Igbt老化狀態(tài)監(jiān)測方法及裝置的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法及裝置，其方法包括：通過測量電路中的穩(wěn)壓芯片輸出正常電壓，當穩(wěn)壓芯片控制信號為高電平時，測量電路輸出驅(qū)動電壓使待測IGBT導通；將穩(wěn)壓芯片控制信號置為低電平，使穩(wěn)壓芯片輸出電壓為零，當IGBT門極電壓降至開通閾值電壓時，流經(jīng)IGBT集電極電流為零，控制驅(qū)動電壓緩慢連續(xù)下降，并截取的測量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形,獲取待測IGBT的傳輸特性曲線；將通過所述傳輸特性曲線提取的待測IGBT的導通閾值電壓和跨導作為老化狀態(tài)特征量，對待測IBGT的老化狀態(tài)進行監(jiān)測；本發(fā)明具有快速、準確的對IGBT的老化狀態(tài)情況進行檢測的特點。
【專利說明】
IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法及裝置
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及電子技術領域，尤其涉及一種IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法及裝置。
【背景技術】
[0002] IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，絕緣柵雙極型晶體管），是能源變換 與傳輸?shù)暮诵钠骷?，作為國家?zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，在軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天、電動汽車 與新能源裝備等領域應用極廣，IGBT模塊是應用最廣泛的功率器件，有著不可或缺的地位。 在實際運用中，由于功率變流器長時間工作于處理功率大范圍隨機波動的惡劣工況下，造 成IGBT器件內(nèi)部的結溫持續(xù)大范圍波動，進而使IGBT出現(xiàn)老化失效的情況，如能實時監(jiān)測 IGBT的老化狀態(tài)，就可以及時替換接近老化失效的模塊，進而避免造成重大損失?，F(xiàn)有IGBT 老化監(jiān)測技術多使用小電流下的飽和壓降V CE-sat，在IGBT飽和導通時注入100mA小電流，然 后讀取該狀態(tài)下的VCE，但是飽和導通壓降相對老化過程的變化量很小，一般只有十幾mV左 右，并且變流器的母線電壓一般在幾百伏上千伏，從上千伏中測量十幾mV的變化量，這對采 樣系統(tǒng)要求很高，因此，亟需一種新的快速準確檢測IGBT的老化狀態(tài)的方法，避免測量電路 對IGBT正常運行的影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 有鑒于此，本發(fā)明提供一種IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法及裝置，以解決上述問題。
[0004]本發(fā)明提供的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法，包括
[0005] a.通過測量電路中的穩(wěn)壓芯片輸出正常電壓，當穩(wěn)壓芯片控制信號為高電平時， 測量電路輸出驅(qū)動電壓使待測IGBT導通；
[0006] b.將穩(wěn)壓芯片控制信號置為低電平，使穩(wěn)壓芯片輸出電壓為零，當IGBT門極電壓 降至開通閾值電壓時，流經(jīng)IGBT集電極電流為零，控制驅(qū)動電壓緩慢連續(xù)下降，并截取的測 量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形，獲取待測IGBT的傳輸特性曲線；
[0007] C.將通過所述傳輸特性曲線提取的待測IGBT的導通閾值電壓和跨導作為老化狀 態(tài)特征量，對待測IBGT的老化狀態(tài)進行監(jiān)測。
[0008] 進一步，所述驅(qū)動電壓波形和集電極電流波形關系如下式表示：
[0010 ] 其中，Vge表示門極電壓，I c表示集電極電流，Ksat表示夸導，Vth表示閾值；
[0011] 對測量的驅(qū)動電壓波形和集電極電流波形數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，獲取相應系數(shù)，計 算跨導和閾值電壓。
[0012] 進一步，所述測量電路和常規(guī)驅(qū)動電路通過切換開關與待測IGBT連接，當對待測 IGBT進行測量時，通過切換開關控制測量電路與待測IGBT連接，同時斷開常規(guī)驅(qū)動電路與 待測IGBT連接，對待測IGBT測量完成后，切換至常規(guī)驅(qū)動電路。
[0013] 進一步，通過改變數(shù)字電位器的阻值控制所述測量電路的輸出電壓值進行改變。
[0014]進一步，當切換開關切換至測量電路時，IGBT處于關斷狀態(tài)，通過所述穩(wěn)壓芯片輸 出脈寬驅(qū)動電壓信號使其導通，所述脈寬驅(qū)動電壓信號為窄脈寬驅(qū)動電壓信號，且脈寬信 號高度根據(jù)IGBT的門極驅(qū)動電壓確定。
[0015]進一步，通過IGBT鍵合線脫落對所述傳輸特性曲線的影響變化，計算不同鍵合線 脫落數(shù)對應的跨導和閾值電壓，對IGBT的老化狀態(tài)進行判定。
[0016] 本發(fā)明還提供一種IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測裝置，包括測量電路，所述測量電路包括
[0017] 穩(wěn)壓芯片，用于輸出脈寬驅(qū)動電壓信號，
[0018] 采集單元，用于采集測量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形，
[0019] 門極電壓控制單元，用于使驅(qū)動電壓緩慢連續(xù)進行變化，
[0020] 監(jiān)測單元，用于根據(jù)所述測量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形獲 取待測IGBT的傳輸特性曲線，并提取的待測IGBT的導通閾值電壓和跨導；
[0021] 當穩(wěn)壓芯片控制信號為高電平時，測量電路輸出驅(qū)動電壓使待測IGBT導通，將穩(wěn) 壓芯片控制信號置為低電平，使穩(wěn)壓芯片輸出電壓為零，當IGBT門極電壓降至開通閾值電 壓時，門極電壓控制單元控制驅(qū)動電壓緩慢連續(xù)下降，并截取的測量電路輸出驅(qū)動電壓波 形和相應的集電極電流波形，獲取待測IGBT的傳輸特性曲線，將通過所述傳輸特性曲線提 取的待測IGBT的導通閾值電壓和跨導作為老化狀態(tài)特征量，對待測IBGT的老化狀態(tài)進行監(jiān) 測 。
[0022] 進一步，還包括常規(guī)驅(qū)動電路和切換開關，所述常規(guī)驅(qū)動電路和測量電路通過雙 路切換開關與待測IGBT連接，當對待測IGBT進行測量時，通過切換開關控制測量電路與待 測IGBT連接，同時斷開常規(guī)驅(qū)動電路與待測IGBT連接，對待測IGBT測量完成后，切換至常規(guī) 驅(qū)動電路。
[0023] 進一步，還包括數(shù)字電位器，用于輸出電壓調(diào)節(jié)，給穩(wěn)壓電路輸出電容預充設定電 壓。
[0024]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明中的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測裝置，可以實現(xiàn)對IGBT傳輸特 性曲線的快速測量，以此來提取IGBT的老化特征量，通過老化特征量獲得IGBT的老化狀態(tài) 信息，以達到對IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測的目的；本發(fā)明能夠使老化特征量測量電路與常規(guī)驅(qū)動 電路之間進行自由切換，快速測量完成后切換至常規(guī)驅(qū)動電路，避免了測量電路對IGBT正 常運行的影響，本發(fā)明具有快速、準確的對IGBT的老化狀態(tài)情況進行檢測的特點。
【附圖說明】
[0025]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述：
[0026]圖1是本發(fā)明的原理示意圖。
[0027] 圖2是本發(fā)明測量電路示意圖。
[0028] 圖3是本發(fā)明的監(jiān)測裝置結構示意圖。
[0029] 圖4是本發(fā)明的驅(qū)動窄脈沖信號波形示意圖。
[0030] 圖5是本發(fā)明的IGBT門極驅(qū)動電壓與集電極電流波形示意圖。
[0031] 圖6是本發(fā)明的測量與數(shù)據(jù)手冊傳輸特性曲線對比示意圖。
[0032] 圖7是本發(fā)明不同鍵合線斷裂數(shù)時傳輸特性曲線示意圖。
【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步描述：圖1是本發(fā)明的原理示意圖，圖2 是本發(fā)明測量電路示意圖，圖3是本發(fā)明的監(jiān)測裝置結構示意圖，圖4是本發(fā)明的驅(qū)動窄脈 沖信號波形示意圖，圖5是本發(fā)明的IGBT門極驅(qū)動電壓與集電極電流波形示意圖，圖6是本 發(fā)明的測量與數(shù)據(jù)手冊傳輸特性曲線對比示意圖，圖7是本發(fā)明不同鍵合線斷裂數(shù)時傳輸 特性曲線示意圖。
[0034]如圖1-7所示，本實施例中的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法，包括
[0035] a.通過測量電路中的穩(wěn)壓芯片輸出正常電壓，當穩(wěn)壓芯片控制信號為高電平時， 測量電路輸出驅(qū)動電壓使待測IGBT導通；
[0036] b.將穩(wěn)壓芯片控制信號置為低電平，使穩(wěn)壓芯片輸出電壓為零，當IGBT門極電壓 降至開通閾值電壓時，流經(jīng)IGBT集電極電流為零，控制驅(qū)動電壓緩慢連續(xù)下降，并截取的測 量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形，獲取待測IGBT的傳輸特性曲線；
[0037] c.將通過所述傳輸特性曲線提取的待測IGBT的導通閾值電壓和跨導作為老化狀 態(tài)特征量，對待測IBGT的老化狀態(tài)進行監(jiān)測。
[0038]本實施例中的測量電路和常規(guī)驅(qū)動電路通過切換開關與待測IGBT連接，當對待測 IGBT進行測量時，通過切換開關控制測量電路與待測IGBT連接，同時斷開常規(guī)驅(qū)動電路與 待測IGBT連接，對待測IGBT測量完成后，切換至常規(guī)驅(qū)動電路。在實際監(jiān)測過程中，IGBT處 于正常工作狀態(tài)時，通過切換開關使IGBT的門極連接至常規(guī)驅(qū)動電路，當工作一段時間，需 要對IGBT模塊老化狀態(tài)進行測量時(一般在變流器停機時進行，如電動汽車停車時，風機因 風速不適合工作而停機時等），控制切換開關切換至測量驅(qū)動電路，此時測量工位IGBT處于 關斷狀態(tài)，給穩(wěn)壓芯片一個觸發(fā)信號使其正常輸出一個窄脈寬驅(qū)動電壓信號，如圖4所示， 脈寬信號的高度根據(jù)不同的IGBT的門極驅(qū)動電壓確定。當穩(wěn)壓芯片控制信號為高電平時， 測量電路輸出導通驅(qū)動電壓，測量工位IGBT導通，直流電源輸出固定電流值，流過IGBT集電 極的電流增加，當穩(wěn)壓芯片控制信號為低電平時，穩(wěn)壓芯片輸出電壓為零，如圖2所示，在本 實施例中，利用RC電路放電特性實現(xiàn)驅(qū)動電壓的連續(xù)變化，此時由于電容匕和電阻R g，IGBT 門極電壓開始緩慢下降，流過IGBT的集電極電流也開始緩慢下降，當IGBT門極電壓下降至 IGBT開通閾值電壓時，流過IGBT的集電極電流為零。
[0039]如圖5所示，通過采集單元對驅(qū)動電壓波形和集電極電流波形進行數(shù)據(jù)采集，根據(jù) 截取測量電路輸出驅(qū)動電壓開始下降之后的驅(qū)動電壓波形與相應的集電極電流波形，即可 得到IGBT的傳輸特性曲線，驅(qū)動電壓波形和集電極電流波形關系如下式表示：
[0041] 其中，Vge表不門極電壓，Ic表不集電極電流，Ksat表不夸導，Vth表不閾值
[0042]根據(jù)上述公式，使用所述測量所得驅(qū)動電壓波形與集電極電流波形的數(shù)據(jù)對公式 進行數(shù)據(jù)擬合，即可得到相應的系數(shù)，然后根據(jù)系數(shù)獲取跨導與閾值。
[0043]在本實施例中，采用英飛凌的FF50R12RT4型號的IGBT作為實驗對象，觸發(fā)開通信 號由DSP發(fā)出lms脈寬的窄脈沖信號，門極電壓VCE與集電極電流Ic的波形由數(shù)據(jù)采集卡進行 采集，本實施例中所測的IGBT傳輸特性曲線與數(shù)據(jù)手冊上的傳輸特性曲線對比如圖6所示， 可以看出兩條曲線非常接近。
[0044]在本實施例中，通過IGBT鍵合線脫落對所述傳輸特性曲線的影響變化，計算不同 鍵合線脫落數(shù)對應的跨導和閾值電壓，對IGBT的老化狀態(tài)進行判定。由于IGBT模塊的老化 會使其內(nèi)部的鍵合線斷裂，因此，本實施例通過逐漸剪斷IGBT的鍵合線來模擬IGBT模塊的 老化情況，IGBT的傳輸特性曲線隨鍵合線斷裂變化情況如圖7所示，然后根據(jù)公式(1)對圖7 的傳輸特性曲線進行數(shù)據(jù)擬合，擬合結果如表1所示，可以看出，隨著鍵合線脫落數(shù)的增加， 夸導Ksat與閾值Vth都依次下降。
[0047]相應地，本實施例還提供一種IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測裝置，包括測量電路，所述測量電 路包括
[0048] 穩(wěn)壓芯片，用于輸出脈寬驅(qū)動電壓信號，
[0049] 采集單元，用于采集測量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形，
[0050] 門極電壓控制單元，用于使驅(qū)動電壓緩慢連續(xù)進行變化，
[0051]監(jiān)測單元，用于根據(jù)所述測量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形獲 取待測IGBT的傳輸特性曲線，并提取的待測IGBT的導通閾值電壓和跨導；
[0052] 如圖2所示本實施例中的穩(wěn)壓芯片采用LM2678,當穩(wěn)壓芯片控制信號為高電平時， 測量電路輸出驅(qū)動電壓使待測IGBT導通，將穩(wěn)壓芯片控制信號置為低電平，使穩(wěn)壓芯片輸 出電壓為零，當IGBT門極電壓降至開通閾值電壓時，門極電壓控制單元控制驅(qū)動電壓緩慢 連續(xù)下降，并截取的測量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形，獲取待測IGBT 的傳輸特性曲線，將通過所述傳輸特性曲線提取的待測IGBT的導通閾值電壓和跨導作為老 化狀態(tài)特征量，對待測IBGT的老化狀態(tài)進行監(jiān)測。
[0053] 如圖1、3所示，還包括常規(guī)驅(qū)動電路和切換開關，所述常規(guī)驅(qū)動電路和測量電路通 過切換開關與待測IGBT連接，當對待測IGBT進行測量時，通過切換開關控制測量電路與待 測IGBT連接，同時斷開常規(guī)驅(qū)動電路與待測IGBT連接，對待測IGBT測量完成后，切換至常規(guī) 驅(qū)動電路。
[0054]如圖2所示，還包括數(shù)字電位器，用于輸出電壓調(diào)節(jié)，給穩(wěn)壓電路輸出電容預充一 設定電壓，設定電壓大小由待測IGBT確定，該電壓值一般使待測IGBT進入線性區(qū)但不進入 飽和區(qū)為宜，通過數(shù)字電位器方便數(shù)字調(diào)節(jié)所提驅(qū)動輸出電壓，可以針對不同模塊調(diào)節(jié)合 適的門極電壓，使IGBT模塊進入線性區(qū)工作而不進入飽和區(qū)，限制IGBT模塊的集電極電流 的最大值，一般控制在額定值的1.5倍合適。
[0055]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術方案而非限制，盡管參照較 佳實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領域的普通技術人員應當理解，可以對本發(fā)明的技 術方案進行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術方案的宗旨和范圍，其均應涵蓋在本 發(fā)明的權利要求范圍當中。
【主權項】
1. 一種IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于:包括 a. 通過測量電路中的穩(wěn)壓忍片輸出正常電壓，當穩(wěn)壓忍片控制信號為高電平時，測量 電路輸出驅(qū)動電壓使待測IGBT導通； b. 將穩(wěn)壓忍片控制信號置為低電平，使穩(wěn)壓忍片輸出電壓為零，當IGBT 口極電壓降至 開通闊值電壓時，流經(jīng)IGBT集電極電流為零，控制驅(qū)動電壓緩慢連續(xù)下降，并截取的測量電 路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形，獲取待測IGBT的傳輸特性曲線； C.將通過所述傳輸特性曲線提取的待測IGBT的導通闊值電壓和跨導作為老化狀態(tài)特 征量，對待測IBGT的老化狀態(tài)進行監(jiān)測。2. 根據(jù)權利要求1所述的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于:所述驅(qū)動電壓波形和集 電極電流波形關系如下式表示：其中，Vce表示口極電壓，IC表示集電極電流，Ksat表示夸導，Vth表示闊值； 對測量的驅(qū)動電壓波形和集電極電流波形數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)擬合，獲取相應系數(shù)，計算跨 導和闊值電壓。3. 根據(jù)權利要求1所述的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于:所述測量電路和常規(guī)驅(qū) 動電路通過切換開關與待測IGBT連接，當對待測IGBT進行測量時，通過切換開關控制測量 電路與待測IGBT連接，同時斷開常規(guī)驅(qū)動電路與待測IGBT連接，對待測IGB巧則量完成后，切 換至常規(guī)驅(qū)動電路。4. 根據(jù)權利要求1所述的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于:通過改變數(shù)字電位器的 阻值控制所述測量電路的輸出電壓值進行改變。5. 根據(jù)權利要求1所述的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于：當切換開關切換至測量 電路時，IGBT處于關斷狀態(tài)，通過所述穩(wěn)壓忍片輸出脈寬驅(qū)動電壓信號使其導通，所述脈寬 驅(qū)動電壓信號為窄脈寬驅(qū)動電壓信號，且脈寬信號高度根據(jù)IGBT的口極驅(qū)動電壓確定。6. 根據(jù)權利要求1-5任一權利要求所述的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測方法，其特征在于：通過 IGBT鍵合線脫落對所述傳輸特性曲線的影響變化，計算不同鍵合線脫落數(shù)對應的跨導和闊 值電壓，對IGBT的老化狀態(tài)進行判定。7. -種IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于:包括測量電路，所述測量電路包括 穩(wěn)壓忍片，用于輸出脈寬驅(qū)動電壓信號， 采集單元，用于采集測量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形， 口極電壓控制單元，用于使驅(qū)動電壓緩慢連續(xù)進行變化， 監(jiān)測單元，用于根據(jù)所述測量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相應的集電極電流波形獲取待 測IGBT的傳輸特性曲線，并提取的待測IGBT的導通闊值電壓和跨導； 當穩(wěn)壓忍片控制信號為高電平時，測量電路輸出驅(qū)動電壓使待測IGBT導通，將穩(wěn)壓忍 片控制信號置為低電平，使穩(wěn)壓忍片輸出電壓為零，當IGBT 口極電壓降至開通闊值電壓時， 口極電壓控制單元控制驅(qū)動電壓緩慢連續(xù)下降，并截取的測量電路輸出驅(qū)動電壓波形和相 應的集電極電流波形，獲取待測IGBT的傳輸特性曲線，將通過所述傳輸特性曲線提取的待 測IGBT的導通闊值電壓和跨導作為老化狀態(tài)特征量，對待測IBGT的老化狀態(tài)進行監(jiān)測。8. 根據(jù)權利要求7所述的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于:還包括常規(guī)驅(qū)動電路和 切換開關，所述常規(guī)驅(qū)動電路和測量電路通過切換開關與待測IGBT連接，當對待測IGBT進 行測量時，通過切換開關控制測量電路與待測IGBT連接，同時斷開常規(guī)驅(qū)動電路與待測 IGBT連接，對待測IGBT測量完成后，切換至常規(guī)驅(qū)動電路。9.根據(jù)權利要求8所述的IGBT老化狀態(tài)監(jiān)測裝置，其特征在于:還包括數(shù)字電位器，用 于輸出電壓調(diào)節(jié)，給穩(wěn)壓電路輸出電容預充設定電壓。
【文檔編號】G01R31/26GK105911446SQ201610223894
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月12日
【發(fā)明人】周雒維, 彭英舟, 張晏銘, 蔡杰, 王凱宏, 孫鵬菊, 杜雄
【申請人】重慶大學