一种自激短路支撑电容残余电压补偿方法

本发明涉及电力电子技术状态监测与寿命评估领域，特别涉及一种自激短路支撑电容残余电压补偿方法。

背景技术：

1、自激短路监测技术可以实现igbt模块的健康状态监测，该技术利用驱动模块与igbt构成短路回路，在较低门极电压与集射极电压的条件下使igbt进入短路工况，通过将短路电流与老化阈值进行判断即可实现健康状态评估。相关自激短路电路如图1所示，当驱动执行正常功率变换工况时，开关管m1和m2正常工作，开关管m3与m4保持关断，igbt受上位机控制以正常门极电压开通或关断。当进入自激短路工况时，开关管m3与m4开通，使igbt以较低门极电压开通与驱动电路构成短路回路，短路电源vsc提供短路电流，利用采样电阻rsense获取自激短路电流大小，再通过电压比较逻辑电路输出比较结果，最终获得igbt模块健康状态。

2、在实际应用中igbt以半桥或者全桥结构与支撑电容并联，如图2所示。当执行自激短路工况时，若支撑电容电压较低，驱动回路中短路电压vsc会通过t1上管的反并联二极管向支撑电容c充电，而驱动电路中的电流采样电路无法区分流向支撑电容的电流，影响最终监测结果，同时支撑电容不同的残余电压所造成的影响也不相同。

3、如图3所示，阻容型线式温度传感器由热敏电阻和热敏电容组成，通过传感器阻值反映环境温度。传感器阻值的测量通过外部施加激励，通过外部激励电压与传感器产生的电流获取阻值信息。电容的残余电压会影响传感器阻值的准确测量，阻值测量结果与残余电压呈现负相关关系。在实际应用中通过降低外部激励电压或者改变电容材料参数的方式减小残余电压的影响。但是，该技术方案没有从理论角度分析解决电压残余问题，通过改变外部激励的方式被动的降低影响，无法实现残余电压影响的主动准确的排除。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明在自激短路监测技术的基础上搭建含有功率回路和驱动回路并且考虑杂散参数的等效电路模型，通过采样时刻的确定以及相关元件参数的确定计算得到不同残余电压下支撑电容的充电电流大小，利用相应补偿措施排除残余电压对监测结果的影响。

2、第一方面，本发明提出一种自激短路支撑电容残余电压补偿方法，基于使用自激短路监测技术的驱动回路，所述驱动回路利用采样电阻获取自激短路电流值，通过电压比较逻辑电路输出比较结果，获得igbt模块健康状态，包括下述步骤：

3、建立考虑杂散参数的自激短路监测电路模型；

4、确定支撑电容的充电电流的采样时刻；

5、建立杂散电感简化模型；

6、建立半导体器件等效电路模型；

7、建立监测电路等效电路模型并计算采样时刻的支撑电容充电电流值；

8、设置电压比较逻辑电路的翻转阈值。

9、在上述方案的基础上，所述确定支撑电容的充电电流的采样时刻获取方式为：在不同支撑电容电压的情况下执行自激短路监测功能，获取支撑电容充电电流稳定后的时刻。

10、在上述方案的基础上，将自激短路监测过程中支撑电容残余电压值近似为保持恒定，则支撑电容串联等效电感，igbt模块杂散电感与功率回路杂散电感在采样时刻压降为零。

11、在上述方案的基础上，将二极管器件等效替代为通用二极管模型，包括反映导通压降的电压源，反映导通方向的理想二极管，反映输出特性曲线的等效电阻；

12、将开关管等效替代为电阻模型。

13、在上述方案的基础上，所述设置电压比较逻辑电路的翻转阈值的具体方式为：

14、老化阈值电流设置为iold，采样电阻阻值为rsense，则采样电阻上的老化阈值电压vold＝iold×rsense；

15、以采样时刻支撑电容残余电压为vc，计算采样时刻自激短路产生的支撑电容的充电电流为ic，则补偿电压vamend为充电电流与采样电阻阻值的乘积，即vamend＝ic×rsense；

16、在支撑电容残余电压为vc时，将比较器的判定阈值设置为vold+vamend。

17、第二方面，提供一种自激短路支撑电容残余电压补偿电路，包括驱动回路电路、采集电路与阈值补偿电路；

18、所述驱动回路电路包括自激短路电容、mosfet开关管、二极管；

19、所述采集电路包括采样电阻、差分电路；

20、其中，差分电路用于监测采样电阻两端电压；

21、阈值补偿电路中的比较器的翻转阈值为常规老化阈值电压与补偿电压之和，其输出翻转代表监测当前igbt模块处于老化状态。

22、本发明的有益效果：

23、本发明通过采样时刻的确定和等效电路的搭建分析得到不同支撑电容残余电压下的电容充电电流，进而可以使自激短路监测技术得到较为准确的判定结果。

技术特征：

1.一种自激短路支撑电容残余电压补偿方法，基于使用自激短路监测技术的驱动回路，所述驱动回路利用采样电阻获取自激短路电流值，通过电压比较逻辑电路输出比较结果，获得igbt模块健康状态，其特征在于，包括下述步骤：

2.如权利要求1所述的一种自激短路支撑电容残余电压补偿方法，其特征在于，所述确定支撑电容的充电电流的采样时刻获取方式为：在不同支撑电容电压的情况下执行自激短路监测功能，获取支撑电容充电电流稳定后的时刻。

3.如权利要求1所述的一种自激短路支撑电容残余电压补偿方法，其特征在于，将自激短路监测过程中支撑电容残余电压值近似为保持恒定，则支撑电容串联等效电感，igbt模块杂散电感与功率回路杂散电感在采样时刻压降为零。

4.如权利要求1所述的一种自激短路支撑电容残余电压补偿方法，其特征在于，将二极管器件等效替代为通用二极管模型，包括反映导通压降的电压源，反映导通方向的理想二极管，反映输出特性曲线的等效电阻；

5.如权利要求1所述的一种自激短路支撑电容残余电压补偿方法，其特征在于，所述设置电压比较逻辑电路的翻转阈值的具体方式为：

6.一种自激短路支撑电容残余电压补偿电路，其特征在于，包括驱动回路电路、采集电路与阈值补偿电路；

技术总结
本发明根据自激短路技术搭建了包含功率回路与驱动回路的等效电路，通过器件等效的方式对电路进行简化最终得到易于计算的电路拓扑，可以获取在采样时刻下不同残余电压的电容充电电流，通过改变比较器阈值补偿残余电压影响。驱动回路电路由自激短路电容、MOSFET开关管、二极管、采样电阻、电压采集电路组成，使用通用二极管等效模型与等效电阻模型将半导体器件转化为线性元件的方法，实现自激短路过程中支撑电容充电电流准确计算；老化判定通过电压采集电路与比较器实现，除了常规的老化阈值外，新增了根据不同电容残余电压可设置不同的采集电路补偿电压，最终实现支撑电容残余电压对监测结果的影响实现IGBT模块健康状态准确评估。

技术研发人员：黄先进,朱利,郝嘉涵,林飞,杨中平,孙湖
受保护的技术使用者：北京交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12