CN110501625A - 一种igbt饱和管压降在线测量电路 - Google Patents
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Abstract
一种IGBT饱和管压降在线测量电路，所述的测量电路输入端接在IGBT的集射极之间，包括输入限幅采集电路和信号调理电路；输入限幅采集电路输出端连接信号调理电路输入端，由信号调理电路输出端输出IGBT饱和管压降测量信号。所述的输入限幅采集电路由电阻串联电路与电容串联电路并联后再与瞬态电压抑制二极管串联组成，所述的信号调理电路由依次连接的前级信号调理电路和后级滤波电路组成。加在IGBT两端进行采集时不影响IGBT的工作，用于电力电子领域IGBT饱和管压降的在线测量，特别是高压IGBT或PP‑IGBT组成的全桥、半桥模块在测试或工作时饱和管压降的在线实时测量，可实现在线实时测量以供相关数据处理和上传记录。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，特别涉及一种IGBT饱和管压降在线测量电路。
背景技术
IGBT(绝缘栅双极型晶体管)广泛应用于电力电子等领域，作为一种功率型半导体可控开关元件，其可靠性对产品有至关重要的影响。目前对于IGBT工作状态及失效分析的研究中，较为可行、有效的是以IGBT饱和管压降的变化作为标识特征量。
单个IGBT的特性参数测量，在器件厂家或第三方测试机构有诸多专用、精度高的测试设备，但在实际电路中IGBT一直处于开关状态，器件集射极两端电压不断高速变化，如在柔性直流输电的功率单元上，电压在关断时数千伏，而导通时上千安电流仅几伏管压降，无法应用普通的测试方法，所以需要有抗扰性强、耐压高、输入带宽的管压降实时检测电路。
发明内容
为了解决背景技术中的技术问题，本发明提供一种IGBT饱和管压降在线测量电路，加在IGBT两端进行采集时不影响IGBT的工作，用于电力电子领域IGBT饱和管压降的在线测量，特别是高压IGBT或PP-IGBT组成的全桥、半桥模块在测试或工作时饱和管压降的在线实时测量，可实现在线实时测量以供相关数据处理和上传记录。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：
一种IGBT饱和管压降在线测量电路，所述的测量电路输入端接在IGBT的集射极之间，包括输入限幅采集电路和信号调理电路；输入限幅采集电路输出端连接信号调理电路输入端，由信号调理电路输出端输出IGBT饱和管压降测量信号。
所述的输入限幅采集电路由电阻串联电路与电容串联电路并联后再与瞬态电压抑制二极管串联组成，电阻串联电路由多个电阻串联构成，电容串联电路由多个电容串联构成。
所述的信号调理电路由依次连接的前级信号调理电路和后级滤波电路组成。
进一步地，所述的前级信号调理电路由第一运放U1A及其***电路构成，第一运放U1A的***电路包括第一电阻Ra1、第二电阻Ra2、第三电阻Ra3、第四电阻Ra4、第一电容Ca1组成，输入限幅采集电路的输出端接入第一运放U1A的第一输入端，第一输入端还经由第三电阻Ra3接地；第一电阻Ra1连接在第一运放U1A的输出端和第二输入端之间；第二电阻Ra2与第四电阻Ra4串联后，一端连接第一运放U1A的第二输入端，另一端接地；第一电容Ca1并联在第一电阻Ra1两端。
进一步地，所述的后级滤波电路由第二运放U1B及其***电路构成，第一运放U1A的***电路包括第六电阻Rb1、第七电阻Rb2、第八电阻Rb3、第九电阻Rb4、第十电阻Rb5和第二电容Cb1、第三电容Cb2组成，第一运放U1A的输出端依次串联第六电阻Rb1和第八电阻Rb3后接入第二运放U1B的第一输入端，第六电阻Rb1和第八电阻Rb3串联的中间点还经由第七电阻Rb2接地，第九电阻Rb4连接在第二运放U1B的输出端和第二输入端之间，第二运放U1B的第二输入端经由第十电阻Rb5接地；第二电容Cb1连接在第二运放U1B的第一输入端与地之间，第三电容Cb2一端与第二运放U1B的输出端连接，另一端连接第六电阻Rb1和第八电阻Rb3串联的中间点。
信号调理电路输出端输出的IGBT饱和管压降测量信号发送至数据处理MCU中。
进一步地，所述的测量电路还包括信号反馈补偿电路，由主控装置发出的反馈信号经由信号反馈补偿电路连接至信号调理电路中。进一步地，所述的信号反馈补偿电路包括DAC转换电路和第五电阻Ra5，反馈信号经由DAC数模转换后经由第五电阻Ra5连接至第二电阻Ra2和第四电阻Ra4的串联中间点。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)本电路加在IGBT两端进行采集时不影响IGBT的工作，可实现在线实时测量以供相关数据处理和上传记录。应用中可以根据采集的饱和压降评估IGBT是否工作在额定的通流区间内。用于电力电子领域IGBT饱和管压降的在线测量，特别是高压IGBT或PP-IGBT组成的全桥、半桥模块在测试或工作时饱和管压降的在线实时测量，适合实时监控IGBT的工作状态及健康状态。
2)输入限幅采集电路中，电路中串联的多个电容C1～Cn为相位矫正电容，可补偿因电阻和二极管结电容串联取信号引起的信号相位滞后，保证电路有良好的瞬态响应和足够的输入带宽。
3)信号调理电路具有高输入阻抗、低输出阻抗，并具有较高输入频率和较高的共模抑制比。第一电容Ca1为相位补偿电容，可补信号调理电路的相位滞后。
附图说明
图1是本发明的测量电路的整体框图；
图2是本发明的实施例1电路图；
图3是本发明的实施例2电路图；
图4是本发明的实施例3电路图；
图5是高压IGBT组成的半桥结构中饱和管压降测量电路连接示意图；
图6是发明的测量电路实施例整体结构框图。
图中：1-输入限幅采集电路 2-前级信号调理电路 3-后级滤波电路 4-反馈补偿电路。
具体实施方式
以下结合附图对本发明提供的具体实施方式进行详细说明。
如图1、5、6所示，一种IGBT饱和管压降在线测量电路，所述的测量电路包括输入限幅采集电路1和信号调理电路；输入限幅采集电路1的输入端Vce接在IGBT的集射极Vc和Ve之间(Vc和Ve见图5的高压IGBT组成的半桥结构图)，输出端连接信号调理电路输入端，由信号调理电路输出端输出IGBT饱和管压降测量信号。输入限幅采集电路1滤除不需要采集的高压，将需要采集电压范围内的电压V1送到信号调理电路，信号调理电路经过阻抗变换、滤波降噪等处理后输出电压V2。图6是本发明连接至数据处理MCU的整体结构实施例图，电压V2经AD转换后发送至数据处理MCU中。
如图2-4所示，所述的输入限幅采集电路1由电阻串联电路与电容串联电路并联后再与TVS管D1、D2(图2-3为D1和D2并联，图4为单个的稳压管D1)串联组成，瞬态电压抑制二极管D1和D2并联提高了电路可靠性，电阻串联电路由多个电阻R1～Rn串联构成，电容串联电路由多个电容C1～Cn串联构成。其电压等级根据限幅需求来选择，两个TVS瞬态电压抑制二极管的并联提高了电路可靠性。电路中电容C1～Cn为相位矫正电容，可补偿因电阻和二极管结电容串联取信号引起的信号相位滞后，保证电路有良好的瞬态响应和足够的输入带宽。
所述的信号调理电路由依次连接的前级信号调理电路2和后级滤波电路3组成。
如图2所示，所述的前级信号调理电路2由第一运放U1A及其***电路构成，第一运放U1A的***电路包括第一电阻Ra1、第二电阻Ra2、第三电阻Ra3、第四电阻Ra4、第一电容Ca1组成，输入限幅采集电路1的输出端接入第一运放U1A的第一输入端，第一输入端还经由第三电阻Ra3接地；第一电阻Ra1连接在第一运放U1A的输出端和第二输入端之间；第二电阻Ra2与第四电阻Ra4串联后，一端连接第一运放U1A的第二输入端，另一端接地；第一电容Ca1并联在第一电阻Ra1两端。具有高输入阻抗、低输出阻抗，并具有较高输入频率和较高的共模抑制比。第一电容Ca1为相位补偿电容，可补信号调理电路的相位滞后。
所述的后级滤波电路3由第二运放U1B及其***电路构成，第一运放U1A的***电路包括第六电阻Rb1、第七电阻Rb2、第八电阻Rb3、第九电阻Rb4、第十电阻Rb5和第二电容Cb1、第三电容Cb2组成，第一运放U1A的输出端依次串联第六电阻Rb1和第八电阻Rb3后接入第二运放U1B的第一输入端，第六电阻Rb1和第八电阻Rb3串联的中间点还经由第七电阻Rb2接地，第九电阻Rb4连接在第二运放U1B的输出端和第二输入端之间，第二运放U1B的第二输入端经由第十电阻Rb5接地；第二电容Cb1连接在第二运放U1B的第一输入端与地之间，第三电容Cb2一端与第二运放U1B的输出端连接，另一端连接第六电阻Rb1和第八电阻Rb3串联的中间点。后级滤波电路3的作用为模拟信号的滤波，其中可通过调节Rb1、Rb2的比值和Rb4、Rb5的比值来进一步调节模拟信号的大小，通过调节Rb1、Cb2、Rb3、Cb1的数值可调节滤波电路的截止频率和Q值。
如图1所示，所述的测量电路还包括信号反馈补偿电路4，由数据处理MCU发出的反馈信号经由信号反馈补偿电路连接至信号调理电路中。
如图3所示，所述的信号反馈补偿电路4包括DAC转换电路和第五电阻Ra5，反馈信号经由DAC数模转换后经由第五电阻Ra5连接至第二电阻Ra2和第四电阻Ra4的串联中间点。DAC转换电路为DAC转换芯片DAC0832，DAC转换电路还可以用可编程电阻加电压基准源实现。
所述的测量电路中，各电阻的阻值按如下配置：Ra1＝Ra3，R1+R2……+Rn＝Ra2+Ra4。Ra1＝Ra3，R1+R2……+Rn＝Ra2。图3的信号调理电路中Ra5引入了反馈补偿调节电压，当使用反馈调节时，电路中Ra4可不焊接，R1+R2……+Rn＝Ra2。设Ra5引入的反馈电压为Vf，则反馈电压对信号调理电路的影响可表示为：满足对输出的反馈调节。
本发明的输入限幅采集电路1、前级信号调理电路2和后级滤波电路3还可以设计成图4的方案，图4中，限幅采集电路1处采用一个D1瞬态电压抑制二极管和电阻、电容串联，前级信号调理电路2采用经典的射极跟随器，射随电路由U1A、Ra1、Ca1组成，后级信号调理滤波电路3由U1B、Rb1、Rb2、Rb3、Rb4和Cb1、Cb2组成，其中可通过调节Rb1、Rb2的比值来调节模拟信号大大小，通过调节Rb3、Cb1、Rb4、Cb3的数值可调节滤波电路的截止频率和Q值。
以上实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于上述的实施例。上述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。
Claims (6)
1.一种IGBT饱和管压降在线测量电路，其特征在于，所述的测量电路输入端接在IGBT的集射极之间，包括输入限幅采集电路和信号调理电路；输入限幅采集电路输出端连接信号调理电路输入端，由信号调理电路输出端输出IGBT饱和管压降测量信号；
所述的输入限幅采集电路由电阻串联电路与电容串联电路并联后再与瞬态电压抑制二极管串联组成，电阻串联电路由多个电阻串联构成，电容串联电路由多个电容串联构成；
所述的信号调理电路由依次连接的前级信号调理电路和后级滤波电路组成。
2.根据权利要求1所述的一种IGBT饱和管压降在线测量电路，其特征在于，所述的前级信号调理电路由第一运放U1A及其***电路构成，第一运放U1A的***电路包括第一电阻Ra1、第二电阻Ra2、第三电阻Ra3、第四电阻Ra4、第一电容Ca1组成，输入限幅采集电路的输出端接入第一运放U1A的第一输入端，第一输入端还经由第三电阻Ra3接地；第一电阻Ra1连接在第一运放U1A的输出端和第二输入端之间；第二电阻Ra2与第四电阻Ra4串联后，一端连接第一运放U1A的第二输入端，另一端接地；第一电容Ca1并联在第一电阻Ra1两端。
3.根据权利要求1所述的一种IGBT饱和管压降在线测量电路，其特征在于，所述的后级滤波电路由第二运放U1B及其***电路构成，第一运放U1A的***电路包括第六电阻Rb1、第七电阻Rb2、第八电阻Rb3、第九电阻Rb4、第十电阻Rb5和第二电容Cb1、第三电容Cb2组成，第一运放U1A的输出端依次串联第六电阻Rb1和第八电阻Rb3后接入第二运放U1B的第一输入端，第六电阻Rb1和第八电阻Rb3串联的中间点还经由第七电阻Rb2接地，第九电阻Rb4连接在第二运放U1B的输出端和第二输入端之间，第二运放U1B的第二输入端经由第十电阻Rb5接地；第二电容Cb1连接在第二运放U1B的第一输入端与地之间，第三电容Cb2一端与第二运放U1B的输出端连接，另一端连接第六电阻Rb1和第八电阻Rb3串联的中间点。
4.根据权利要求1所述的一种IGBT饱和管压降在线测量电路，其特征在于，信号调理电路输出端输出的IGBT饱和管压降测量信号发送至数据处理MCU中。
5.根据权利要求1所述的一种IGBT饱和管压降在线测量电路，其特征在于，还包括信号反馈补偿电路，反馈信号经由信号反馈补偿电路连接至信号调理电路中。
6.根据权利要求2或5所述的一种IGBT饱和管压降在线测量电路，其特征在于，所述的信号反馈补偿电路包括DAC转换电路和第五电阻Ra5，反馈信号经由DAC数模转换后经由第五电阻Ra5连接至前级信号调理电路的第二电阻Ra2和第四电阻Ra4的串联中间点。
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