CN103207362B - 用于实时监测igbt器件的操作状态的***和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于实时监测IGBT器件的操作状态、特别地用于确定IGBT器件的结温的***，包括：－微分单元，用于接收要测量的IGBT器件的栅极-发射极电压特性以及用于微分该栅极-发射极电压特性来获得与IGBT器件的关断期期间的Miller平台期所形成的边缘相关的脉冲；－计时器单元，用于测量获得的指示IGBT器件的关断期期间的Miller平台期的起始和结束的脉冲之间的时间延迟；－结温计算单元，用于基于测量的时间延迟确定IGBT器件的结温（图4）。
Description
技术领域
本发明涉及IGBT器件的领域，特别地涉及用于测量或估计IGBT器件的结温的方法。
背景技术
在操作期间半导体模块中的IGBT器件的结温在例如功率电子转换器中是重要的参数，其提供关于器件所暴露的热应力的信息。因此，它可以用于预测和评估IGBT器件和功率模块的老化并且估计IGBT器件的剩余寿命。
常规地，使用标准温度测量技术测量IGBT器件的结温，例如使用红外拍摄装置探测、在IGBT器件封装内部直接在IGBT半导体处或附近的热耦，或测量IGBT器件的内部栅极电阻以便获得器件温度的指示。这些技术或牵涉对IGBT器件封装的直接接触或需要专门设计的IGBT器件。
此外，可以通过凭借温度传感器测量基底板或衬底的温度并且应用描述器件中的热互作用的详细热网络而模拟内部IGBT器件温度。该模拟基于关于施加到IGBT器件的电压和电流波形等电参量的信息，使得可以估计IGBT温度。
由于直接在半导体结处未测量到温度时的延迟热响应，上文的用于确定温度的方法未提供需要的及时分辨率和精确度。因此，特别地，如果及时分辨率应该处于接近IGBT器件的控制频率的频率，这些技术不适合于IGBT结温的在线测量。
因此，本发明的目的是提供用于确定IGBT器件的结温的方法和***，其高度精确地且以高的及时分辨率提供温度的指示。
发明内容
该目的由根据本发明的用于确定IGBT器件的结温的***和方法实现。
本发明还公开了另外的实施例。
根据第一方面，提供用于确定IGBT器件的结温和/或剩余寿命的***。该***包括：
－微分单元，用于接收要测量的IGBT器件的栅极-发射极电压特性和用于微分该栅极-发射极电压特性来获得与IGBT器件的关断期期间的Miller平台期所形成的边缘相关的脉冲；
－计时器单元，用于测量获得的指示IGBT器件的关断期期间Miller平台期的起始和结束的脉冲之间的时间延迟；
－结温计算单元，用于基于测量的时间延迟确定IGBT器件的结温和/或剩余寿命。
IGBT器件的行为强烈地取决于其操作温度。这是由于温度与基本物理参数（例如迁移率、寿命和本征载流子浓度）之间强烈的相互依赖性。因为这些基本物理参数反映标准半导体特性，半导体器件的电特性是温度依赖的。除例如阈值电压、导通和关断延迟时间、开关损耗等需要复杂的测量技术的热敏电参数外，还发现，特别地在给定负载条件的IGBT器件的关断特性可以用于以精确的方式确定器件的结温。特别地，关断期间的栅极-发射极电压特性示出由于本体电容的放电而具有两个步阶的阶梯模式，其中第一下降边缘与第二下降边缘之间的时间延迟确定了强烈地取决于器件结温的持续时间。该阶梯模式形成类似平台的特性，也称为Miller平台。
此外，发现该时间延迟是IGBT结温的接近于线性的函数。因此，提供了分析IGBT器件的栅极-发射极电压的关断特性以便确定IGBT结温。
Miller平台的持续时间的估计允许精确确定IGBT器件的各开关时的结温。因此，可以获得IGBT器件的在线温度特性，其例如允许更精确估计施加在IGBT器件上的热应力及其剩余寿命。
此外，结温计算单元可适用于基于测量的时间延迟和IGBT器件的集电极-发射极电压以及IGBT器件电流确定IGBT器件的结温。
可提供结温计算单元适用于凭借给定查找表或给定函数确定IGBT器件的结温和/或剩余寿命。
根据实施例，信号幅度检测单元和比较器单元可配置成从其他脉冲选择指示IGBT器件的关断期期间的Miller平台期的起始和结束的脉冲，其中该比较器单元适用于基于作为阈值水平的参考开关电压而对脉冲滤波，其中该信号幅度检测单元适用于基于在微分单元中产生的脉冲的幅度产生相应的阈值水平。
可提供信号幅度检测单元和比较器单元，其配置成从其他脉冲选择指示IGBT器件的关断期期间Miller平台期的起始和结束的脉冲，其中该比较器单元适用于将脉冲的电压水平与作为阈值水平的相应参考开关电压比较来获得二进制脉冲信号，其中该信号幅度检测单元适用于基于在微分单元中产生的脉冲的幅度产生相应的阈值水平。
此外，比较器单元可配置成在将脉冲的电压水平与作为阈值水平的相应参考开关电压比较来获得二进制信号时应用滞后。
根据第一方面，提供用于确定IGBT器件的结温和/或剩余寿命的方法。该方法包括以下步骤：
－微分栅极-发射极电压特性来获得与IGBT器件的关断期期间的Miller平台期所形成的边缘相关的脉冲；
－测量获得的指示IGBT器件的关断期期间的Miller平台期的起始和结束的脉冲之间的时间延迟；
－基于测量的时间延迟确定IGBT器件的结温和/或剩余寿命。
根据实施例，可进一步基于集电极-发射极电压和IGBT器件电流确定IGBT器件的结温。
附图说明
本发明的优选实施例将连同附图更详细描述，其中：
图1示出由控制单元控制的IGBT驱动模块的示意图；
图2示出描绘在关断期期间IGBT器件随时间的栅极-发射极电压的图；
图3示出描绘随IGBT器件的结温的Miller平台的时间延迟的图；
图4示出用于确定Miller平台的时间延迟的功能框图；
图5示出温度确定单元的示例的示意图；以及
图6示出与产生作为比较器单元的输出的脉冲有关的测量IGBT器件的栅极-发射极电压的特性。
具体实施方式
图1示出用于提供从在高供应势VH与低供应势VL之间施加的DC供应源产生的三相输出的IGBT驱动器模块1的示意图。该IGBT驱动器模块1由控制单元2控制。该IGBT驱动器模块1包括B6电路，其具有三个半桥11，对于每个输出相U、V、W具有一个。
每个半桥11是在高供应势VH与低供应势VL之间的两个IGBT器件的串联连接。在半桥11中的每个中，第一IGBT器件12的控制器端C连接到高供应势VH，而第一IGBT器件12的发射极端E连接到相应输出相U、V、W的输出节点。第二IGBT器件13的集电极端C连接到该输出节点和第一IGBT器件12的发射极端E，而第二IGBT器件13的集电极端C连接到低供应势VL。
每个半桥11的每个IGBT器件12、13提供有续流二极管14，其反向连接在高供应势VH与低供应势VL之间。所有IGBT器件12、13的栅极端G由控制单元2控制，为了清楚起见而未在图1中示出控制单元2。例如，IGBT驱动器模块1用于根据给定的换向方案通过施加脉宽调制信号到IGBT器件12、13而使三相同步电机（未示出）通电。
特别地对于高功率应用，监测IGBT驱动器模块1和IGBT器件12、13变得必不可少以便防止故障。为了测量IGBT器件12、13的结温，使用IGBT器件12、13的电关断行为，其强烈地取决于相应IGBT器件12、13的结温。
如可以在图2（其示出在关断期期间IGBT器件12、13的栅极-发射极电压的特性的图）中看到的，栅极-发射极电压的减小包括限定中间电压平台（称为Miller平台）的两个步阶。Miller平台的持续时间tdelay是温度依赖的。已经观察到Miller平台的时间延迟tdelay和IGBT器件12、13的结温的相互依赖性接近于线性，如可以在图3的图中看到的。
为了基于上文的关断IGBT器件12、13的电行为的知识而获得结温的指示，温度确定单元20可优选地包括在控制单元2中。
温度确定单元包括微分单元21，其采用及时的方式得到IGBT驱动器模块1的选择的IGBT器件12、13的栅极-发射极电压UGE。该微分单元21接收选择的IGBT器件12、13的栅极-发射极电压UGE并且对栅极-发射极电压特性的每个边缘提供脉冲。该微分单元21可以提供为对栅极-发射极电压的DC部分滤波的高通滤波器。该微分单元21可包括电容器和电阻网络，其在IGBT器件12、13的关断期期间产生阶梯式栅极-发射极电压UGE的微分变换。
栅极-发射极电压UGE的边缘产生脉冲，其幅度取决于栅极-发射极电压UGE的上升时间。这样产生的脉冲之间的时间差代表Miller平台的时间延迟tdelay，其代表要确定的结温T。微分的栅极-发射极电压UGE提供给比较器单元22以便以数字形式正确地将微分单元21的脉冲传递到下游计时器单元23。
比较器单元22具有小的滞后，其中对于比较器单元22的参考开关电压设置成微分单元21的脉冲幅度的一半。因为微分的栅极-发射极电压UGE的脉冲幅度取决于上升时间，脉冲幅度将随着许多参数变化而变化。
由于该原因，在信号幅度检测器单元24中产生可变参考电压，其取决于微分单元21的输出幅度。该信号幅度检测器单元24用于对比较器单元22设置正确的参考开关电压，其适用于限定Miller平台持续时间tdelay的两个边缘。该信号幅度检测器单元24测量由微分单元21供应的脉冲的负幅度。信号幅度检测器单元24的输出电压（其指示微分单元21的输出信号的负幅度值）被分成一半（例如凭借分压器）并且转发到比较器单元22作为参考开关电压。
计时器单元23适用于测量在关断时期期间出现的第一和第二脉冲之间的时间延迟。
在图5中，示出温度确定单元20的示例的示意图。在微分单元21中，提供电容器C4，其进行栅极-发射极电压的微分。电阻器R11和R13代表C4的输出负载。使用包括电阻器R11和R13的分压器将电路内部零设置成一半供应电压VDD。电容器C6用于将电阻器R11HF右侧连接到地GND。电阻器R12限制微分单元21的输出电流。
比较器单元22使用运算放大器U3。来自微分单元21的输入信号转到运算放大器U3的负输入，并且因此它倒转作为输出。参考开关电压Uref通过电阻器R20连接到U3的正输入。电阻器R18、R19、R20和R21每个代表参考开关电压的分压器。从而，参考开关电压Uref近似是信号幅度检测器单元23的输出的一半。电阻器R18和R21将工作电压设置成供应电压VDD的一半。包括电阻器R19以提供必需的滞后。电容器C17有助于使比较器单元22的输出的切换加速。
信号幅度检测单元23使用运算放大器U2A。具有二极管V7和输出缓冲器U2B的放大器U2A代表负峰检测器。只要输出缓冲器U2B的电压不等于输入电压值，放大器U2A驱动二极管V7为负的。一旦输入电压变为正的，二极管V7使放大器U2A的输出从电容器C5和C6断开。此时，最大负值存储在电容器C5和C7中。该缓冲的电压被分成一半并且作为参考开关电压Uref而转发到比较器单元22。没有信号的情况下，电容C5和C7将在电阻器R10和R14上放电至2.5V。放电时间常数可以由电容C5、C7和电阻R10、R14设置。二极管V8防止处于存储状态的放大器U2A饱和。
如可以在图6中看到的，测量的IGBT器件12、13的栅极-发射极电压UGE的特性图示与产生的作为比较器单元22的输出的脉冲有关。可以清楚地看到在Miller平台的开始处产生第一脉冲并且在Miller平台的栅极-发射极电压UGE的温度依赖的第二衰退之后产生第二脉冲。这两个脉冲之间的时移随温度而变化。
在比较器单元22中产生的脉冲的两个脉冲边缘之间的时间延迟tdelay由计时器单元23测量以便获得Miller平台的时间延迟tdelay的指示。该Miller平台的时间延迟tdelay的指示被转发到结温计算单元25，其大致上包括给定查找表或给定的可比较函数以便根据Miller平台的时间延迟tdelay的指示确定结温T的指示和/或关于剩余寿命的指示。
DC链接电压或IGBT器件12、13上的集电极-发射极电压以及通过IGBT器件12、13的电流用于从给定查找表获得参考结温指示，因为时间延迟tdelay也取决于这些测量。因为根据这些测量控制IGBT驱动器模块1的操作，关于集电极-发射极电压和IGBT器件12、13电流的信息通常在控制单元2中可用。例如，为了进行上文提到的换向方案，需要DC链接电压或IGBT器件12、13上的集电极-发射极电压以及通过IGBT器件12、13的电流。可在控制单元2中对每个IGBT器件12、13提供结温确定装置20。
上文用于确定IGBT器件的结温T的方法的一个另外的优势是如果平均结温的不断增加被记录则可以容易地检测模块（其中实现IGBT器件）的老化效应。当检测到结温T的不断增加的模式时，原因可以归于IGBT衬底和模块基板之间的焊料的老化或甚至是将它们的芯片连接到IGBT驱动器模块1的终端的通孔的脱粘。这些老化过程转变为增加的封装热阻，其意味着IGBT芯片不太有效地被冷却。从而，估计的IGBT器件12、13结温将随时间而逐渐增加。
Claims (8)
1.一种用于确定IGBT器件（12）的结温和/或剩余寿命的***（20），包括：
－微分单元（21），用于接收要测量的所述IGBT器件（12）的栅极-发射极电压（VGE）特性以及用于微分所述栅极-发射极电压（VGE）特性来获得与所述IGBT器件（12）的关断期期间的Miller平台所形成的边缘相关的脉冲；
－计时器单元（23），用于测量获得的指示所述IGBT器件（12）的关断期期间所述Miller平台的起始和结束的脉冲之间的时间延迟（tdelay）；
－结温计算单元（25），用于基于测量的时间延迟（tdelay）确定所述IGBT器件（12）的结温和/或剩余寿命。
2.如权利要求1所述的***（20），其中所述结温计算单元（25）适用于基于测量的时间延迟（tdelay）和所述IGBT器件（12）的集电极-发射极电压以及IGBT器件电流确定所述IGBT器件（12）的结温（Tj）。
3.如权利要求2所述的***（20），其中所述结温计算单元（25）适用于凭借给定查找表或给定函数确定所述IGBT器件（12）的结温（Tj）和/或剩余寿命的指示。
4.如权利要求1-3中任一项所述的***（20），其中信号幅度检测器单元（24）和比较器单元（22）配置成从其他脉冲选择指示所述IGBT器件（12）的关断期期间的所述Miller平台的起始和结束的脉冲，
其中所述比较器单元（22）适用于基于作为阈值水平的参考开关电压（Uref）而对脉冲滤波，
其中所述信号幅度检测器单元（24）适用于基于在所述微分单元（21）中产生的脉冲的幅度产生相应的阈值水平。
5.如权利要求1-3中任一项所述的***（20），其中信号幅度检测器单元（24）和比较器单元（22）配置成从其他脉冲选择指示所述IGBT器件（12）的关断期期间的所述Miller平台的起始和结束的脉冲，
其中所述比较器单元（22）适用于将脉冲的电压水平与作为阈值水平的相应参考开关电压（Uref）比较来获得二进制脉冲信号，
其中所述信号幅度检测器单元（24）适用于基于在所述微分单元（21）中产生的脉冲的幅度产生相应的阈值水平。
6.如权利要求5所述的***（20），其中所述比较器单元（22）配置成在将脉冲的电压水平与作为阈值水平的相应参考开关电压（Uref）比较来获得二进制脉冲信号时应用滞后。
7.一种用于确定IGBT器件（12）的结温（Tj）和/或剩余寿命的方法，包括：
－微分栅极-发射极电压（VGE）特性来获得与所述IGBT器件（12）的关断期期间的Miller平台所形成的边缘相关的脉冲；
－测量获得的指示所述IGBT器件（12）的关断期期间的所述Miller平台的起始和结束的脉冲之间的时间延迟（tdelay）；
－基于测量的时间延迟（tdelay）确定所述IGBT器件（12）的结温（Tj）和/或剩余寿命。
8.如权利要求7所述的方法，其中进一步基于集电极-发射极电压和IGBT器件电流确定所述IGBT器件（12）的结温。
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