本實(shí)用新型涉及一種監(jiān)測裝置，具體涉及一種電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線監(jiān)測裝置，屬于電力電子技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電力電子器件作為能源變換和傳輸?shù)暮诵钠骷?，其?yīng)用范圍越來越廣泛。功率變換器系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，由于器件的開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗會使其芯片的溫度升高，使得器件內(nèi)部材料承受熱應(yīng)力，加速了開關(guān)器件老化程度以及失效率，導(dǎo)致變換器發(fā)生故障。

開關(guān)器件的結(jié)溫估計(jì)對其可靠性，健康狀態(tài)以及使用壽命評估具有重要意義。精確測量器件結(jié)溫是電力電子領(lǐng)亟需解決的問題。然而目前沒有一個(gè)較為可靠的辦法能夠直接測量或估算結(jié)溫。大多是通過測量器件基板或散熱片溫度，來反推器件結(jié)溫。近些年，研究人員提出了一些根據(jù)器件熱敏感電參數(shù)(Thermo-Sensitive Electrical Parameter TSEP)來估計(jì)器件結(jié)溫。即當(dāng)芯片溫度隨著運(yùn)行工況變化時(shí)，待測器件相應(yīng)的外部電氣參數(shù)也會隨之變化。通過對熱敏感電參數(shù)的測量，即可對芯片結(jié)溫進(jìn)行逆向預(yù)估。

目前，常用的根據(jù)TSEP來進(jìn)行結(jié)溫估計(jì)方法包括導(dǎo)通電壓測量法、閾值電壓法，短路電流法，最大電壓變化率法，最大電流變化率法等，這些測量條件要求高，并且提取較為困難。其中導(dǎo)通壓降參數(shù)對熱較為敏感，但是由于器件在正常工作時(shí)，開通電壓較低，一般幾伏之內(nèi)。關(guān)斷時(shí)承受的電壓則在幾百伏甚至高達(dá)上千伏。器件兩端的電壓動(dòng)態(tài)范圍變化較大，很難精確測量由于溫度變化而引起的導(dǎo)通壓降毫伏級別的變化。本領(lǐng)域的技術(shù)人員一直嘗試新的方案，但是該問題一直沒有得到妥善解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型正是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線監(jiān)測裝置，該技術(shù)方案采用動(dòng)態(tài)探測導(dǎo)通壓降法能夠在在器件導(dǎo)通時(shí)，通過可控開關(guān)，去探測電力電子開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降，當(dāng)器件關(guān)斷后，不再去探測，這樣能夠降低導(dǎo)通壓降探測電路的動(dòng)態(tài)范圍，大大提高測量精度。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下，一種電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述在線監(jiān)測裝置包括主控制單元、待測電力電子開關(guān)器件、電流檢測單元、V_ce(on)檢測單元以及AD采集單元，其中主控制單元包括器件驅(qū)動(dòng)單元和結(jié)溫計(jì)算單元，電流檢測單元用于采集器件導(dǎo)通狀態(tài)下流過器件的電流I_c，V_ce(on)檢測單元用于采集電力電子開關(guān)器導(dǎo)通狀態(tài)下的某一額定時(shí)間段的導(dǎo)通壓降V_ce，通過V_ce(on)檢測單元內(nèi)的模擬電路得出等效導(dǎo)通壓降信號V_ce(on)，AD采集單元完成模擬電流和電壓到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，器件驅(qū)動(dòng)單元，用于提供待測器件的門極的驅(qū)動(dòng)信號V_g和V_ce(on)檢測單元開關(guān)信號V_{p(mos)，}結(jié)溫計(jì)算單元，用于通過采集器件導(dǎo)通狀態(tài)的電流I_c和導(dǎo)通壓降V_ce(on)，查表計(jì)算得到器件的工作結(jié)溫T_j。

作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述電流檢測單元采用電流互感器或者羅氏線圈或者電阻測量法中的一種進(jìn)行檢測。

作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述V_ce(on)檢測單元，包含一個(gè)電子開關(guān)Q1，以及電壓采樣電路，所述電子開關(guān)Q1串聯(lián)在電壓采樣電路的輸入端。

作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述V_ce(on)檢測單元使電力電子開關(guān)器件在電子開關(guān)Q1開通狀態(tài)下的某一時(shí)間段內(nèi)接入檢測系統(tǒng)，在電力電子開關(guān)器件其他狀態(tài)下與電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)斷開，從而保護(hù)V_ce(on)檢測單元并能精確測量電力電子開關(guān)器件開通狀態(tài)下的導(dǎo)通壓降。

作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述電壓采樣電路、包括電阻R7、R8、R9、R10、電容C4、C5、C6以及運(yùn)算放大器U3，其中電阻R7、R8、R9、R10、電容C4、C5、C6以及運(yùn)算放大器U3，所述R7的另一端連接C4的一端，同時(shí)連接R9，C5的一端和U3的正極性輸入；所述C4的另一端連接U3的負(fù)極性輸入以及R8的一端，同時(shí)連接R10，C6的一端；所述R8的另一端接地；所述R10的另一端連接C6的另一端，同時(shí)連接到U3的輸出端Vce。

作為本實(shí)用新型的一種改進(jìn)，所述羅氏線圈采樣電路包括電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、電容C1、C2、C3以及運(yùn)算放大器U1、U2，所述R2一端接羅氏線圈，另一端接C1的一端和U1的正極性輸入端，所述C1的另一端接地，所述R1的一端接地，另一端接U1的負(fù)極性輸入，同時(shí)連接R3和C2的一端；所述R3的另一端接C2的另一端，同時(shí)連接U1的輸出；所述U1的輸出連接C3一端；所述C3的另一端連接R4的一端，同時(shí)連接U2的正極性輸入；所述R4的另一端接地；所述R5的一端接地，另一端連接U2的負(fù)極性輸入和和R6的一端；所述R6的另一端連接U2的輸出，U2的輸出為Ic_ad。

設(shè)置有電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線監(jiān)測裝置的檢測電路，其特征在于，所述檢測電路包括母線直流電壓源Vdc、母線電容C、負(fù)載電感L、功率二極管D以及IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)；其中，母線直流電壓源Vdc的正極與母線電容C一端、負(fù)載電感L一端和功率二極管D陰極相連，負(fù)載電感另一端與功率二極管D陽極和IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)中的待測IGBT模塊集電極IGBT_C相連，IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)中的待測IGBT模塊發(fā)射極IGBT_E 與母線電容另一端和母線直流電壓源Vdc的負(fù)極相連。

采用所述電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線監(jiān)測檢測電路的電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線監(jiān)測結(jié)溫檢測裝置的測試步驟如下：

由驅(qū)動(dòng)單元提供的電力電子開關(guān)器件的開關(guān)控制信號V_g與V_ce檢測單元開關(guān)信號V_p(mos)之間的電平變化時(shí)序；在t₀-t₃時(shí)間段內(nèi)，電力電子開關(guān)器件的開關(guān)控制信號V_g為高電平，待測電力電子開關(guān)器件為導(dǎo)通狀態(tài)，其余時(shí)間電力電子開關(guān)器件門極的開關(guān)控制信號V_g為低電平，待測電力電子開關(guān)器件為關(guān)斷狀態(tài)；

在t₁-t₂時(shí)間段內(nèi)，V_ce(on)檢測單元中的Q1導(dǎo)通，使得V_ce(on)檢測單元接入IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)，其余時(shí)間V_ce(on)檢測單元中的Q1關(guān)斷，使得V_ce(on)檢測單元與IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)斷開；由于IGBT模塊在實(shí)際工作過程中不斷的開通與關(guān)斷，為保證IGBT模塊結(jié)溫在線檢測的高精度，必須保證t1和t2時(shí)刻落在t0和t3的范圍內(nèi)；

驅(qū)動(dòng)單元提供的IGBT模塊門極的開關(guān)控制信號VIGBT的開通時(shí)間ton即t0和t3時(shí)刻由外部的控制單元決定，與結(jié)溫檢測裝置無關(guān)系。IGBT在接收到開通信號后，經(jīng)過開通延遲時(shí)間t_don,后才能正常開通。t_don時(shí)間由具體的被測器件確定，因此測量時(shí)刻必須在t_don以后。對于結(jié)溫測量裝置而言，并不知道t3時(shí)刻何時(shí)到來，因此需要盡快在IGBT開通過程中測量V_ce(on)。IGBT測量時(shí)間在1us即可，1us時(shí)間取決于采集電路的速度，對于高速運(yùn)放該時(shí)間可以更短。測量完成后將Q1關(guān)斷即可。具體的時(shí)序圖如圖3所示。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型具有如下優(yōu)點(diǎn)，1)該技術(shù)方案整體設(shè)計(jì)巧妙、結(jié)構(gòu)緊湊；2)該技術(shù)方案對IGBT模塊結(jié)溫在線檢測適用，由于IGBT模塊導(dǎo)通壓降與IGBT模塊關(guān)斷承受的母線電壓相差較大，普通的IGBT模塊導(dǎo)通壓降檢測電路的誤差較大；通過本實(shí)用新型的V_ce(on)檢測單元的電路進(jìn)行導(dǎo)通壓降采樣，能精確的提取出IGBT模塊導(dǎo)通狀態(tài)下的導(dǎo)通壓降V_ce；通過本實(shí)用新型的電流檢測單元中的羅氏線圈電流采樣電路，能精確的提取出IGBT模塊在開通狀態(tài)下的導(dǎo)通電流I_c；通過導(dǎo)通壓降V_ce(on)與導(dǎo)通電I_c的精確測量，進(jìn)而精確計(jì)算出IGBT模塊的結(jié)溫T_j；3)該技術(shù)方案成本較低，便于大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

附圖說明

圖1為實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為IGBT模塊檢測電路結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為測試信號時(shí)序圖，其中，V_g為IGBT模塊門極的開關(guān)控制信號，V_p(mos)為V_CE檢測單元開關(guān)信號,I_c為IGBT模塊導(dǎo)通電流，V_ce為IGBT模塊電壓，V_ce(on)為V_ce檢測單元輸出信號。

圖4為基于羅氏線圈電流I_c采樣電路示意圖；

圖5為導(dǎo)通壓降V_ce(on)檢測單元電路示意圖；

圖6為結(jié)溫與集電極電流和通態(tài)壓降的關(guān)系。

具體實(shí)施方式：

為了加深對本實(shí)用新型的理解，下面結(jié)合附圖對本實(shí)施例做詳細(xì)的說明。

實(shí)施例1：參見圖1，一種電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線監(jiān)測裝置，所述在線監(jiān)測裝置包括主控制單元、待測電力電子器件、電流檢測單元、V_ce(on)檢測單元以及AD采集單元，其中主控制單元包括器件驅(qū)動(dòng)單元和結(jié)溫計(jì)算單元，該技術(shù)方案中，待測電力電子開關(guān)器件包含常用電力電子開關(guān)器件，包括MOSFET，IGBT等；電流檢測單元用于采集器件導(dǎo)通狀態(tài)下流過器件的電流I_c，V_ce(on)檢測單元用于采集IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下的某一額定時(shí)間段的導(dǎo)通壓降V_ce，通過V_ce(on)檢測單元內(nèi)的模擬電路得出等效導(dǎo)通壓降信號V_ce(on)，AD采集單元完成模擬電流和電壓到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，器件驅(qū)動(dòng)單元，用于提供待測器件的門極的驅(qū)動(dòng)信號V_g和V_ce(on)檢測單元開關(guān)信號V_p(mos)，IGBT驅(qū)動(dòng)單元采用數(shù)字驅(qū)動(dòng)方式，在IGBT驅(qū)動(dòng)單元中調(diào)整IGBT模塊門極的開關(guān)控制信號V_g與V_ce(on)檢測單元開關(guān)信號V_p(mos)之間的電平變化時(shí)序關(guān)系；門極驅(qū)動(dòng)信號V_g為待測器件的開關(guān)信號，該單元主要將弱電控制信號放大到能驅(qū)動(dòng)待測器件的信號。V_p(mos)為導(dǎo)通壓降V_ce(on)檢測單元提供開關(guān)信號，當(dāng)待測器件接收到開通信號V_g后，器件處于導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)適合V_ce(on)檢測單元去探測導(dǎo)通壓降。可以將V_ce(on)檢測單元內(nèi)部的開關(guān)接通，當(dāng)探測完畢后，需要將內(nèi)部開關(guān)斷開。結(jié)溫計(jì)算單元，器件的結(jié)溫與電流I_c和導(dǎo)通壓降的V_ce(on)的關(guān)系可用T_j＝f(V_ce(on),I_c)來表示。該方程為分線性，可以通過離線測量建立結(jié)溫與I_c、V_ce(on)的表格。結(jié)溫計(jì)算單元主要通過采集器件導(dǎo)通狀態(tài)的電流I_c和導(dǎo)通壓降V_ce(on)，通過查表計(jì)算得到器件的工作結(jié)溫T_j；所述電流檢測單元采用電流互感器或者羅氏線圈或者電阻測量法中的一種進(jìn)行檢測。

所述V_ce(on)檢測單元，用于采集IGBT導(dǎo)通狀態(tài)下的某一額定時(shí)間段的導(dǎo)通壓降V_ce，V_ce(on)檢測單元采用串接MOSFET作為開關(guān)的方法，使V_ce(on)檢測單元在IGBT模塊開通狀態(tài)下的某一時(shí)間段內(nèi)接入檢測系統(tǒng)，在IGBT模塊其他狀態(tài)下與IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)斷開，從而保護(hù)V_ce(on)檢測單元并能精確測量IGBT模塊開通狀態(tài)下的導(dǎo)通壓降。由于IGBT模塊開通的導(dǎo)通壓降遠(yuǎn)小于關(guān)斷電壓，傳統(tǒng)提取IGBT模塊導(dǎo)通壓降的方法沒有將導(dǎo)通壓降與關(guān)斷電壓分開，導(dǎo)致測量動(dòng)態(tài)范圍過大，從而造成導(dǎo)通壓降提取誤差大，通過本實(shí)用新型的V_CE(on)檢測單元可以保證導(dǎo)通壓降的高精確度。所述V_ce(on)檢測單元，包含一個(gè)電子開關(guān)Q1，以及電壓采樣電路，所述電子開關(guān)Q1串聯(lián)在電壓采樣電路的輸入端。所述V_ce(on)檢測單元使電力電子開關(guān)器件在電子開關(guān)Q1開通狀態(tài)下的某一時(shí)間段內(nèi)接入檢測系統(tǒng)，在電力電子開關(guān)器件其他狀態(tài)下與電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)斷開，從而保護(hù)V_ce(on)檢測單元并能精確測量電力電子開關(guān)器件開通狀態(tài)下的導(dǎo)通壓降。參見圖5，所述電壓采樣電路、包括電阻R7、R8、R9、R10、電容C4、C5、C6以及運(yùn)算放大器U3，其中電阻R7、R8、R9、R10、電容C4、C5、C6以及運(yùn)算放大器U3，所述R7的另一端連接C4的一端，同時(shí)連接R9，C5的一端和U3的正極性輸入；所述C4的另一端連接U3的負(fù)極性輸入以及R8的一端，同時(shí)連接R10，C6的一端；所述R8的另一端接地；所述R10的另一端連接C6的另一端，同時(shí)連接到U3的輸出端Vce。

參見圖4，所述羅氏線圈采樣電路包括電阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、電容C1、C2、C3以及運(yùn)算放大器U1、U2，所述R2一端接羅氏線圈，另一端接C1的一端和U1的正極性輸入端，所述C1的另一端接地，所述R1的一端接地，另一端接U1的負(fù)極性輸入，同時(shí)連接R3和C2的一端；所述R3的另一端接C2的另一端，同時(shí)連接U1的輸出；所述U1的輸出連接C3一端；所述C3的另一端連接R4的一端，同時(shí)連接U2的正極性輸入；所述R4的另一端接地；所述R5的一端接地，另一端連接U2的負(fù)極性輸入和和R6的一端；所述R6的另一端連接U2的輸出，U2的輸出為Ic_ad。

實(shí)施例2：參見圖2，設(shè)置有電力電子開關(guān)器件結(jié)溫在線監(jiān)測裝置的IGBT檢測電路，，所述檢測電路包括母線直流電壓源Vdc、母線電容C、負(fù)載電感L、功率二極管D以及IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)；其中，母線直流電壓源Vdc的正極與母線電容C一端、負(fù)載電感L一端和功率二極管D陰極相連，負(fù)載電感另一端與功率二極管D陽極和IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)中的待測IGBT模塊集電極IGBT_C相連，IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)中的待測IGBT模塊發(fā)射極IGBT_E與母線電容另一端和母線直流電壓源Vdc的負(fù)極相連。

實(shí)施例3：參見圖3，采用所述IGBT模塊檢測電路的IGBT模塊結(jié)溫檢測裝置的測試步驟如下：按照圖3所示的IGBT驅(qū)動(dòng)和mos驅(qū)動(dòng)時(shí)序圖配合，完成高精度導(dǎo)通壓降的測量，在t₀-t₃時(shí)間段內(nèi)，IGBT模塊門極的開關(guān)控制信號V_g為高電平，待測IGBT模塊為導(dǎo)通狀態(tài)，其余時(shí)間IGBT模塊門極的開關(guān)控制信號V_g為低電平，待測IGBT模塊為關(guān)斷狀態(tài)；在t₁-t₂時(shí)間段內(nèi)，V_ce(on)檢測單元中的Q1導(dǎo)通，使得V_ce(on)檢測單元接入IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)，其余時(shí)間V_ce(on)檢測單元中的Q1關(guān)斷，使得V_ce(on)檢測單元與IGBT模塊結(jié)溫在線檢測系統(tǒng)斷開。由于IGBT模塊在實(shí)際工作過程中不斷的開通與關(guān)斷，為保證IGBT模塊結(jié)溫在線檢測的高精度，必須保證t1和t2時(shí)刻落在t0和t3的范圍內(nèi)。驅(qū)動(dòng)單元提供的IGBT模塊門極的開關(guān)控制信號VIGBT的開通時(shí)間ton即t0和t3時(shí)刻由外部的控制單元決定，與結(jié)溫檢測裝置無關(guān)系。IGBT在接收到開通信號后，經(jīng)過開通延遲時(shí)間t_don,后才能正常開通。t_don時(shí)間由具體的被測器件確定，因此測量時(shí)刻必須在t_don以后。對于結(jié)溫測量裝置而言，并不知道t3時(shí)刻何時(shí)到來，因此需要盡快在IGBT開通過程中測量V_ce(on)。IGBT測量時(shí)間在1us即可，1us時(shí)間取決于采集電路的速度，對于高速運(yùn)放該時(shí)間可以更短。測量完成后將Q1關(guān)斷即可。具體的時(shí)序圖如圖3所示。

工作原理：

首先離線測試建立被測器件結(jié)溫與電流I_c和導(dǎo)通壓降的V_ce(on)的關(guān)系表格，由公式T_j＝f(V_ce(on),I_c)表示。圖6為器件結(jié)溫與電流I_c和導(dǎo)通壓降的V_ce(on)的關(guān)系曲線。在實(shí)際IGBT開關(guān)過程中，按照圖3實(shí)時(shí)記錄I_c和V_ce(on)，根據(jù)事先建立的表格，通過查表法得到器件的工作結(jié)溫。以某半導(dǎo)體廠商IGBT工作狀態(tài)為例，在IGBT開關(guān)過程中側(cè)的電流I_c為150A，V_ce(on)為3.1V，通過查表可得結(jié)溫為60℃。

結(jié)溫計(jì)算單元，器件的結(jié)溫與電流I_c和導(dǎo)通壓降的V_ce(on)的關(guān)系可用T_j＝f(V_ce(on),I_c)來表示。該方程為非線性，可以通過離線測量建立結(jié)溫與I_c、V_ce(on)的表格，如圖6所示。結(jié)溫計(jì)算單元主要通過采集器件導(dǎo)通狀態(tài)的電流I_c和導(dǎo)通壓降V_ce(on)，通過查表計(jì)算得到器件的工作結(jié)溫T_j；

需要說明的是上述實(shí)施例，并非用來限定本實(shí)用新型的保護(hù)范圍，在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上所作出的等同變換或替代均落入本實(shí)用新型權(quán)利要求所保護(hù)的范圍。