f(tj)的线性关系的斜率图。

图9为不同集电极电流下tdoff＝f(tj)的线性关系的截距图。

具体实施方式

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种基于关断延迟时间的igbt结温检测系统，包括待测igbt模块1，待测igbt模块1分别连接一个igbt控制单元9、一个电压vee采集单元2、一个集电极电流采集单元3和一个集射极电压采集单元4；

所述待测igbt模块1，作为测试对象，提供测试端口；

所述电压vee采集单元2，用于采集待测igbt模块1辅助发射极e与发射极e之间的电势差vee；

所述集电极电流采集单元3，用于采集待测igbt模块1的集电极电流ic；

所述集射极电压采集单元4，用于采集待测igbt模块1的集电极c与发射极e之间的电势差vce；

所述所述电压vee采集单元2经一个起点时基比较器5和终点时基比较器6连接一个延迟时间测量单元7；

所述起点时基比较器5和终点时基比较器6根据vee分别得到采集待测igbt模块1的关断延迟阶段的起始与终止脉冲信号；

所述延迟时间测量单元7，用于根据关断延迟阶段的起始与终止信息测量待测igbt模块1的关断延迟时间；

所述igbt控制单元9，用于控制待测igbt模块1通断，控制集电极电流采集单元3、集射极电压采集单元4、延迟时间测量单元7的工作；

所述集射极电压采集单元4、集电极电流采集单元3、延迟时间测量单元7连接一个结温计算单元8，用于数据处理，计算待测igbt模块1的结温。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图2-图9，所述电压vee采集单元2，包括依次连接的电压衰减电路2-1、电压跟随器2-2及信号偏移电路2-3。所述集电极电流采集单元3包括依次连接的电流传感器3-1、整形电路3-2及信号输出3-3。所述集射极电压采集单元4包括依次连接的电压传感器4-1、整形电路4-2及信号输出4-3。所述关断延迟时间计算单元7由时间数字转换器芯片实现。

实施例三：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，参见图5，一种基于关断延迟时间的igbt结温检测方法，采用实施例一所述基于关断延迟时间的igbt结温检测系统进行操作，通过所述控制单元的控制操作流程包括以下步骤：

1)建立数据模型：

在不超过igbt模块最大工作电压、最大工作电流以及最大运行结温的条件下设定运行工况；对于任一运行工况，其对应一组关于直流母线电压、igbt模块集电极电流以及igbt模块运行结温的数据，采集该运行工况下igbt模块功率发射极与辅助发射极两端之间的电压信号，并在igbt模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号两个幅值之间的时间差，即为关断延迟时间；

2)固定母线电压与集电极电流，改变igbt模块的结温并采集igbt的关断延迟时间，对关断延迟时间与结温的关系进行建模，求取特定母线电压与特定集电极电流条件下关断延迟时间关于igbt模块运行结温的变化率与截距；在不同集电极电流条件下，重复该步骤，进而建立特定母线电压下，关断延迟时间关于igbt模块运行结温的斜率与igbt模块集电极电流的相关性函数模型，关断延迟时间关于igbt模块运行结温的截距与igbt模块集电极电流的相关性函数模型；

3)在驱动电路控制igbt模块由导通状态切换至阻断状态之前，采集igbt模块集电极电流；在驱动电路控制igbt模块由导通状态切换至阻断状态时采集igbt模块功率发射极与辅助发射极两端之间的电压信号，并在igbt模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取该电压信号的两个峰值之间的时间差；进而根据igbt模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的igbt模块集电极电流以及关断延迟时间，通过函数模型计算或查表反推得到igbt模块的运行结温。

实施例四：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在所述步骤2)中，所述相关性函数模型由各直流母线电压下关断延迟时间关于igbt模块集电极电流以及igbt模块运行结温的有理函数组成；对于任一直流母线电压，则该直流母线电压下关于关断延迟时间、igbt模块集电极电流以及igbt模块运行结温的有理函数如下：

其中，a1、b1、c1、d1、a2、b2、c2、d2为常数，可由离线标定后的数据拟合得到。ic为igbt关断前的集电极电流，tj为igbt的结温，tdoff为igbt的关断延迟时间，斜率是指截距是指

实施例五：

本实施例与前述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，如图1所示，一种基于关断延迟时间的igbt结温检测系统，包括：

待测igbt模块，作为测试对象，提供测试端口；

电压vee采集单元2，用于采集待测igbt模块1辅助发射极e与发射极e之间的电势差vee；

集电极电流采集单元3，用于采集待测igbt模块1的集电极电流ic；

集射极电压采集单元4，用于采集待测igbt模块1的集电极c与发射极e之间的电势差vce；

起点时基比较器5和终点时基比较器6根据vee分别得到采集待测igbt模块1的关断延迟阶段的起始与终止脉冲信号。

延迟时间测量单元7，用于根据关断延迟阶段的起始与终止信息测量待测igbt模块1的关断延迟时间；

igbt控制单元9，用于控制待测igbt模块1通断，控制集电极电流采集单元3、集射极电压采集单元4、延迟时间测量单元7的工作；

结温计算单元8，用于数据处理，计算待测igbt模块1的结温；

igbt控制单元9与待测igbt模块相连，并与集电极电流采集单元3、集射极电压采集单元4和延迟时间计算单元7相连。所述集电极电流采集单元3和集射极电压采集单元4分别采集待测igbt模块的发射极电流和待测igbt模块的集电极发射极电压；电压vee采集单元2采集待测igbt模块的发射极与辅助发射极的电压，并和起点时基比较器5、终点时基比较器6相连；延迟时间测量单元7接收起点时基比较器5和终点时基比较器6的输出；结温计算单元8接收集电极电流采集单元3、集射极电压采集单元4的信号和延迟时间测量单元7的输出；

如图2所示，所述电压vee采集单元2，所述电压vee采集单元2，包括依次连接的电压衰减电路2-1、电压跟随器2-2及信号偏移电路2-3；如图3所示，所述集电极电流采集单元3包括依次连接的电流传感器3-1、整形电路3-2及信号输出3-3；如图4所示，所述集射极电压采集单元4包括依次连接的电压传感器4-1、整形电路4-2及信号输出4-3；如图5所示，所述起点时基比较器单元5，包括依次连接的电压基准电路5-1和高速比较器5-2；如图6所示，所述终点时基比较器单元6，包括电压基准电路6-1和高速比较器6-2；如图7所示，所述关断延迟时间计算单元7可以由时间数字转换器芯片实现。

如图8所示，所述控制单元的控制流程包括以下步骤：

建立数据模型：在不超过igbt模块最大工作电压、最大工作电流以及最大运行结温的条件下设定运行工况；对于任一运行工况，其对应一组关于直流母线电压、igbt模块集电极电流以及igbt模块运行结温的数据，采集该运行工况下igbt模块功率发射极与辅助发射极两端之间的电压信号，并在igbt模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号两个幅值之间的时间差，即为关断延迟时间；固定母线电压与集电极电流，改变igbt模块的结温并采集igbt的关断延迟时间，对关断延迟时间与结温的关系进行建模，求取特定母线电压与特定集电极电流条件下关断延迟时间关于igbt模块运行结温的变化率与截距；在不同集电极电流条件下，重复该步骤，进而建立特定母线电压下，关断延迟时间关于igbt模块运行结温的斜率与igbt模块集电极电流的相关性函数模型，关断延迟时间关于igbt模块运行结温的截距与igbt模块集电极电流的相关性函数模型。

在线提取结温：在驱动电路控制igbt模块由导通状态切换至阻断状态之前，采集igbt模块集电极电流；在驱动电路控制igbt模块由导通状态切换至阻断状态时采集igbt模块功率发射极与辅助发射极两端之间的电压信号，并在igbt模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取该电压信号的两个峰值之间的时间差；进而根据igbt模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的igbt模块集电极电流以及关断延迟时间，通过函数模型计算或查表反推得到igbt模块的运行结温。

如图8所示，在igbt关断时，发射极寄生电感上感应出的电压的机理为，在关断的起始时刻由突然变化的ig在lek上感应得到，在igbt开始关断的时刻即关断延迟的终止时刻，由突然变化的集电极电流ic在lke上感应得到；

如图9所示igbt关断延迟时间tdoff与结温线性正相关。

不同集电极电流下其斜率和截距如图8和图9所示，分别可以用有理函数和拟合。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明基于关断延迟时间的igbt结温检测系统与检测方法的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。