功率器件通态电阻测量电路及结温测量方法、系统

1.本发明涉及电力电子系统核心功率器件可靠性领域，特别是一种功率器件通态电阻测量电路及结温测量方法、系统。


背景技术：

2.作为新一代宽禁带半导体功率器件，sic-mosfet功率模块具有高压、高频、高功率密度等优点，在现有的功率器件当中脱颖而出，具有广阔的应用前景。然而，随着sic-mosfet功率模块的应用越来越广泛，它在长期运行中的可靠性问题也逐渐成为业界关注的重点。sic-mosfet功率模块可靠性以及寿命与其内部芯片的结温有密不可分的关系，模块内部结温不断波动引起的热应力循环成为导致器件老化失效的主要原因。sic-mosfet功率模块的结温在线实时测量是其可靠性评估、性价比提升、主动热控制以及状态监测的基础。
3.现有结温测量方法主要包括光学非接触式测量、物理接触式测量、热网络预测法、有限元法、热敏感电参数法。其中光学法需要打开模块的封装，侵入性强且不适用于现场应用；物理接触式测量成本较低，但是响应时间较长，准确度低；热网络法应用时面临的困难是器件老化导致热网络参数偏置，测量结果会产生误差；热敏感电参数法是利用便于测量的外部电气参数对功率模块的结温进行提取监测，无需改变模块封装结构，并具有高速响应能力与强在线能力，因其低成本、高响应速度、非侵入性等优点被广泛应用。
4.从线性度、灵敏度、电热耦合量、在线测量能力、测量复杂程度等方面进行综合比较，以关断延迟时间、开通电流变化率等参数为代表的动态热敏感电参数存在较多电热耦合量，离线标定和在线测量环节较为复杂；阈值电压等静态热敏感电参数存在芯片个体差异显著问题，且老化漂移现象严重，为标定环节带来困难；通态电阻以其高线性度、高灵敏度和强在线能力的优势能够在电力电子系统中进行高效的结温测量与监测。通态电阻法的应用难关键点主要在于降低测量误差、提高测量分辨率、建立高精度的结温测量模型，解决宽量程与高精度、高频开关与慢速响应之间的矛盾，避免测量环节过于复杂，以实现高测量精度、高动态响应测量。
5.现有技术中，通过图示仪、示波器等测量工具测量通态电阻，这种测量方法存在分辨率不足、响应速度低的问题，不能保证测量的高精度和高响应。
6.传统结温测量方法通过离线校正环节建立温度-通态电阻曲线，但采用传统最小二乘法等拟合方式得到的曲线函数式并不能满足高精度要求。通态电阻法的应用关键点主要在于解决宽量程与高精度、高频开关与慢速响应之间的矛盾，虽然采用神经网络等智能算法可以对模型曲线进行优化，但sic-mosfet功率模块的高压高频工作特性增加了通态电阻测量的难度，存在测量精度低、响应速度慢等问题，这会导致结温测量结果出现较大偏差，且会影响结温测量的在线能力，无法从根本上弥补精度低、在线能力差等缺陷。


技术实现要素：

7.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种功率器件通态电阻
测量电路及结温测量方法、系统，提高通态电阻测量精度和响应速度。
8.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种功率器件通态电阻测量电路，包括：
9.微电流源，用于向高压阻塞模块提供导通电流；
10.高压阻塞模块，第一输入端与所述微电流源输出端连接，第二输入端与待测功率器件漏极连接；
11.运算放大器，与所述高压阻塞模块的输出端连接，用于计算待测功率器件导通压降的测量值。
12.待测器件处于关断状态时，高压阻塞模块阻塞百伏级电压，缩短测量量程，有效提高测量精度；待测器件处于导通状态时，所述微电流源向高压阻塞模块提供导通电流，待测器件的通态电参数高速高精度地传递到运算放大器输入端，保障测量结果的准确度；待测器件处于高频切换状态时，通态电阻测量电路的宽频带、高电压摆率特性满足测量的高频需求，保障测量的高速响应。因此，本发明的通态电阻测量电路可以有效解决现有技术中宽量程与高精度的矛盾，规避高频开关与慢速响应之间的矛盾，保障通态电阻测量的高精度、高动态响应能力。
13.本发明中，所述微电流源包括第一电压源；所述第一电压源接第一三极管发射极、第三三极管发射极连接；所述第一三极管基极与所述第三三极管基极连接；所述第一三极管基极、第三三极管基极、第一三极管集电极均与第二三极管发射极连接；所述第三三极管集电极与第四三极管发射极连接；所述第二三极管基极与所述第四三极管基极连接；所述第二三极管基极、第四三极管基极、第二三极管集电极均与第一分压电阻一端连接，所述第一分压电阻另一端接地；所述第四三极管集电极与第二分压电阻一端连接；所述第二分压电阻另一端接所述高压阻塞模块第一输入端。当待测器件(即待测功率器件)处于通态时，微电流源输出电流流经高压二极管与待测器件流入参考地，即待测器件的源极。
14.本发明中，考虑到微电流源主要功能是向高压阻塞模块提供导通电流，为降低测量环节损耗，要求导通电流为毫安级。微电流源采用镜像电流源的拓扑结构，具有较好的对称性，可以通过调节分压电阻对输出电流进行控制，结构简单，且能够保证微电流源输出电流的稳定，具有较好的温度补偿特性。
15.本发明中，所述高压阻塞模块包括第一二极管；所述第一二极管阳极接所述微电流源输出端；所述第一二极管阴极接待测功率器件漏极和运算放大器。通过高耐压的第一二极管阻塞器件关断时的百伏级电压，以缩短测量量程提高精度。
16.本发明中，考虑到第一二极管正向导通压降对测量结果的影响，为消除这种影响，所述第一二极管阴极与所述待测功率器件漏极之间接有第二二极管；所述第二二极管的阴极接所述待测功率器件漏极；所述第二二极管阳极接所述第一二极管阴极和所述运算放大器。
17.本发明中，由于待测器件处于高频开关状态，导通与关断过程会出现电压尖峰，对运放(运算放大器)输入端产生冲击，损坏器件，降低运行可靠性，因此，为防止运算放大器输入端电压超过正常工作范围，所述高压阻塞模块的输出端与所述运算放大器之间接有钳位电路。
18.所述钳位电路包括第三二极管和第四二极管；所述第三二极管阴极、第四二极管
阳极均与所述高压阻塞模块的输出端连接；所述第三二极管阳极接地；所述第四二极管阴极接第二电压源。本发明的钳位电路采用二极管限制输入电压，使运放工作在正常范围内，结构简单，可靠性高。
19.所述运算放大器输出端与ad采样调理模块连接；所述ad采样调理模块输出通态电阻测量值r
on
＝(2v
a-vb)/i
ds
，其中va为前述第一二极管阴极电压，vb为前述微电流源输出端电压，i
ds
为负载电流。
20.本发明还提供了一种功率器件结温在线实时测量方法，包括以下步骤：
21.s1、利用上述通态电阻测量电路获取给定温度、给定负载电流下功率器件通态电阻的样本数据；
22.s2、对所述样本数据进行归一化处理；
23.s3、利用归一化处理后的样本数据构建训练集；
24.s4、将训练集中待测功率器件导通时的通态电阻r
on
与负载电流i
ds
作为输入变量，待测功率器件的结温tj作为输出变量，训练全连接bp神经网络，得到结温测量模型。
25.本发明可以对通态电阻进行实时测量，能够在电力电子系统运行过程中在线实时测量功率模块(功率器件)的结温，能够真实、准确地反映功率模块的结温波动。
26.所述通态电阻的样本数据获取过程包括：
27.1)将待测功率器件放入恒温箱，并静置设定时间，使待测功率器件达到热平衡，视为待测功率器件结温tj与给定温度一致；
28.2)使待测功率器件运行于各个电流等级下，通过所述通态电阻测量电路测量各工况下待测功率器件的通态电阻r
on
和负载电流i
ds
；
29.3)改变恒温箱内的给定温度值，重复步骤1)和步骤2)，得到不同给定温度、不同给定负载电流下功率器件的通态电阻。
30.上述样本数据的获取属于非侵入性过程，不影响待测器件的实际工程应用，可以在电力电子系统的正常运行的同时获取样本数据，为结温提取的在线性、实时性奠定了基础。
31.本发明还提供了一种功率器件结温在线实时测量系统，包括存储器、处理器及存储在存储器上的计算机程序；所述处理器执行所述计算机程序，以实现本发明上述测量方法的步骤。
32.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明可以对功率模块的通态电阻进行实时提取，能够在电力电子系统运行过程中在线实时测量功率模块的结温。通过通态电阻测量模块解决测量设备宽量程与高精度之间的矛盾，同时保证测量的高速响应能力，实现了高精度、高响应能力的通态电阻测量；通过单脉冲标定环节得到通态电阻和负载电流等热敏参数的数据，进而通过全连接神经网络预测模型建立结温在线测量模型；实时采集通态电阻和负载电流，并将其输入至结温在线测量模型中，通过上位机界面实时显示出结温波动情况，实现了高精度结温在线实时测量。本发明能够真实、准确地反映功率模块，尤其是sic-mosfet功率模块的结温波动，为功率模块的可靠性评估、寿命预测及健康管理提供重要依据，有利于保证电力电子系统的可靠运行，通用性强。
附图说明
33.图1是本发明实施例1中结温在线实时测量系统中通态电阻测量模块的电路图；
34.图2是本发明实施例2中结温在线实时测量系统的结构示意图；
35.图3是本发明实施例2中结温在线实时测量系统的控制模块框图；
36.图4是本发明实施例3中结温在线实时测量系统中结温模型搭建模块的神经网络训练流程图；
37.图5是本发明实施例3中基于全连接神经网络的结温模型可视化曲面；
38.图6是本发明实施例3中sic-mosfet功率模块结温实时监测界面；
39.图7是本发明实施例3中结温在线实时测量系统实测结温与仿真结温的对比。
具体实施方式
40.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本文中，术语“第一”、“第二”和其它类似词语并不意在暗示任何顺序、数量和重要性，而是仅仅用于对不同的元件进行区分。在本文中，术语“一”、“一个”和其它类似词语并不意在表示只存在一个所述事物，而是表示有关描述仅仅针对所述事物中2的一个，所述事物可能具有一个或多个。在本文中，术语“包含”、“包括”和其它类似词语意在表示逻辑上的相互关系，而不能视作表示空间结构上的关系。例如，“a包括b”意在表示在逻辑上b属于a，而不表示在空间上b位于a的内部。另外，术语“包含”、“包括”和其它类似词语的含义应视为开放性的，而非封闭性的。例如，“a包括b”意在表示b属于a，但是b不一定构成a的全部，a还可能包括c、d、e等其它元素。
42.实施例1
43.图1是本发明实施例1提供的结温在线实时测量系统的通态电阻测量模块50的电路图，包括：微电流源部分501(微电流源)、高压阻塞部分502(高压阻塞模块)、钳位部分503(钳位电路)、运算部分504。
44.具体地，微电流源部分501通过镜像电流源向高压阻塞二极管提供导通电流，主要由电压源v
ss
、第一～第四三极管t1、t2、t3、t4和分压电阻r1(第一分压电阻)、r2(第二分压电阻)构成。其中，当待测器件处于断态时，微电流源输出电流流经高压二极管d
1b
、钳位二极管d
2b
，与钳位部分的电压源v
dd
形成电流回路；当待测器件处于通态时，微电流源输出电流流经高压二极管d
1a
(第一二极管)、d
1b
(第二二极管)与待测器件流入参考地。其中，在本实施例的电路中参考地为待测器件的源极。高压阻塞部分502通过高耐压二极管d
1a
阻塞器件关断时的百伏级电压，以缩短测量量程提高精度。考虑到二极管d
1a
正向导通压降对测量结果的影响，增设二极管d
1b
，二极管d
1a
、d
1b
取相同参数。待测器件导通压降的测量值v
ds
计算如式(1)所示：
[0045][0046]
钳位部分503包括电压源v
dd
与钳位二极管d
2a
(第三二极管)、d
2b
(第四二极管)，该部分主要功能为保护运放输入端电压不超过正常工作范围。由于待测器件处于高频开关状
态，导通与关断过程会出现电压尖峰，对运放输入产生冲击，损坏器件，降低运行可靠性。因此在运放的输入端采用钳位二极管限制输入电压，使运放工作在正常范围内。运算部分504主要由增益为1的运算放大环节构成，该环节主要目的是通过运算抵消高压二极管的正向导通电压对测量结果产生的影响，实现式(1)的运算。其中输入电阻和反馈电阻取1kω，由电路原理知识可得式(2)，运放输出端电压即为导通压降的值。经ad采样后将导通压降与负载电流进行运算，得到通态电阻测量值r
on
，以实现高精度、高响应速度的通态电阻测量。
[0047][0048]
实施例2
[0049]
如图2所示，本发明实施例2所提供的一种基于通态电阻变化的sic-mosfet功率模块结温在线实时测量系统，包括：主功率电路10、恒温加热模块20、控制模块30、负载模块40、通态电阻测量模块50、结温模型搭建模块60、结温在线测量模块70。
[0050]
具体地，主功率电路10用于给sic-mosfet功率模块提供电气连接，使该待测器件可以工作在单脉冲标定工作模式或者单相逆变器工作模式；恒温加热模块20，用于给待测器件提供环境温度，使其结温为给定温度值；控制模块30，用于控制待测器件的开通和关断，以实现多种工作模式的切换，如图3所示；负载模块40，与主功率电路10进行电气连接，用于改变待测器件的运行工况，使得待测器件可以在各个不同电流等级下运行；通态电阻测量模块50，用于高精度、高响应速度测量sic-mosfet功率模块的通态电阻及相关电气参数，以实现在线实时高精度的结温测量；结温模型搭建模块60，通过单脉冲标定环节得到通态电阻和负载电流等热敏参数的数据，进而通过神经网络预测模型建立结温在线测量模型；结温在线测量模块70，实时采集通态电阻和负载电流并将其输入至结温在线测量模型中，通过上位机界面实时显示出结温波动情况，实现高精度结温在线实时测量。
[0051]
结温模型搭建模块60通过单脉冲标定环节得到通态电阻和负载电流等热敏参数的数据，进而通过神经网络预测模型建立结温在线测量模型。其中，单脉冲标定工作模式用于得到各个负载电流i
ds
下通态电阻r
on
与结温tj之间的关系曲线，由于sic-mosfet功率模块通入工作电流时功率损耗会使其自发热，导通时间越长发热越严重，这一现象会使结温测量结果产生误差，因此采用单脉冲触发电路减小自发热效应带来的影响，保证器件自热效应对结温的影响可以被忽略。单脉冲标定工作模式采用单脉冲触发电路减小自发热效应，保证自热效应对结温的影响可以被忽略；给定恒温加热模块的温度，加热sic-mosfet功率模块至热平衡，视为sic-mosfet功率模块结温与给定温度一致；同时调节负载模块，使得sic-mosfet功率模块运行在各个不同电流等级下，记录一系列温度、负载电流以及通态电阻数据。单脉冲标定工作模式的具体实施步骤如下：
[0052]
步骤一：启动恒温加热模块20并设置初始温度为20℃，将待测器件放入恒温箱，并静置15-20分钟，使待测器件达到热平衡，视为结温tj与给定温度一致；
[0053]
步骤二：设置负载模块40使待测器件运行于各个电流等级下，由控制模块30下发待测器件的开关信号，使待测器件在一定电流等级下开通，通过通态电阻测量模块50记录各工况下待测器件的通态电阻r
on
和负载电流i
ds
；
[0054]
步骤三：初始温度下各工况待测器件的通态电阻r
on
和负载电流i
ds
记录完成后，改变恒温加热模块20的给定温度值，重复步骤一、二，得到不同温度、不同电流i
ds
下待测器件的通态电阻r
on
。
[0055]
实施例3
[0056]
本实施例根据单脉冲标定工作模式得到给定温度、给定负载电流下通态电阻的样本数据，在pycharm编译环境下通过tensorflow框架搭建基于全连接神经网络的结温测量模型，如图4所示为神经网络训练流程图，具体实施步骤如下：
[0057]
步骤一：数据归一化。由于神经网络输出层的激活函数有值域限制，需要将网络训练的目标数据映射到激活函数的值域，在将样本数据输入到模型之前，需要对其进行特征归一化处理。本系统选择双极s型激活函数进行线性变换，将原始数据的计算结果映射到[0,1]之间；
[0058]
步骤二：加载处理后数据。选用待测器件导通时通态电阻r
on
与负载电流i
ds
作为输入变量，功率模块的结温tj作为输出变量，基于已处理的数据，随机选取70％的样本数据作为训练集训练该模型，剩余的30％作为测试集验证模型的精度；
[0059]
步骤三：网络初始化设置。选取的输入层为1层，包含2个神经元；隐含层为3层，分别包含64个、32个、16个神经元；输出层为1层，学习率设为0.001；
[0060]
步骤四：训练网络及结果预测。加载已处理的样本数据，随机选取70％的样本数据作为训练集，输入网络中训练全连接bp神经网络；将剩下的30％的样本数据作为验证集，用训练好的神经网络得到预测值，基于全连接神经网络的结温模型可视化曲面如图5所示。
[0061]
步骤五：误差评估。将输出结果进行反归一化处理，然后与理论结温值做对比，计算模型输出的估计结果与期望输出结果之间的差值，选用最大绝对误差(mae)、均方误差(mse)和准确率(accuracy)作为评价标准，以验证模型的有效性以及量化估计模型精度，模型运行结果所得出的最大绝对误差(mae)、均方误差(mse)越接近0，准确率(accuracy)越接近1，则表示模型对igbt功率模块结温的预测精度越高，模型越可靠。经评估，本系统的结温模型最大绝对误差mae不超过0.0086，均方误差mse不超过0.21％，准确率accuracy在99.78％～100％之间，模型可靠性较高。
[0062]
结温在线测量模块80将单相逆变器工作模式下将单相逆变器工作模式下实时采集的通态电阻等热敏参数输入至结温在线测量模型中，通过上位机界面实时显示出结温波动情况，实现高精度结温在线实时测量。
[0063]
单相逆变器工作模式的工作原理如下：控制模块下发调制信号，以控制待测功率模块的高频开关动作，直流侧电压经稳压滤波后输入至待测功率模块构成的单相逆变主电路，经低通滤波后与负载模块相连输出交流波形；同时，通态电阻测量模块与待测器件的漏极直接相连，实现通态电阻的高精度提取，用于结温在线测量模块的结温提取。
[0064]
其中，单相逆变器工作模式用于实现实际逆变器工况下sic-mosfet功率模块结温的在线实时测量。该模式的工作原理如下：
[0065]
步骤一：控制模块30下发调制信号，以控制待测器件的高频开关动作，直流侧电压经稳压滤波后输入至待测sic-mosfet功率模块构成的单相逆变主电路，经低通滤波后与负载模块40相连输出交流波形。
[0066]
步骤二：通态电阻测量模块50经高压阻塞部分502与待测器件的漏极直接相连。该
模块的主要作用是解决测量设备宽量程与高精度之间的矛盾，同时保证测量的高速响应能力。通过通态电阻测量模块50可以实现高精度、高响应速度地测量待测器件的通态电阻，同时对开关尖峰进行钳位，避免对后级器件产生冲击，保障所述结温在线实时测量系统的可靠运行。
[0067]
步骤三：实时采集的通态电阻等热敏参数输入至结温在线测量模型中，通过上位机界面实时显示出结温波动情况，实现高精度结温在线实时测量。如图6所示为sic-mosfet功率模块的结温实时监测界面，用于监测sic-mosfet功率模块在多个基频周期内的结温摆幅和最高结温。
[0068]
利用plecs电力电子仿真软件建立电热仿真模型，通过仿真得到给定任务工况下结温的理论值，一个基频周期内本系统实测结温与仿真结温的对比如图7所示。实测结温波动趋势及幅值基本与理论仿真结果保持一致，二者贴合效果较好，实测结温与仿真结温之间的绝对误差不超过0.3℃，相对误差不超过1.5％。由此，本发明方案系统能真实、准确地反映待测sic-mosfet功率模块的结温波动，为sic-mosfet功率模块的可靠性评估、寿命预测及健康管理提供重要依据，有利于保证电力电子系统的可靠运行。
[0069]
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。