一種功率二極管模塊工作結(jié)溫的在線檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電力電子器件檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種功率二極管模塊工作結(jié)溫的在線檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在實(shí)際的變流器應(yīng)用工況中，功率模塊不僅需經(jīng)受內(nèi)部芯片由于導(dǎo)通和關(guān)斷引起的自熱結(jié)溫變化，另一方面還要經(jīng)歷外部的例如季節(jié)與晝夜的環(huán)境溫度變化的雙重影響。根據(jù)大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與失效機(jī)理分析，學(xué)術(shù)界與工業(yè)界發(fā)現(xiàn)模塊在失效前所經(jīng)歷的溫度循環(huán)周期數(shù)是由結(jié)溫?cái)[幅、最高結(jié)溫、平均結(jié)溫、最低外殼溫度及模塊周期導(dǎo)通時(shí)間等因素共同決定。因此，大功率器件的在線芯片溫度檢測(cè)與監(jiān)控是實(shí)施極限運(yùn)行、壽命預(yù)測(cè)與過(guò)溫保護(hù)的必要條件。
[0003]如何提高大容量功率器件的容量輸出能力，并進(jìn)一步降低功率器件的失效風(fēng)險(xiǎn)，是打破傳統(tǒng)粗放式、大裕量的經(jīng)驗(yàn)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，提升我國(guó)大容量變流器裝備可靠性與競(jìng)爭(zhēng)力的關(guān)鍵。而其中行之有效的方法就是在確保功率器件芯片結(jié)溫在安全可控的工作范圍以內(nèi)，通過(guò)對(duì)功率器件芯片實(shí)際結(jié)溫的在線檢測(cè)，做到前提過(guò)溫保護(hù)、降額冷卻等有效措施。其次，大功率器件的結(jié)溫檢測(cè)技術(shù)是發(fā)展和完善電力變換裝備在線測(cè)量方法的首要目標(biāo)，也是反映和評(píng)估變流器在線運(yùn)行狀況的重要指標(biāo)。由于功率芯片在模塊內(nèi)部具有難以直接觀測(cè)、不易直接接觸等特點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在半導(dǎo)體芯片的結(jié)溫檢測(cè)技術(shù)方面做了大量的研究工作?，F(xiàn)有的功率器件內(nèi)部芯片的結(jié)溫檢測(cè)技術(shù)可大致分為如下四種方法:物理接觸式測(cè)試法，光學(xué)非接觸測(cè)試法，熱阻模型預(yù)測(cè)法與熱敏感電參數(shù)法。
[0004]以熱敏電阻法為代表的物理接觸式測(cè)量法是基于導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值隨著溫度的變化而變化的特性。該方法需要外部電源激勵(lì)，且對(duì)隨溫度變化的響應(yīng)較慢。利用熱敏電阻對(duì)功率器件模塊進(jìn)行內(nèi)部溫度的檢測(cè)需要對(duì)模塊封裝進(jìn)行改造。由于封裝類(lèi)型和應(yīng)用場(chǎng)合不同，現(xiàn)有大部分商用的功率器件模塊內(nèi)部仍沒(méi)有安置熱電阻測(cè)溫元件，而僅僅在某些特定應(yīng)用場(chǎng)合得到了有限程度的應(yīng)用。以紅外熱成像儀為代表的光學(xué)非接觸式測(cè)量法具有全局檢測(cè)溫度分布并迅速將溫度分布成像的功能，已被引入功率器件模塊芯片結(jié)溫的測(cè)量研究。然而現(xiàn)有的商用紅外熱成像儀的最高采樣率幀數(shù)較低，遠(yuǎn)不能滿足動(dòng)態(tài)變化的結(jié)溫檢測(cè)要求。因此，該方法也僅見(jiàn)于實(shí)驗(yàn)室研究使用，未見(jiàn)對(duì)功率器件內(nèi)部芯片結(jié)溫檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用案例。熱阻抗模型預(yù)測(cè)法需要同時(shí)獲取功率器件的實(shí)時(shí)損耗以及熱阻網(wǎng)絡(luò)才可對(duì)功率器件的結(jié)溫進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。在變流器長(zhǎng)期的運(yùn)行過(guò)程中，襯底板下面的焊料層與導(dǎo)熱硅脂均會(huì)出現(xiàn)不同程度的老化現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)測(cè)量的熱阻網(wǎng)絡(luò)由于老化原因?qū)?huì)變成未知的熱阻網(wǎng)絡(luò)，從而帶來(lái)結(jié)溫預(yù)測(cè)的誤差。
[0005]由于半導(dǎo)體物理器件內(nèi)部物理參數(shù)與溫度有著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。因此這種半導(dǎo)體材料受溫度影響的特性將會(huì)使得功率器件的工作電氣特性呈現(xiàn)單調(diào)變化的趨勢(shì)。這種受溫度影響而變化的電氣特征參數(shù)稱(chēng)之為熱敏感電參數(shù)。該方法可以檢測(cè)出ys級(jí)的開(kāi)關(guān)功率器件的結(jié)溫變化，因而熱敏感電參數(shù)法被認(rèn)為是最有可能成為對(duì)功率器件瞬態(tài)溫度變化進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方法。然而現(xiàn)有大多數(shù)熱敏感電參數(shù)法只適用于以IGBT為代表的有源開(kāi)關(guān)器件，而較少涉及于二極管功率器件為代表的無(wú)源功率器件。
[0006]大功率二極管模塊在開(kāi)通和關(guān)斷運(yùn)行當(dāng)中需要同時(shí)經(jīng)歷高電壓和大電流應(yīng)力的沖擊。常規(guī)的檢測(cè)方法是測(cè)量不同溫度下二極管的正向壓降，利用正向電壓降與芯片溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系來(lái)確定運(yùn)行中二極管的芯片結(jié)溫。然而這種方式所使用的電壓傳感器需要在二極管阻斷狀態(tài)下承受很高母線電壓。其次，在高壓和大電流的開(kāi)關(guān)環(huán)境下，所測(cè)試的導(dǎo)通壓降值很小，非常容易受到干擾。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種功率二極管模塊工作結(jié)溫的在線檢測(cè)系統(tǒng)及其檢測(cè)方法，能夠以較高的精確度和分辨率實(shí)時(shí)檢測(cè)功率二極管模塊的工作結(jié)溫。
[0008]—種功率二極管模塊工作結(jié)溫的在線檢測(cè)系統(tǒng)，包括:
[0009]主電路單元，與功率二極管模塊連接;所述的主電路單元包括直流電壓源V、電容C、電感L和IGBT模塊;其中，直流電壓源V的正極與電容C的一端、電感L的一端和功率二極管模塊的陰極相連，電感L的另一端與功率二極管模塊的陽(yáng)極和IGBT模塊的集電極相連，IGBT模塊的功率發(fā)射極與直流電壓源V的負(fù)極和電容C的另一端相連；
[0010]溫控單元，用于調(diào)控功率二極管模塊和IGBT模塊的環(huán)境溫度；
[0011]采樣單元，用于在功率二極管模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過(guò)程間采集直流電壓源V的電壓Vdc、功率二極管模塊的正向?qū)娏饕约癐GBT模塊的工作結(jié)溫；
[0012]驅(qū)動(dòng)單元，用于為IGBT模塊的基極提供開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，以控制功率二極管模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)，進(jìn)而調(diào)控功率二極管模塊的正向?qū)娏鳎?br>[0013]結(jié)溫檢測(cè)單元，用于采集IGBT模塊功率發(fā)射極與驅(qū)動(dòng)發(fā)射極兩端的電壓信號(hào)VEe，并在功率二極管模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過(guò)程間提取電壓信號(hào)VEe正半部分的持續(xù)時(shí)間trf并計(jì)算電壓信號(hào)VEe在該持續(xù)時(shí)間trf段內(nèi)的定積分Srf ;所述的結(jié)溫檢測(cè)單元內(nèi)存有各種運(yùn)行工況下關(guān)于電壓Vd。、功率二極管模塊的正向?qū)娏鳌GBT模塊的工作結(jié)溫、功率二極管模塊的工作結(jié)溫以及二極管反向恢復(fù)下降時(shí)刻存儲(chǔ)電荷Qrf的數(shù)據(jù)表格以及函數(shù)模型，其中Qrf = trf*Srf/2LEe，LEe為IGBT模塊功率發(fā)射極與驅(qū)動(dòng)發(fā)射極之間的雜散電感;進(jìn)而根據(jù)功率二極管模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過(guò)程間的電壓Vd。、功率二極管模塊的正向?qū)娏鳌GBT模塊的工作結(jié)溫以及二極管反向恢復(fù)下降時(shí)刻存儲(chǔ)電荷Qrf，通過(guò)查表或函數(shù)模型計(jì)算得到功率二極管模塊的工作結(jié)溫。
[0014]所述的結(jié)溫檢測(cè)單元包括:
[0015]過(guò)零檢測(cè)積分模塊，用于采集IGBT模塊功率發(fā)射極與驅(qū)動(dòng)發(fā)射極兩端的電壓信號(hào)VEe，并在功率二極管模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過(guò)程間提取電壓信號(hào)VEe正半部分的持續(xù)時(shí)間trf并計(jì)算電壓信號(hào)Vk在該持續(xù)時(shí)間trf段內(nèi)的定積分Srf ;
[0016]隔離模塊，用于對(duì)持續(xù)時(shí)間trf和定積分Srf進(jìn)行隔離轉(zhuǎn)換；
[0017]結(jié)溫計(jì)算模塊，其通過(guò)隔離模塊與過(guò)零檢測(cè)積分模塊連接，且內(nèi)部存有各種運(yùn)行工況下關(guān)于電壓Vdc、功率二極管模塊的正向?qū)娏?、IGBT模塊的工作結(jié)溫、功率二極管模塊的工作結(jié)溫以及二極管反向恢復(fù)下降時(shí)刻存儲(chǔ)電荷Qrf的數(shù)據(jù)表格以及函數(shù)模型;結(jié)溫計(jì)算模塊首先根據(jù)公式Qrf = trf*Srf/2LE4十算出二極管反向恢復(fù)下降時(shí)刻存儲(chǔ)電荷Qrf，進(jìn)而根據(jù)功率二極管模塊由導(dǎo)通狀態(tài)切換至關(guān)斷狀態(tài)的瞬態(tài)過(guò)程間的電壓Vd。、功率二極管模塊的正向?qū)娏鳌GBT模塊的工作結(jié)溫以及二極管反向恢復(fù)下降時(shí)刻存儲(chǔ)電荷Qrf，通過(guò)查表或函數(shù)模型計(jì)算得到功率二極管模塊的工作結(jié)溫。
[0018]所述的過(guò)零檢測(cè)積分模塊包括十五個(gè)電阻Rl?R15、三個(gè)電容Cl?C3、三個(gè)二極管Dl?D3、五個(gè)運(yùn)算放大器Ul?U5、一個(gè)NPN型的三極管Q和三個(gè)雙向模擬開(kāi)關(guān)Hl?H3;其中:雙向模擬開(kāi)關(guān)Hl的輸入端接IGBT模塊的功率發(fā)射極，輸出端與電阻R6的一端相連；電阻R6的另一端與電阻R8的一端和運(yùn)算放大器Ul的正相輸入端相連，電阻R8的另一端接IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)發(fā)射極，運(yùn)算放大器Ul的反相輸入端與電阻R5的一端、電阻R2的一端以及電容C3的一端相連，電阻R5的另一端接IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)發(fā)射極，電阻R2的另一端與電容C3的另一端、運(yùn)算放大器Ul的輸出端以及運(yùn)算放大器U2的正相輸入端相連，運(yùn)算放大器U2的反相輸入端與電容CI的一端和二極管DI的陽(yáng)極相連，運(yùn)算放大器U2的輸出端與二極管DI的陰極、二極管D2的陽(yáng)極、電容Cl的另一端以及電阻Rl的一端相連，電阻Rl的另一端與電阻R3的一端、電阻R4的一端、運(yùn)算放大器U4的反相輸入端以及運(yùn)算放大器U4的輸出端相連，電阻R3的另一端與二極管D2的陰極和二極管D3的陽(yáng)極相連，二極管D3的陰極與電阻R7的一端、電容C2的一端以及運(yùn)算放大器U4的正相輸入端相連，電阻R4的另一端產(chǎn)生定積分Srf;電阻R12的一端接IGBT模塊的門(mén)極，電阻R12的另一端與電阻R9的一端和運(yùn)算放大器U3的反相輸入端相連，運(yùn)算放大器U3的正相輸入端與電阻R13的一端相連，電阻R9的另一端與電阻RlO的一端和運(yùn)算放大器U3的輸出端相連，電阻RlO的另一端與電阻Rll的一端和三極管Q的基極相連，三極管Q的集電極與電阻R7的另一端相連，三極管Q的發(fā)射極與電阻Rl I的另一端、電容C2的另一端以及電阻Rl 3的另一端相連并接IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)發(fā)射極；雙向模擬開(kāi)關(guān)H2的輸入端接IGBT模塊的驅(qū)動(dòng)發(fā)射極，控制端接IGBT模塊的門(mén)極，輸出端與運(yùn)算放大器U5的反相輸入端相連;雙向模擬開(kāi)關(guān)H3的輸入端接IGBT模塊的功率發(fā)射極，控制端接IGBT模塊的門(mén)極，輸出端與運(yùn)算放大器U5的正相輸入端相連;運(yùn)算放大器U5的輸出端與電阻R14的一端和電阻R15的一端相連，電阻R14的另一端接電源電壓Vcc，電阻R15的另一端與雙向模擬開(kāi)關(guān)Hl的控制端相連并生成持續(xù)時(shí)間trf。
[0019]所述的隔離模塊包含兩個(gè)隔離子電路，所述的隔離子電路包括九個(gè)電阻R16?R24、四個(gè)電容C4?C7、兩個(gè)運(yùn)