[發明專利]一種基于光纖光柵傳感器的IGBT結溫監測系統

有效

• 申請號: 202011503267.4
• 申請日: 2020-12-18
• 公開（公告）號: CN112731095B
• 公開（公告）日: 2023-03-10
• 發明（設計）人: 劉立;冉立;蔣華平;王小勇
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 唐錫嬌

本發明公開了一種基于光纖光柵傳感器的IGBT結溫監測系統，包括光纖光柵傳感器和光纖光柵解調儀，光纖光柵傳感器有兩個，每個光纖光柵傳感器包括光纖和毛細玻璃管，光纖上刻寫有一段光纖光柵，毛細玻璃管同軸套裝在光纖光柵外，且兩端通過膠體與光纖粘接為一體，光纖光柵位于毛細玻璃管的中心，其中一個光纖光柵傳感器粘貼在IGBT功率模塊的IGBT芯片表面，另一個光纖光柵傳感器粘貼在IGBT功率模塊的二極管表面，兩個光纖光柵傳感器與光纖光柵解調儀連接；光纖光柵解調儀中的信號處理模塊被編程以執行結溫監測步驟。其能解決IGBT結溫監測結果不準確以及監測系統無冗余問題。

技術領域

本發明涉及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）的結溫監測，具體涉及一種基于光纖光柵傳感器的IGBT結溫監測系統。

背景技術

絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）具有飽和壓降低、載流密度大、開關速度快等優點，是一種應用于很多領域的半導體大功率器件，在交流電機、變頻器、開關電源等領域有很多應用。但是隨著應用場景和工況的復雜多變，各個領域對IGBT的穩定性要求越來越高，因此研究其可靠性的工作就顯得尤為重要。導致IGBT失效的主因在于長時間的大電流、高電壓的快速切換，這種極端工作條件會促使其工作溫度過高、溫升速度過快。工作溫度過高會使IGBT芯片擊穿，累積的熱致機械應力也會導致許多故障，例如鍵絲脫落、焊料疲勞和鋁腐蝕；但由于高壓、大電流的存在，IGBT結溫溫度的監測方案存在較多的問題。

現有的IGBT結溫監測方法主要是熱電偶法、電參數法以及紅外熱成像探測法。熱電偶法和電參數法為傳統的電學方法，非常容易受到IGBT快速切換的電磁場干擾，使測量結果產生偏差，并且很難長期穩定工作。而紅外熱成像探測法，如果待測物體溫差不太大，就會使測量的結果對比度降低，分辨能力也隨之變差；并且在具體的應用場景中無法采用熱成像設備時刻監控IGBT溫度。

CN109269667A公開了一種具有溫度實時監測系統的新型IGBT裝置及其制作方法，其通過環氧膠把光纖光柵測溫部分全部包裹，再把測溫裝置放入烤箱進行固化。CN109443589A公開了一種IGBT模塊及IGBT模塊的溫度監測系統，其將光纖鋪設在IGBT本體上，進而再通過耐高溫光學硅膠將光纖光柵對應固定在每個發熱元件表面的中心。根據布拉格反射條件，一束寬帶光進入光纖光柵時，光纖光柵會選擇出某特定波長的光，并將其沿原路反射，剩下的光將從光纖中透射出去。反射光的波長稱為中心波長，中心波長會隨環境應力或溫度而發生偏移。利用光纖光柵解調儀（也叫光纖解調系統）監測到中心波長的這種偏移，就可以折算出施加在光纖光柵上對應的應力或溫度。但是，這樣就給測量帶來了一定的問題。光纖光柵傳感器在實際應用中，往往工作在溫度和應變交織影響的場合，溫度和應變各自對中心波長偏移的貢獻量，無法被一般的解調系統分別識別出來，這種情況在工程上被稱為“溫度應變交叉敏感”。這兩篇文獻中提到的光纖光柵測溫方式，都是將光纖光柵涂抹硅膠粘貼在IGBT功率模塊的IGBT芯片上，當IGBT功率模塊（包括IGBT芯片、二極管、銅板等）工作時IGBT芯片溫度升高，光纖光柵的溫度也隨之升高，但由于粘貼光纖光柵的硅膠本身與被測IGBT芯片襯底的熱膨脹系數不同，會使光纖光柵受到軸向應力作用，光纖光柵受到“溫度應變交叉敏感”的困擾，導致IGBT芯片區域測溫結果不準確；另外，如果測量一個IGBT功率模塊的光纖光柵傳感器出現故障，溫度監測系統不能再繼續運行。

發明內容

本發明的目的是提供一種基于光纖光柵傳感器的IGBT結溫監測系統，以解決IGBT結溫監測結果不準確以及監測系統無冗余問題。

本發明所述的基于光纖光柵傳感器的IGBT結溫監測系統，包括光纖光柵傳感器和光纖光柵解調儀，所述光纖光柵傳感器有兩個，每個光纖光柵傳感器包括光纖和毛細玻璃管，光纖上刻寫有一段光纖光柵，毛細玻璃管同軸套裝在光纖光柵外，毛細玻璃管的兩端通過膠體與光纖粘接為一體，光纖光柵位于毛細玻璃管的中心，其中一個光纖光柵傳感器粘貼在IGBT功率模塊的IGBT芯片表面，另一個光纖光柵傳感器粘貼在IGBT功率模塊的二極管表面，兩個光纖光柵傳感器與光纖光柵解調儀連接；光纖光柵解調儀中的信號處理模塊被編程以執行如下步驟：