[發明專利]一種IGBT結溫監測方法、裝置及系統

有效

• 申請號: 202110373619.7
• 申請日: 2021-04-07
• 公開（公告）號: CN113098314B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 張品佳;楊雁勇
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02M7/5387
• 分類號: H02M7/5387;H02P27/12;G01K13/00;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

本發明涉及一種IGBT結溫監測方法、裝置及系統，利用每個關斷直流母線振鈴峰值電壓與對應的關斷的IGBT結溫之間存在線性關系，并利用相電流的方向以及半橋臂的初態和次態來準確判斷關斷直流母線振鈴峰值電壓監測的時刻，從而獲取變換器級的IGBT結溫，能夠達到較高的靈敏度。采用本發明提供的結溫監測方法所得到的IGBT結溫是一個合適的變換器級參數，在多IGBT的結溫估算中有很好的應用前景。本發明提供的該監測方法，能夠起到降低監控電路復雜度、簡化監測電路結構、成本低、安裝方便、分辨率高、對電路工作模式無侵入、與鍵合線失效無關等有益的技術效果。

技術領域

本發明涉及電力電子技術領域，尤其涉及一種IGBT結溫監測方法、裝置及系統。

背景技術

電力電子變換器廣泛應用于工業生產及生活中。電力電子器件是電力電子變換器中最為關鍵的部件之一。IGBT是使用電力電子器件中使用數量最多的。然而，IGBT的失效一直是困擾工程應用的難題。IGBT的故障嚴重影響著變換器系統的安全穩定運行。根據統計數據顯示，溫升和熱循環導致的IGBT失效占55％。因此，IGBT的溫度監測對IGBT和變換器的狀態監測和運行優化具有重要意義。

現有技術中已有大量關于IGBT結溫估算的研究報道。比如，利用紅外攝像機直接測量結溫的方法。但是這樣的方法需要打開IGBT模塊的封裝，這在實際應用中有很大的局限性。此外，還有利用IGBT模塊散熱板自帶的負溫度系數(NTC)熱敏電阻來進行IGBT結溫估計。然而，大部分半橋模塊都只有一個NTC熱敏電阻，因此很難區分一個橋臂上下兩個IGBT的結溫。近幾年，基于熱敏電參數的方法因其易于集成、響應速度快等優點受到廣泛的關注。現有的基于熱敏電參數的方法根據所依據的信號類型可分為兩類：一種是基于IGBT柵極和發射極之間的信號，另一種是基于集電極和發射極之間的信號。

首先針對基于IGBT柵極和發射極之間的信號，IGBT柵極閾值電壓，柵極米勒平臺電壓,IGBT內柵極驅動電阻、柵極驅動電流峰值，IGBT開通延遲時間,IGBT關斷時間均與IGBT的結溫有關。然而，基于柵極信號的采樣電路比較復雜且通過柵極信號檢測IGBT結溫的分辨率較低。

其次針對基于IGBT集電極和發射極之間的信號，集射極之間的通態電壓降與IGBT結溫之間具有線性關系，因此基于導通電壓降的方法是當下較為流行的方法。然而，大電流下的通態壓降法不僅受到溫度的影響，還受到IGBT模塊內部鍵合線失效的影響。小電流下的通態壓降一般需要額外注入小電流來實現，這對電路本身的工作是有干擾的。基于集電極飽和電流的結溫監測也受到廣大研究者的青睞。然而，在線測量飽和電流不可避免的需要引入間歇性額外提取，這干擾了電路的正常運行。處于關斷狀態的IGBT因為承受的直流母線電壓而產生泄漏電流。漏電流與溫度并非線性關系，且精確測量全溫度范圍的IGBT的漏電流比較困難。

由此可知，現有的IGBT結溫監測方法具有除了分辨率低、在線監測實施難度大等缺點外，還有一個問題在于它們都是器件級的結溫提取方法。對于變換器中包含多個IGBT的情況，則需要和IGBT數量一樣的監測單元。電力電子變換器通常包含許多IGBT器件，例如，一個三相逆變器包含6個IGBT。對于多電平電力電子變換器，IGBT的數量可以多達幾十個甚至上百個。如果采用傳統的器件級結溫監測方法，顯然對變換器內所有IGBT器件進行結溫監測，這顯然使得IGBT監測電路復雜且龐大。因此，有必要開發一種可以從整個變換器層面的參數提取變換器中所有IGBT結溫信息的方法。

發明內容

基于現有技術的上述情況，本發明的目的在于提供一種簡便、具有高分辨率、經濟、實用的變換器級IGBT結溫監測方法，以實現對IGBT結溫的變換器級的精確監測和控制。

為達到上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種IGBT結溫監測方法，所述結溫監測方法對變流器的IGBT結溫進行監測，包括步驟：

測量直流母線電壓穩定值；

監測IGBT所在相的相電流，根據相電流的方向以及所在半橋臂的初態和次態確定該IGBT的結溫監測時刻；