一种IGBT模块工作结温的在线检测系统及检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种IGBT模块工作结温的在线检测系统及检测方法，其在IGBT模块实际运行不停的开关断状态切换中，变化的驱动电流和集电极电流在IGBT模块的杂散电感上产生感应电压，该感应电压在关断过程中发生两次电压变化，其间隔时间记为温敏时间，该时间在固定的关断电压和电流情况下与IGBT模块的工作结温密切相关。本发明专利技术通过建立IGBT测试系统，在不同直流母线电压、IGBT导通电流和工作结温下提取温敏时间，建立离线参考数据库，并在IGBT实际运行中监测IGBT模块驱动发射极与功率发射极之间的电压，提取温敏时间进行在线结温计算，与现有IGBT工作结温监测技术相比，具有更高的实时性和可集成性。

【技术实现步骤摘要】
一种IGBT模块工作结温的在线检测系统及检测方法
本专利技术属于电力电子器件检测
，具体涉及一种IGBT模块工作结温的在线检测系统及检测方法。
技术介绍
IGBT模块的工作结温在工业用如柔性直流输电和风力发电系统中的功率变流器中是一项重要的参数，其提供了IGBT模块热应力和热性能的相关信息，因此，其工作结温可以用来进行状态监测，评估IGBT模块可靠性，预测剩余使用寿命和分析失效机理。常规的IGBT模块工作结温检测方法，如热传感法，即在IGBT模块内部芯片附近放置热传感器，该方法需要打开IGBT模块的封装放置热传感器；热成像法，即利用红外测温仪测量IGBT模块结温的分布情况，但只能测量未封装的裸露芯片，对于封装结构的模块需要打开模块封装，并且测试仪器昂贵。热阻网络法，即测量IGBT模块基板的温度，并通过IGBT模块的热阻网络可以预测内部IGBT模块工作结温，此方法需要对IGBT模块的热传导路径及热阻网络测量具有高分辨率和精确度，由于IGBT模块芯片处温度传导至IGBT模块基板具有延迟时间，该技术不适用与IGBT模块工作结温的在线监测。总体来说，以上IGBT模块工作结温监测技术，或测量仪器昂贵，或对于IGBT模块封装具有需要打开封装结构的特殊要求，或结温监测有一定的延迟，不适用于IGBT模块工作结温的在线监测。除此之外，IGBT模块的行为与其工作结温有密切的联系，这是由于半导体物理参数如载流子浓度、载流子迁移率等与温度有较强的耦合关系，而IGBT模块的电气特性取决于以上所述的半导体物理参数，因此IGBT的温敏电气参数为IGBT模块的工作结温监测提供了可能性，如阈值电压，导通压降，开通电流最大变化率和关断电压变化率等；阈值电压是通过监测不同温度下IGBT模块MOS沟道开通的最小驱动电压，利用该电压与工作结温的对应关系确定IGBT模块工作结温，但该参数与温度敏感系数低，且提取较为困难；导通压降是测量不同温度下IGBT的正向压降，利用正向电压降与工作结温的对应关系来确定IGBT工作结温，但导通压降的检测需要高耐压的传感器，并且在高压大电流的开关环境下，所测试的导通压降值很小，非常容易受到干扰；IGBT模块的开通往往伴随着与之换流的功率管的关断，在两电平电感负载型的电路中，当IGBT模块开通时，负载电流从二级管换流至大IGBT模块时，二级管的反向恢复电流会流过IGBT模块，因此IGBT模块的开通电流包含了二极管的反向恢复电流，不完全为IGBT模块本身的特性；关断电压变化率的检测需要借助额外的无源器件(如电容)转化成易于直接测量的信号，无源器件的加入影响了IGBT模块的工作状态。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述技术问题，本专利技术提供了一种IGBT模块工作结温的在线检测系统及检测方法，能够以较高的精确度和分辨率实时检测IGBT模块的工作结温。一种IGBT模块工作结温的在线检测系统，包括：主电路单元，与IGBT模块连接；所述的主电路单元包括直流电压源V、电容C、电感L和功率二极管D；其中，直流电压源V的正极与电容C的一端、电感L的一端和功率二极管D的阴极相连，电感L的另一端与功率二极管D的阳极和IGBT模块的集电极相连，IGBT模块的功率发射极与直流电压源V的负极和电容C的另一端相连；温控单元，用于调控IGBT模块的环境温度；采样单元，用于在IGBT模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间采集电容C两端的直流母线电压Vdc和IGBT模块的导通电流Ic；驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，以控制IGBT模块由导通状态切换至关断状态，进而调控IGBT模块的导通电流Ic；结温检测单元，用于采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号VEe，提取电压信号VEe在IGBT模块关断过程中两次电压变化之间的温敏时间td-eE；所述的结温检测单元内存有各种运行工况下关于直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic、IGBT模块的工作结温Tj以及温敏时间td-eE的数据表格以及函数模型；进而根据IGBT模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic以及温敏时间td-eE，通过查表或函数模型计算得到IGBT模块的工作结温Tj。所述的结温检测单元包括：电压捕获模块，用于捕获在关断过程中IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号VEe；隔离模块，用于对电压信号VEe进行隔离转换；比较模块，用于使隔离转换后的电压信号VEe与给定的阈值电压进行比较，生成具有与电压信号VEe变化相对应的两次脉冲的脉冲信号；计时测量模块，用于测量所述的脉冲信号中两次脉冲之间的温敏时间td-eE；结温计算模块，其内部存有各种运行工况下关于直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic、IGBT模块的工作结温Tj以及温敏时间td-eE的数据表格以及函数模型，进而根据IGBT模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic以及温敏时间td-eE，通过查表或函数模型计算得到IGBT模块的工作结温Tj。所述的电压捕获模块包括三个电阻R1～R3、运算放大器U1和双向模拟开关H；其中：电阻R1的一端接收IGBT模块基极的开关控制信号，另一端与电阻R3的一端和运算放大器U1的反相输入端相连；电阻R2的一端接IGBT模块驱动发射极的电压，另一端与运算放大器U1的正相输入端相连；电阻R3的另一端与运算放大器U1的输出端和双向模拟开关H的控制端相连，双向模拟开关H的输入端接IGBT模块功率发射极的电压，双向模拟开关H的输出端输出电压信号VEe。所述的隔离模块包括三个运算放大器U2～U4、两个型号为HCNR201的线性光耦P1～P2、三个电容C1～C3、两个二极管D1～D2和五个电阻R4～R8；其中：电阻R4的一端与电阻R5的一端相连并接收电压信号VEe，电阻R4的另一端与电容C1的一端、二极管D1的阴极、运算放大器U2的反相输入端和线性光耦P1的3号引脚相连，运算放大器U2的正相输入端与线性光耦P1的2号引脚、线性光耦P1的4号引脚、线性光耦P2的1号引脚、线性光耦P2的3号引脚和运算放大器U3的正相输入端相连并接IGBT模块驱动发射极的电压，运算放大器U2的输出端与电容C1的另一端、二极管D1的阳极和电阻R6的一端相连，电阻R6的另一端与线性光耦P1的1号引脚相连，电阻R5的另一端与电容C2的一端、二极管D2的阳极、运算放大器U3的反相输入端和线性光耦P2的4号引脚相连，运算放大器U3的输出端与电容C2的另一端、二极管D2的阴极和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与线性光耦P2的2号引脚相连，线性光耦P1的5号引脚与线性光耦P2的6号引脚和运算放大器U4的正相输入端相连并接地，线性光耦P1的6号引脚与线性光耦P2的5号引脚、电容C3的一端、电阻R8的一端和运算放大器U4的反相输入端相连，运算放大器U4的输出端与电容C3的另一端和电阻R8的另一端相连且为隔离模块的输出端。所述的比较模块包括两个运算放大器U5～U6、两个比较器B1～B2、七个电阻R9～R15和与门K；其中：电阻R9的一端与电阻R10的一端相连并接收隔离转换后的电压信号VEe，电阻R9的另本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种IGBT模块工作结温的在线检测系统，其特征在于，包括：主电路单元，与IGBT模块连接；所述的主电路单元包括直流电压源V、电容C、电感L和功率二极管D；其中，直流电压源V的正极与电容C的一端、电感L的一端和功率二极管D的阴极相连，电感L的另一端与功率二极管D的阳极和IGBT模块的集电极相连，IGBT模块的功率发射极与直流电压源V的负极和电容C的另一端相连；温控单元，用于调控IGBT模块的环境温度；采样单元，用于在IGBT模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间采集电容C两端的直流母线电压Vdc和IGBT模块的导通电流Ic；驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，以控制IGBT模块由导通状态切换至关断状态，进而调控IGBT模块的导通电流Ic；结温检测单元，用于采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号VEe，提取电压信号VEe在IGBT模块关断过程中两次电压变化之间的温敏时间td‑eE；所述的结温检测单元内存有各种运行工况下关于直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic、IGBT模块的工作结温Tj以及温敏时间td‑eE的数据表格以及函数模型；进而根据IGBT模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic以及温敏时间td‑eE，通过查表或函数模型计算得到IGBT模块的工作结温Tj。...

【技术特征摘要】
1.一种IGBT模块工作结温的在线检测系统，其特征在于，包括：主电路单元，与IGBT模块连接；所述的主电路单元包括直流电压源V、电容C、电感L和功率二极管D；其中，直流电压源V的正极与电容C的一端、电感L的一端和功率二极管D的阴极相连，电感L的另一端与功率二极管D的阳极和IGBT模块的集电极相连，IGBT模块的功率发射极与直流电压源V的负极和电容C的另一端相连；温控单元，用于调控IGBT模块的环境温度；采样单元，用于在IGBT模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间采集电容C两端的直流母线电压Vdc和IGBT模块的导通电流Ic；驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，以控制IGBT模块由导通状态切换至关断状态，进而调控IGBT模块的导通电流Ic；结温检测单元，用于采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号VEe，提取电压信号VEe在IGBT模块关断过程中两次电压变化之间的温敏时间td-eE；所述的结温检测单元内存有各种运行工况下关于直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic、IGBT模块的工作结温Tj以及温敏时间td-eE的数据表格以及函数模型；进而根据IGBT模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic以及温敏时间td-eE，通过查表或函数模型计算得到IGBT模块的工作结温Tj。2.根据权利要求1所述的在线检测系统，其特征在于：所述的结温检测单元包括：电压捕获模块，用于捕获在关断过程中IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号VEe；隔离模块，用于对电压信号VEe进行隔离转换；比较模块，用于使隔离转换后的电压信号VEe与给定的阈值电压进行比较，生成具有与电压信号VEe变化相对应的两次脉冲的脉冲信号；计时测量模块，用于测量所述的脉冲信号中两次脉冲之间的温敏时间td-eE；结温计算模块，其内部存有各种运行工况下关于直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic、IGBT模块的工作结温Tj以及温敏时间td-eE的数据表格以及函数模型，进而根据IGBT模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压Vdc、IGBT模块的导通电流Ic以及温敏时间td-eE，通过查表或函数模型计算得到IGBT模块的工作结温Tj。3.根据权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于：所述的电压捕获模块包括三个电阻R1～R3、运算放大器U1和双向模拟开关H；其中：电阻R1的一端接收IGBT模块基极的开关控制信号，另一端与电阻R3的一端和运算放大器U1的反相输入端相连；电阻R2的一端接IGBT模块驱动发射极的电压，另一端与运算放大器U1的正相输入端相连；电阻R3的另一端与运算放大器U1的输出端和双向模拟开关H的控制端相连，双向模拟开关H的输入端接IGBT模块功率发射极的电压，双向模拟开关H的输出端输出电压信号VEe。4.根据权利要求2所述的在线检测系统，其特征在于：所述的隔离模块包括三个运算放大器U2～U4、两个型号为HCNR201的线性光耦P1～P2、三个电容C1～C3、两个二极管D1～D2和五个电阻R4～R8；其中：电阻R4的一端与电阻R5的一端相连并接收电压信号VEe，电阻R4的另一端与电容C1的一端、二极管D1的阴极、运算放大器U2的反相输入端和线性光耦P1的3号引脚相连，运算放大器U2的正相输入端与线性光耦P1的2号引脚、线性光耦P1的4号引脚、线性光耦P2的1号引脚、线性光耦P2的3号引脚和运算放大器U3的正相输入端相连...

【专利技术属性】
技术研发人员：李武华，孙鹏飞，罗皓泽，何湘宁，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33