一种功率半导体器件在线结温预估系统及方法

本发明属于一种预估系统及方法领域，特别是涉及一种功率半导体器件的在线结温状态预估系统及方法。

背景技术：

随着世界各国经济的不断发展，基于电力电子技术的能量变换装置与系统在全世界的各行各业都有了广泛的应用。例如，航空航天动力系统、变压变频调速系统、电能质量控制装置、智能轨道交通、新能源发电的并网发电系统、分布式独立电力系统、新能源电动汽车、大型钢铁冶炼控制系统、家用电器等领域。功率半导体器件在不同类型的系统中都是起到电能变换的作用，是所有电能变换装置的核心器件。

功率半导体器件igbt具有开关速度高、开关损耗小、输入阻抗高、通态压降低等优点，在实际的电力电子装置和系统中得到了广泛的应用。温度对于igbt失效有着重要的意义，温度每上升10℃，igbt的失效概率上升约一倍。由此可知研究功率半导体器件的结温对于提高功率半导体器件的寿命和保证电力电子装置和系统的安全性和可靠性具有重要的现实意义和价值。

目前的研究成果而言，功率半导体器件的结温提取可分为四个方向：直接提取法、光学非接触式提取法、电热模型预测法与热敏电参数法。直接提取法响应时间太长，不利于结温的实时性检测。光学非接触式提取法，无法真实检测出结温。电热模型法仅能预测某一特定模型下的结温变化，预测精度与计算时间的矛盾难以平衡。热敏电参数法指利用半导体物理器件自身与温度有对应关系的物理参数来间接获取结温。热敏电参数法包含静态热敏电参数法和动态热敏电参数。其中动态热敏电参数法近年引起了许多学者的研究，但是都没有找到易于提取热敏电参数的方法。如何实现基于关断过程中的功率损耗的功率半导体器件的结温在线预估系统及方法，这成为亟待解决的技术问题。

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，提供一种功率半导体器件在线结温预估系统及方法，该系统利用关断损耗作为器件结温预估的热敏电参数，实现对器件的结温预估，系统实施简易，准确性高。

关断损耗计算时间：为了便于后续关断损耗的计算，典型的做法，在一个关断过程中，取集电极电压上升至母线电压的10％的时刻作为关断起始时刻t1，取集电极电流下降至稳态电流的10％的时刻作为关断结束时刻t2，两者之间的时刻差值为关断损耗计算时间。

关断损耗eoff：指功率半导体器件在一个关断的过程中所消耗的能量，是集射极电压和集电极电流的乘积在器件关断过程内的积分，即如下ⅰ式：

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种功率半导体器件在线结温预估系统，系统包括器件电压-电流检测单元、器件关断损耗计算单元、集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元、器件结温预估单元和器件结温输出显示单元；

所述器件电压-电流检测单元，用于检测待测功率半导体器件的集射极电压、集电极电流信号；

所述器件关断损耗计算单元，用于计算功率半导体器件的关断损耗；

所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元，用于存储事先标定的功率半导体器件的集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库，同时将三维数据特征库输出到所述器件结温预测单元；

所述器件结温预估单元，用于将所述器件电压-电流采集单元得出的集电极电流数据、所述关断损耗计算单元得出的关断损耗数据与所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元进行对照，预估结温；

所述器件结温输出显示单元，用于对功率半导体器件的结温的结果做出输出显示；

所述器件电压-电流检测单元将电压、电流数据输出到所述器件关断损耗计算单元，并与所述器件关断损耗计算单元和集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元分别连接所述器件结温预估单元，所述器件结温预估单元对此三个单元的数据进行对照，预估结温，将结温结果传输到所述器件结温输出显示单元。

优选地，所述器件电压-电流检测单元，包括电压传感器、电流传感器、调理电路及数据输出单元；所述电压传感器、所述电流传感器与所述调理电路相连，所述调理电路与所述数据输出单元相连；所述电压传感器、所述电流传感器实时采集功率半导体器件电压和电流数据，经所述调理电路调理为具有实际意义、能被处理的电信号输出；经过所述调理电路的电信号通过所述数据输出单元输出到所述器件关断损耗单元。

优选地，所述器件关断损耗计算单元，包括依次连接的数据采集单元、模/数转换单元、数据处理单元及通信接口单元。所述器件关断损耗计算单元通过所述数据采集单元采集所述电压-电流检测单元的电压、电流数据，经过所述模/数转换单元对电压、电流数据进行模/数转换，将数据从模拟量转化为所述数据处理单元可识别的数字量，通过所述数据处理单元对数据进行处理，按照ⅰ式计算得出关断损耗，最后由所述通信接口单元传输到所述器件结温预估单元。

优选地，所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元，包括数据存储单元、数据输出单元；所述数据存储单元用于存储功率半导体器件在正常工作范围内，不同电流下待测功率半导体器件关断损耗与结温关系的三维数据特征库。集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库是基于功率半导体芯片的物理特性，在一定的集电极电流下，不同的关断损耗对应着不同的结温而得出的，反映的是：在待测功率半导体器件的正常工作范围内，不同集电极电流下，待测功率半导体器件的关断损耗与结温的关系；所述数据输出单元，用于调取所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库，并将所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库传输到所述器件结温预估单元。

优选地，所述器件结温预估单元包括依次连接的数据输入单元，数据处理单元及数据发送单元；数据输入单元用于接收所述器件电压-电流检测单元的集电极电流数据以及器件关断损耗计算单元的关断损耗数据和所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库，所述数据处理单元用于将者三项数据对比，预估器件结温；所述数据发送单元是将预估的器件结温数据发送到所述器件结温数据输出显示单元。

优选地，所述器件结温输出显示单元，包括通信接口单元、数据存储单元、数据显示单元。所述通信接口单元与所述器件结温预估单元、所述数据存储单元相连，用于接收结温数据并输出到所述数据存储单元；所述数据显示单元与所述数据存储单元相连，用于显示结温数据。

优选地，功率半导体器件在线结温预估系统，对功率半导体器件igbt进行在线结温预估，也适用于其他功率半导体器件的在线结温预估。

一种功率半导体器件在线结温预估系统，包括以下步骤：

步骤一，所述器件电压-电流检测单元实时采集功率半导体器件的集射极电压、集电极电流数据，并传输到所述器件关断损耗计算单元以及所述器件结温预估单元；

步骤二，所述器件关断损耗计算单元，根据所述器件电压-电流检测单元得到的电压、电流数据，经过所述数据采集单元、所述模/数转换单元、所述数据处理单元进行器件关断损耗的计算；

步骤三，所述器件结温预估单元，将所述器件电压-电流检测单元得到的集电极电流、所述器件关断损耗计算单元得到的开关损耗对照所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元进行查表，预估器件结温；

步骤四，所述器件结温输出显示单元，将器件结温预估单元输出的结温通过所述通信接口单元存储在所述数据存储单元，通过所述显示单元进行显示；

步骤五，重复执行步骤一至步骤四，循环预估功率半导体器件的结温。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明利用可计算的关断损耗，对功率半导体器件进行结温参数的预估，既不会破坏器件的内部结构，也不会对待测功率半导体器件的安全性存在潜在威胁，同时避开复杂的数学模型，使得本发明的系统实施起来简便又可靠；

2.本发明提出建立待测功率半导体器件的集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库，从多个维度研究与功率半导体器件结温相关的特征参数，并基于三维数据库特征在线预估功率半导体器件的结温。

附图说明

图1为在线结温预估系统结构示意图；

图2为器件电压-电流检测单元的结构示意图；

图3为器件关断损耗计算单元的结构示意图；

图4为集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元；

图5为器件结温预估单元；

图6为器件结温输出显示单元。

具体实施方式

为了更好地说明本发明，以便于理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应理解，下述的实施实例仅用于说明本发明，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

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1，一种功率半导体器件在线结温预估系统,包括器件电压-电流检测单元1、器件关断损耗计算单元2、集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元3、器件结温预估单元4和器件结温输出显示单元5；

所述器件电压-电流检测单元1，用于检测并提供待测功率半导体器件的电压、电流信号；

所述器件关断损耗计算单元2，用于计算功率半导体器件的关断损耗。

所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元3，用于存储事先标定的功率半导体器件的集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库；

所述器件结温预估单元4，用于将所述器件关断损耗计算单元得出的关断损耗数据、所述器件电压-电流采集单元获得的集电极电流数据与所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元进行查表，预估结温；

所述器件结温输出显示单元5，用于对功率半导体器件的结温做出输出显示；

所述器件电压-电流检测单元1与所述器件关断损耗计算单元2相连；所述器件电压-电流检测单元1、所述器件关断损耗计算单元2、所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元3分别与所述器件结温预估单元4相连；所述器件结温预估单元4与所述器件结温输出显示单元相连5。

本发明系统利用关断损耗作为器件结温预估的热敏电参数，实现对器件的结温预估，系统实施简易，准确性高。

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，如图2所示，所述器件电压-电流检测单元1包括电压传感器1-1、电流传感器1-2、调理电路1-3及数据输出单元1-4；

所述电压传感器1-1、所述电流传感器1-2实时采集器件的集射极电压、集电极电流数据，经所述调理电路1-3调理为具有实际意义、可被处理的电信号输出，经过所述调理电路1-3的电信号通过所述数据输出单元1-4传输到所述器件关断损耗计算单元2。

为了便于捕获待测功率半导体器件快速变化的开关过程，电压传感器1-1、电流传感器1-2优先选用高精度、高保真、高带宽的电压电流传感器。对于高精度的电压电流传感器，电压、电流检测误差一般应小于1％额定值。

如图3所示，所述器件关断损耗计算单元2，包括依次连接的所述数据采集单元2-1、所述模/数转换单元2-2、所述数据处理单元2-3及所述通信接口单元2-4；

所述器件电压-电流检测单元1得到的集射极电压和集电极电流数据，经过所述数据采集单元2-1、所述模/数转换单元2-2，实现数据的采集和模/数转换,将数据从模拟量转化为所述数据处理单元2-3可识别的数字量，并对电压和电流的波形进行处理获取器件关断损耗计算时间，再根据关断损耗计算公式ⅰ，计算出器件的关断损耗；所述通信接口单元2-4将计算出的关断损耗输出给所述结温预估单元4。

如图4所示，所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元3包括依次连接的数据存储单元3-1及数据输出单元3-2；所述数据存储单元3-1存储标定好的集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库；三维数据特征库可以在待测功率半导体器件的正常工作范围内通过一系列脉冲测试标定来预先得到，例如，在一定的集电极电流下，不同的关断损耗对应着不同的结温，由此可得出标定下的集电极-关断损耗-结温三维数据特征库；所述数据输出单元3-2用于将三维数据特征库传输到所述器件结温预估单元4。

如图5所示，所述器件结温预估单元4包括依次连接所述数据输入单元4-1、所述数据处理单元4-2及所述数据发送单元4-3；所述数据采集单元4-1采集所述器件电压-电流检测单元1检测的集电极电流、所述器件关断损耗计算单元2计算的关断损耗，经过数据处理单元4-2将所采集的数据对照所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元3进而预估器件的结温，通过所述数据发送单元4-3将结温数据发送给所述器件结温输出显示单元5。

如图6所示，所述器件结温输出显示单元5，包括通信接口单元5-1、数据存储单元5-2、数据显示单元5-3；所述通信接口单元5-1将所述器件结温预估单元4得出的结温数据通过所述数据存储单元5-2储存，并通过所述显示单元5-3进行显示。

本实施例利用可计算的关断损耗，对功率半导体器件进行结温参数的预估，既不会破坏器件的内部结构，也不会对待测功率半导体器件的安全性存在潜在威胁，同时避开复杂的数学模型，使得本发明的系统实施起来简便又可靠。

实施例三：

本实施例与上述实施例基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，一种功率半导体器件在线结温预估方法，采用上述系统进行操作，包括以下操作步骤：

步骤一，所述器件电压-电流检测单元1实时采集、传输功率半导体器件的集射极电压、集电极电流数据，送入器件关断损耗计算单元2以及所述器件结温预估单元4；

步骤二，所述器件关断损耗计算单元2根据所述采集单元数据2-1采集的集射极电压和集电极电流，经过所述模/数转换单元2-2、所述数据处理单元2-3进行器件关断损耗的计算，并将计算结果经过所述通信接口单元2-4传输到所述结温预估单元4；

步骤三，所述器件结温预估单元4中,所述器件数据输入单元4-1完成对所述器件电压-电流检测单元1得到的集电极电流、所述器件关断损耗计算单元2得到的开关损耗、所述集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元3数据输入到所述数据处理单元4-2；经过所述数据处理单元4-2的数据处理，将预估的结温数据经过数据发送单元4-3，发送到所述器件结温输出显示单元5。

步骤四，所述器件结温输出显示单元5，将所述器件结温预估单元4输出的结温数据通过所述通信接口单元5-1、并存储在所述数据存储单元5-2，通过所述显示单元5-3进行显示。

步骤五，重复执行步骤一至步骤四，循环预估功率半导体器件的结温。

本实施例功率半导体器件在线结温预估方法，采用的系统包括器件电压-电流检测单元、器件关断损耗计算单元、集电极电流-关断损耗-结温三维数据特征库单元、器件结温预估单元，器件结温输出显示单元。本发明采用器件单个关断过程中的能量损耗作为结温预测的特征参数，通过对关断损耗的提取，可准确地实现结温在线预测，为器件的可靠性分析提供支持和保障。本发明方法具有实施简易、侵入性低、准确度高等优点。

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，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。