[發明專利]一種IGBT結溫監測裝置及方法

有效

• 申請號: 201910829782.2
• 申請日: 2019-09-03
• 公開（公告）號: CN110658435B
• 公開（公告）日: 2020-11-03
• 發明（設計）人: 張品佳;楊雁勇;夏科睿;閔銳
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 北京中創云知識產權代理事務所(普通合伙) 11837
• 代理人: 肖佳

一種IGBT結溫監測裝置及方法，利用二極管反向恢復電流峰值與二極管結溫的關系，結合IGBT模塊熱阻抗網絡模型實現IGBT芯片結溫的間接監測。利用IGBT集電極開通電流過沖等于對管反并聯二極反向恢復電流的關系。通過監測集電極開通電流過沖實現IGBT模塊的結溫在線監測，該監測方法對電路的正常工作沒有干擾，只需要增加采樣電路即可，該發明基于電流型熱敏電參數對IGBT模塊結溫進行估算，不受IGBT鍵合線老化的影響，解決了電力電子變流器中IGBT結溫難以精確測量的難題，采樣頻率高，成本低，對于IGBT的監測和電力電子變流器的可靠性評估具有重要意義。

技術領域

本發明屬于電氣工程領域，涉及一種電力電子變流器狀態監測方案，尤其涉及一種IGBT結溫監測裝置及方法。

背景技術

電力電子變換器在工業生活中有著非常廣泛的應用，電力電子變流器往往在整個系統中扮演這非常重要的角色，因電力電子變換器故障導致的系統停機往往是災難性的。將引起巨大的經濟損失。因此研究電力電子變換器的可靠性非常重要，而電力電子變換器的核心部件是電力電子開關器件，IGBT在所有開關器件中占比最高，對于中大容量的IGBT模塊可靠性及狀態監測非常重要。IGBT的故障或者老化往往是由短時間過溫或者長時間熱循環、功率循環引起的疲勞導致的。因此研究IGBT的溫度對于評估IGBT模塊的可靠性非常必要。

通過在線監測IGBT的溫度可以實時掌握IGBT的運行狀態，基于溫度在線監測的熱管理可以調節系統的溫度，減小系統溫度波動或者較高溫度帶來的疲勞損傷，避免模塊過溫失效，預測IGBT模塊的健康運行時間，監測IGBT模塊的健康狀態，降低不定期維護的經濟損失，減緩模塊疲勞損傷，延長運行壽命。

國內外學者關于IGBT模塊溫度的監測進行了大量的研究，所提出的方法主要分為：物理接觸、物理非接觸、熱力學模型估算以及熱敏感電參數間接測量方式4類。其中最為引起關注的是基于熱敏電參數的監測方法。而目前的絕大部分熱敏電參數監測方法都存在或多或少的在線應用難題或者檢測精度不高。

物理接觸法：響應時間長，測量速度慢，需要將熱敏傳感器盡可能靠近芯片，實際中難以實現完全貼近芯片。物理非接觸：成本高，需要將IGBT的封裝打開，實際中難以實現在線監測。熱力學模型估算：模型參數隨著器件的老化發生變化，因此溫度估算精度隨著器件老化而發生變化。熱敏感電參數間接測量方式，該方法涉及到的熱敏電參數眾多，但是目前所提出的方法實現高精度、非侵入及高靈敏度監測仍然比較困難。

發明內容

本發明的目的在于針對現有結溫監測方法的問題，提出一種利用集電極開通電流過沖進行IGBT結溫監測方法。利用二極管反向恢復電流峰值與二極管結溫的關系，結合IGBT模塊熱阻抗網絡模型實現IGBT芯片結溫的間接監測。

本發明采用如下的技術方案實現：

本發明的第一方面提供了一種IGBT結溫監測裝置，包括：直流電源、IGBT模塊、第一電流監測電路、第二電流監測電路、電壓隔離測量電路以及DSP/MCU數字處理單元；

所述IGBT模塊包括第一IGBT和第二IGBT串聯連接，每個IGBT并聯連接有一個二極管；

所述第一電流監測電路測量所述第一IGBT的集電極開通電流過沖，所述第二電流監測電路測量所述第二IGBT的集電極開通電流過沖，并將測量值傳輸給所述DSP/MCU數字處理單元；

所述電壓隔離測量電路用于測量集電極開通電壓以及集電極電流，并將測量值傳輸給所述DSP/MCU數字處理單元；

所述DSP/MCU數字處理單元根據接收的測量值分別計算所述第一、第二IGBT的結溫。

進一步的，所述第一、第二IGBT的結溫T_IGBT(t)由下式計算：