一种IGBT热阻测量电路和装置的制作方法

本实用新型涉及电力系统输电技术领域，尤其涉及一种igbt热阻测量电路和装置。

背景技术：

功率子模块是模块化多电平换流器系统(modularmultilevelconverter，mmc)最小的储能和功率变换单元，其核心功率器件为绝缘栅双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)，同时也是子模块运行时主要的发热器件。根据器件手册可知，igbt有最大工作结温限制，为了避免igbt因过负荷而导致器件发热过高失效，需要对其结温进行实时监测，以便对其配置相应的过热保护措施。igbt器件的结温主要受热阻和本身功率损耗的影响，在已知功率损耗的情况下，准确测量igbt的热阻对于准确计算igbt的结温具有十分重要的意义。

目前热阻抗主要提取方法有红外扫描法、有限元仿真方法等。采用红外扫描法需要对模块进行破坏性开封处理，且由于芯片表面温度的不均匀分布，致使测量结温与实际温度之间误差大，造成所测热阻偏差较大。有限元分析方法强烈依赖于igbt物理结构和各层导热特征参数，而相关参数不易获取，且仿真分析时间较长，求解繁琐。

技术实现要素：

本实用新型实施例的目的是提供一种igbt热阻测量电路和装置，能有效测量igbt的热阻，且该测量过程简单方便，准确性较高。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种igbt热阻测量电路，包括：第一igbt器件、第二igbt器件、第三igbt器件、负载电抗、门极电压触发单元、管压降测量单元和测量电流源；其中，

被测igbt器件的发射极与所述第一igbt器件的集电极连接；所述被测igbt器件的集电极与所述第二igbt器件的集电极连接；所述第二igbt器件的发射极与所述第三igbt器件的集电极连接，所述第一igbt器件的发射极与所述第三igbt器件的发射极连接；

所述被测igbt器件的发射极还与所述负载电抗的第一端连接，所述负载电抗的第二端与所述第二igbt器件的发射极连接；

所述被测igbt器件、第一igbt器件、第二igbt器件和第三igbt器件的门极与所述门极电压触发单元的正极连接，所述被测igbt器件、第一igbt器件、第二igbt器件和第三igbt器件的发射极与所述门极电压触发单元的负极连接；所述测量电流源的正极与所述被测igbt的集电极连接，所述测量电流源的负极与所述被测igbt器件的发射极连接；所述管压降测量单元并联于所述被测igbt器件的集电极和发射极。

作为上述方案的改进，所述igbt热阻测量电路还包括第一直流电容和第二直流电容；

所述第一直流电容的第一端与所述被测igbt器件的集电极连接，所述第一直流电容的第二端与所述第一igbt器件的发射极连接；所述第二直流电容的第一端与所述第二igbt器件的集电极连接，所述第二直流电容的第二端与所述第三igbt器件的发射极连接。

作为上述方案的改进，所述第一igbt器件、第二igbt器件和第三igbt器件的型号均与所述被测igbt器件的型号相同。

作为上述方案的改进，所述测量电流源提供的电流值为所述被测igbt器件的额定电流的千分之一。

作为上述方案的改进，所述igbt热阻测量电路还包括补能电源；所述补能电源的第一端与所述被测igbt器件的集电极连接，所述补能电源的第二端与所述第一igbt器件的发射极连接。

作为上述方案的改进，所述igbt热阻测量电路还包括第一二极管；

则，所述测量电流源的正极与所述被测igbt器件的集电极连接具体为：所述测量电流源的正极与所述第一二极管的正极连接后，由所述第一二极管的负极与所述被测igbt器件的集电极连接。

作为上述方案的改进，所述igbt热阻测量电路还包括第一开关和第二开关；所述第一开关连接于所述被测igbt器件的集电极与所述第二igbt器件的集电极之间；所述第二开关连接于所述被测igbt器件的发射极与所述第一igbt器件的集电极之间。

本实用新型实施例还提供了一种igbt热阻测量装置，包括如上述任一项所述的igbt热阻测量电路。

与现有技术相比，本实用新型公开的一种igbt热阻测量电路和装置，能够测量被测igbt器件的结温校准曲线，并根据所述结温校准曲线，进一步测量和计算得到所述被测igbt的热阻，以便于所述被测igbt在投入实际工程运行过程中，仅检测被测igbt的实际功率损耗和实际表面温度，即可根据所述被测igbt器件的热阻，计算得到被测igbt器件在投入实际工程运行过程中的的实时结温。本实用新型实施例所述提供的igbt热阻测量电路和装置，能够简单且准确地测量所述被测igbt器件的热阻，且该测量过程简单方便，准确性较高，对准确计算运行过程中igbt的实时结温具有十分重要的意义。

附图说明

图1是本实用新型实施例一中一种igbt热阻测量电路的结构示意图；

图2是本实用新型实施例二中一种优选的igbt热阻测量电路的结构示意图；

图3是本实用新型实施例三中igbt热阻测量电路中的校准曲线测试电路的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，是本实用新型实施例一中一种igbt热阻测量电路的结构示意图。本实用新型实施例所提供的一种igbt热阻测量电路10，包括：第一igbt器件t1、第二igbt器件t2、第三igbt器件t3、负载电抗l、门极电压触发单元vge、管压降测量单元vce和测量电流源im。

将需要测量热阻的igbt器件作为被测igbt器件，连接于所述igbt热阻测量电路10中。具体地，所述被测igbt器件的发射极与所述第一igbt器件t1的集电极连接；所述被测igbt器件的集电极与所述第二igbt器件t2的集电极连接；所述第二igbt器件t2的发射极与所述第三igbt器件t3的集电极连接，所述第一igbt器件t1的发射极与所述第三igbt器件t3的发射极连接。

所述被测igbt器件的发射极还与所述负载电抗的第一端连接，所述负载电抗的第二端与所述第二igbt器件的发射极连接。

作为优选的实施方式，所述igbt热阻测量电路还包括第一直流电容c1和第二直流电容c2。所述第一直流电容c1的第一端与所述被测igbt器件的集电极连接，所述第一直流电容c1的第二端与所述第一igbt器件t1的发射极连接；所述第二直流电容c2的第一端与所述第二igbt器件t2的集电极连接，所述第二直流电容c2的第二端与所述第三igbt器件t3的发射极连接。

在本实用新型实施例中，所述被测igbt器件、第一igbt器件t1和第一直流电容c1的连接结构构成一个半桥功率子模块，所述第二igbt器件t2、第二igbt器件t3和第二直流电容c2的连接结构也构成一个半桥功率子模块。直流电容c1和c2的作用是维持直流电压。两个半桥功率子模块之间通过负载电抗l连接，从而构成一个对拖电路结构。

进一步地，所述被测igbt器件、第一igbt器件t1、第二igbt器件t2和第三igbt器件t3的门极与所述门极电压触发单元vge的正极连接，所述被测igbt器件、第一igbt器件t1、第二igbt器件t2和第三igbt器件t3的发射极与所述门极电压触发单元vge的负极连接；所述测量电流源im的正极与所述被测igbt器件的集电极连接，所述测量电流源im的负极与所述被测igbt器件的发射极连接；所述管压降测量单元vce并联于所述被测igbt器件的集电极和发射极。

需要说明的是，本实用新型实施例附图中仅描述了被测igbt器件与所述门极电压触发单元vge之间的连接关系，但所述第一igbt器件t1、第二igbt器件t2和第三igbt器件t3的门极也需要与门极电压触发单元vge连接，以实现igbt器件的导通和关断。

其中，门极电压触发单元vge用于触发所述被测igbt的导通和关断状态，测量电流源im用于为所述被测igbt提供一个运行电流im，管压降测量单元vce用于测量所述被测igbt的管压降vcesat。

优选地，所述igbt热阻测量电路还包括第一二极管；则，所述测量电流源的正极与所述被测igbt器件的集电极连接具体为：所述测量电流源的正极与所述第一二极管的正极连接后，由所述第一二极管的负极与所述被测igbt器件的集电极连接。

需要说明的是，所述第一igbt器件、第二igbt器件和第三igbt器件的型号规格均与所述被测igbt器件的型号规格相同，以保证所述对拖电路的功能的实现。

在本实用新型实施例中，利用所述igbt热阻测量电路进行igbt热阻的测量方法具体为：将所述被测igbt器件作为所述半桥功率子模块中的一个igbt器件，以第一igbt器件t1、第二igbt器件t2和第三igbt器件t3作为陪测igbt器件。在测量所述被测igbt器件的热阻的过程中，向所述负载电抗l上通入负载电流ia，所述负载电流ia为交流电流，参见图1，设定从左到右为电流正方向。通过控制所述门极电压触发单元vge发出第一触发信号，以导通所述被测igbt器件和每一所述陪测igbt器件。则当所述负载电抗的负载电流ia为正时，会在所述被测igbt器件上产生功率损耗，从而在所述被测igbt器件上产生负载电流il。当所述负载电抗的负载电流ia为负时，被测igbt器件上无电流。通过控制负载电流ia的幅值和频率，以使所述igbt器件处于稳定的预设功率损耗p0下，同时保证所述被测igbt器件的环境温度不变，以使所述被测igbt的表面温度不变。在一定时间后，所述被测igbt器件处于热平衡状态，就形成了稳定的结温接着，控制所述门极电压触发单元vge发出第二触发信号，以关断所述被测igbt器件和每一所述陪测igbt器件。此时，被测igbt器件上的负载电流il因直流电容c1的直流电压uc反向而迅速关断。待所述被测igbt器件上的负载电流il降为零后，迅速控制所述门极电压触发单元vge发出第三触发信号，以导通所述被测igbt器件，并同时控制所述测量电流源im向所述被测igbt通入电流值较小的预设测量电流im，由于所述预设测量电流im的电流值较小，被测igbt器件在所述预设测量电流下不会产生热量，但仍产生压降，控制所述管压降测量单元vec测量所述被测igbt器件在所述预设测量电流下的饱和正向压降ucesat。

需要说明的是，所述预设测量电流im需足够小，优选地，所述预设测量电流im的值取为所述igbt额定电流in的千分之一，也即im＝0.0001in。

接着，根据事先设置的结温校准曲线vcesat＝f(tj，im)，查找所述管压降ucesat对应的结温值，即可得到所述被测igbt当前的结温tj0。需要说明的是，所述结温校准曲线为采用所述igbt热阻测量电路预先测试得到的，其记录了在不同结温下，所述igbt器件的管压降与结温之间的对应关系。

最后，测量所述被测igbt当前状态下的表面温度根据所述结温表面温度和所述预设功率损耗p0，通过热阻计算公式即可计算得到所述被测igbt的热阻zth,jc。

采用本实用新型实施例的技术手段，对所述被测igbt器件施加一定的负载电流il，使所述被测igbt器件处于稳定的功率损耗的条件下，最终使所述igbt形成稳定的结温。接着将负载电流il降为所述预设测量电流im，测量所述被测igbt的饱和正向压降，并根据预先获取的被测igbt器件的结温校准曲线推导出当前的结温，再检测被测igbt器件当前的表面温度，即可计算得到所述被测igbt的热阻，以便于所述被测igbt在投入实际工程运行过程中，仅检测被测igbt的实际功率损耗和实际表面温度，即可根据所述被测igbt器件的热阻，计算得到被测igbt器件在投入实际工程运行过程中的实时结温。本实用新型实施例所述提供的igbt热阻测量电路，能够简单且准确地测量所述被测igbt器件的热阻，且该测量过程简单方便，准确性较高。

作为优选的实施方式，参见图2，是本实用新型实施例二中一种优选的igbt热阻测量电路的结构示意图。本实用新型实施例二提供的igbt热阻测量电路在上述实施例一的基础上实施，所述igbt热阻测量电路还包括补能电源；所述补能电源的第一端与所述被测igbt器件的集电极连接，所述补能电源的第二端与所述第一igbt器件的发射极连接。

在本实用新型实施例中，通过在所述对拖电路两端并联一个补能电源，用于补充所述热阻测试电路中被测igbt产生的损耗。由于被测igbt在关断以及导通的过程中会产生损耗发热，如果没有补能电路，电容c1两端电压会逐渐降为0，将影响所述igbt热阻测量电路的正常运行。

作为更优选的实施方式，参见图2，所述igbt热阻测量电路还包括第一开关s1和第二开关s2；所述第一开关s1设于所述被测igbt器件的集电极与所述第二igbt器件的集电极之间；所述第二开关s2设于所述被测igbt器件的发射极与所述第一igbt器件的集电极之间。

当断开所述第一开关s1和第二开关s2断开时，由所述被测igbt器件和门极电压触发单元vge、管压降测量单元vce和测量电流源im所构成的电路结构单独形成校准曲线测试电路，可用于获取所述结温校准曲线vcesat＝f(tj，im)。

参见图3，是本实用新型实施例三中igbt热阻测量电路中的校准曲线测试电路的结构示意图。其中，门极电压触发单元vge用于触发所述被测igbt的导通和关断状态，测量电流源im用于为所述被测igbt提供一个运行电流im，管压降测量单元vce用于测量所述被测igbt的管压降vcesat。

在本实用新型实施例中，当断开所述第一开关s1和第二开关s2断开时，所述被测igbt器件仅连接于所述校准曲线测试电路中。调节所述被测igbt所处的环境温度，从而使所述被测igbt处于不同的结温tj下。通过所述校准曲线测试电路测量所述被测igbt在不同结温下的管压降vcesat，从而形成关于vcesat-tj的校准曲线。

作为举例，在一种实施方式下，将所述被测igbt器件装在加热温箱中，预先确定一组环境温度t1、t2、…、tn，其中，t1至tn均小于所述被测igbt的最大工作温度。通过将所述加热温箱调整至不同的温度t1、t2、…、tn，并保持一定的时间，以使所述被测igbt器件的结温与所述加热温箱的温度一致，以便于将所述加热温箱的温度作为所述被测igbt器件的结温。

先将所述加热温箱的温度调整为t1，并保持一定时间。接着，控制所述门极电压触发单元vge发出触发信号，以使所述被测igbt器件导通，同时控制所述测量电流源im向所述被测igbt器件通入一个电流值很小的预设测量电流im。最后，控制所述管压降测量单元vce测量所述被测igbt器件在结温t1下的管压降vcesat1，记录所述igbt的结温t1与管压降vcesat1。通过调整所述加热温箱的温度，在不同温度下重复上述测量操作，记录得到所述被测igbt的n组结温与管压降的对应关系，从而形成所述结温校准曲线vcesat＝f(tj，im)。

优选地，所述预设测量电流im的值取所述igbt额定电流in的千分之一，也即im＝0.0001in。

采用本实用新型实施例的技术手段，让被测igbt通过很小的测量电流，通过改变加热温箱的环境温度，使被测igbt处于不同的结温下，从而形成vcesat＝f(tj，im)的结温校准曲线。之后，将所述第一开关s1和第二开关s2闭合，即可得到完整的igbt热阻测量电路，用于实施如实施例一或二中所述的igbt热阻测量方法。

采用本实用新型实施例的技术手段，通过调整第一开关s1和第二开关s2的断开和闭合，以分别形成结温校准曲线测试电路和完整的igbt热阻测量电路，通过两个测试电路的配合，最终完成对被测igbt器件的热阻的测量，从而在所述被测igbt器件投入实际运行过程中，完成对被测igbt器件的实时结温的测量，以便在电力系统中配置相应的过热保护措施。

本实用新型实施例三提供的一种igbt热阻测量电路，能够测量被测igbt器件的结温校准曲线，并根据所述结温校准曲线，进一步测量和计算得到所述被测igbt的热阻，以便于所述被测igbt在投入实际工程运行过程中，仅检测被测igbt的实际功率损耗和实际表面温度，即可根据所述被测igbt器件的热阻，计算得到被测igbt器件在投入实际工程运行过程中的的实时结温。本实用新型实施例所述提供的igbt热阻测量电路和装置，能够简单且准确地测量所述被测igbt器件的热阻，且该测量过程简单方便，准确性较高，对准确计算运行过程中igbt的实时结温具有十分重要的意义。

本实用新型实施例四提供了一种igbt热阻测量装置，包括如上述实施例一至三任一项所述的igbt热阻测量电路。其中，所述igbt热阻测量电路的具体结构和实现的有益效果可以参考上述实施例的相关说明，在此不再赘述。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本实用新型的保护范围。