CN113189468A - 一种功率器件的健康状态在线监测电路及*** - Google Patents

一种功率器件的健康状态在线监测电路及*** Download PDF

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银杉
吴瀛喆
辛雄
刘寅宇
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Abstract

本申请公开了一种功率器件的健康状态在线监测电路,包括:采样电阻和电压信号采集电路;其中,采样电阻串联于被测功率器件的门极驱动回路,电压信号采集电路的输入端并联于采样电阻两端,电压信号采集电路的输出端连接到被测功率器件的健康状态的在线监测设备。利用串联于被测功率器件的门极驱动回路的采样电阻和用于检测采样电阻两端电压的电压信号采集电路,实时获取被测功率器件在开关过程中门极漏电流的变化情况,从而可以通过在电压信号采集电路的输出端连接控制器或检测装置实现被测功率器件健康状态的在线评估。本申请还公开了一种功率器件的健康状态在线监测***,具有上述有益效果。

Description

一种功率器件的健康状态在线监测电路及***
技术领域
本申请涉及电路检测技术领域,特别是涉及一种功率器件的健康状态在线监测电路及***。
背景技术
功率器件广泛应用于消费电子、通信设备、工业控制、电机拖动以及电力***等。包括手机等移动终端、个人电脑、笔记本、服务器的适配器、UPS电源等;通信站点、基站以及数据中心的供电电源;工业应用中各类伺服电机控制;电动汽车、高铁中的交流电机驱动;电网中固态变压器、高压直流输电***、柔***流输电***等。当功率器件受到过大的电流冲击时,其动、静态特性参数势必会发生退化,包括:开关阈值电压、动态导通电阻、门极漏电流等,以致功率器件性能老化,最终引发威胁功率器件安全性与可靠性的问题。因此,为保证功率器件的安全性与可靠性,需要快速、准确地评估功率器件的健康状态。
目前常用的功率器件健康状态评估方法大多依赖检测设备来离线测量功率器件的参数,需要对功率器件进行单独测量。而这种方式往往无法及时、准确地获知功率器件在使用过程中的实际情况,显然不具备广泛的应用场景。
提供一种能够在线监测功率器件的健康状态的装置,是本领域技术人员需要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的是提供一种功率器件的健康状态在线监测电路及***,用于在线监测功率器件的健康状态。
为解决上述技术问题,本申请提供一种功率器件的健康状态在线监测电路,包括:采样电阻和电压信号采集电路;
其中,所述采样电阻串联于被测功率器件的门极驱动回路,所述电压信号采集电路的输入端并联于所述采样电阻两端,所述电压信号采集电路的输出端连接到所述被测功率器件的健康状态的在线监测设备。
可选的,所述电压信号采集电路具体包括:差分放大电路、积分电路和峰值检测电路;
其中,所述差分放大电路的输入端并联于所述采样电路的两端,所述差分放大电路的输出端与所述积分电路的输入端连接,所述积分电路的输出端与所述峰值检测电路的输入端连接,所述峰值检测电路的输出端用于连接所述在线监测设备。
可选的,所述差分放大电路具体包括:第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一运算放大器;
其中,所述第一电阻的第一端与所述采样电阻的第一端连接,所述第二电阻的第一端与所述采样电阻的第二端连接,所述第一电阻的第二端、所述第三电阻的第一端和所述第一运算放大器的负极输入端连接,所述第三电阻的第二端、所述第一运算放大器的输出端与所述积分电路的输入端连接,所述第二电阻的第二端、所述第四电阻的第一端和所述第一运算放大器的正极输入端连接,所述第四电阻的第二端接地。
可选的,所述积分电路具体包括:第五电阻、第一电容和第二运算放大器;
其中,所述第五电阻的第一端与所述差分放大电路的输出端连接,所述第五电阻的第二端、所述第一电容的第一端与所述第二运算放大器的负极输入端连接,所述第二运算放大器的正极输入端接地,所述第一电容的第二端、所述第二运算放大器的输出端与所述峰值检测电路的输入端连接。
可选的,还包括:并联于所述第一电容两端的第六电阻。
可选的,所述峰值检测电路具体包括第一二极管和第二电容;
其中,所述第一二极管的阳极与所述积分电路的输出端连接,所述第一二极管的阴极、所述第二电容的第一端与所述线性隔离电路的输入端连接,所述第二电容的第二端接地。
可选的,还包括:
设于所述峰值检测电路的输出端和所述在线监测设备之间的线性隔离电路。
可选的,所述线性隔离电路具体为线性光耦隔离电路或线性电容隔离电路或线性磁隔离电路。
为解决上述技术问题,本申请还提供一种功率器件的健康状态在线监测***,包括上述任意一项所述的功率器件的健康状态在线监测电路,还包括:
与电压信号采集电路的输出端连接的用于根据所述电压信号采集电路输出电压的变化评估被测功率器件的健康状态的控制器。
可选的,所述控制器根据所述电压信号采集电路输出电压的变化评估被测功率器件的健康状态,具体为:
当所述电压信号采集电路的输出电压超出第一阈值时,确定所述被测功率器件处于老化状态。
本申请所提供的功率器件的健康状态在线监测电路,包括:采样电阻和电压信号采集电路;其中,采样电阻串联于被测功率器件的门极驱动回路,电压信号采集电路的输入端并联于采样电阻两端,电压信号采集电路的输出端连接到被测功率器件的健康状态的在线监测设备。利用串联于被测功率器件的门极驱动回路的采样电阻和用于检测采样电阻两端电压的电压信号采集电路,实时获取被测功率器件在开关过程中门极漏电流的变化情况,从而可以通过在电压信号采集电路的输出端连接控制器或检测装置实现被测功率器件健康状态的在线评估。
本申请还提供一种功率器件的健康状态在线监测***,具有上述有益效果,在此不再赘述。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种功率器件的健康状态在线监测电路的结构示意图;
图2为本申请实施例提供的另一种功率器件的健康状态在线监测电路的结构示意图;
图3为本申请实施例提供的一种电压信号采集电路的电路图;
其中,100为采样电阻,200为电压信号采集电路,201为差分放大电路,202为积分电路,203为峰值检测电路,204为线性隔离电路。
具体实施方式
本申请的核心是提供一种功率器件的健康状态在线监测电路及***,用于在线监测功率器件的健康状态。
下面将结合本申请实施例中的附图,对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
图1为本申请实施例提供的一种功率器件的健康状态在线监测电路的结构示意图。
如图1所示,本申请实施例提供的功率器件的健康状态在线监测电路具体包括:采样电阻100和电压信号采集电路200;
其中,采样电阻100串联于被测功率器件的门极驱动回路,电压信号采集电路200的输入端并联于采样电阻100两端,电压信号采集电路200的输出端连接到被测功率器件的健康状态的在线监测设备。
在具体实施中,可以将采样电阻100串联于被测功率器件的门极驱动回路的接地端以采集被测功率器件在开关过程中门极漏电流,通过电压信号采集电路200获取采样电阻100两端电压,将被测功率器件的门极漏电流信号转换为电压信号输出,以便进行检测。通过检测电压信号采集电路200输出端电压的变化,可以获知被测功率器件的门极漏电流的变化。根据连接在线监测设备的不同,设计电压信号采集电路200的具体构成。例如,若在线监测设备为单片机等控制器,需要电压参数采集电路输出与控制器的模数转换(ADC)引脚对应电压范围的电压信号。同时,为降低对被测功率器件的影响、降低功耗,采样电阻100应尽量的选择阻值较小的电阻,因此电压信号采集电路200需具有信号放大功能以使信号能够被在线监测设备识别。
通常情况下,在被测功率器件的门极漏电流的幅值发生明显变化(一般为明显增大)时,可以认为被测功率器件发生老化。故在本申请实施例中,当检测到电压信号采集电路200输出端电压的峰值明显增大时,认为被测功率器件发生老化。基于电压信号采集电路200的结构与被测功率器件的类型,确定对应被测功率器件的检测阈值,以在电压信号采集电路200输出端电压超出检测阈值时确定被测功率器件处于老化状态。检测阈值的数量可以为多个,以对应被测功率器件的不同老化程度。
图2为本申请实施例提供的另一种功率器件的健康状态在线监测电路的结构示意图;图3为本申请实施例提供的一种电压信号采集电路200的电路图。
在上述实施例的基础上,在本申请实施例提供的功率器件的健康状态在线监测电路中,电压信号采集电路200具体可以包括:差分放大电路201、积分电路202和峰值检测电路203;
其中,差分放大电路201的输入端并联于采样电路的两端,差分放大电路201的输出端与积分电路202的输入端连接,积分电路202的输出端与峰值检测电路203的输入端连接,峰值检测电路203的输出端用于连接在线监测设备。
在实际应用中,首先通过差分放大电路201对被测功率器件的门极漏电流进行一次放大并消除共模噪声干扰;由于差分放大电路201的输出信号较小,可能检测不到,故通过积分电路202对差分放大电路201的输出信号进行二次放大,得到稳定的直流电压;继而通过峰值检测电路203对积分电路202的输出信号的峰值进行保持,以便在线监测设备检出。通过峰值检测电路203输出的电压值,实现在线评估被测功率器件的健康状态。
进一步的,如图3所示,差分放大电路201具体可以包括:第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R4、第四电阻R4和第一运算放大器OP1;
其中,采样电阻Rsh的第一端与被测功率器件的门极驱动回路IG_IN点连接,第一电阻R1的第一端与采样电阻Rsh的第一端连接,第二电阻R2的第一端与采样电阻Rsh的第二端连接,第一电阻R1的第二端、第三电阻R3的第一端和第一运算放大器OP1的负极输入端连接,第三电阻R3的第二端、第一运算放大器OP1的输出端与积分电路202的输入端连接,第二电阻R2的第二端、第四电阻R4的第一端和第一运算放大器OP1的正极输入端连接,第四电阻R4的第二端接地。
需要说明的是,图3中的采样电阻Rsh为图1中的采样电阻100的一种实现方式。
通过将采样电阻Rsh串联至被测功率器件的门极驱动回路,通过差分放大电路201得到门极电流(IG_IN)对应的等效电压vDA
Figure BDA0003064440970000061
其中,第三电阻R3与第一电阻R1的比值确定了差分放大电路201的放大倍数。差分放大电路201的放大倍数可根据实际情况进行调配。第二电阻R2与第四电阻R4的阻值也可以根据实际情况进行设置。
积分电路202具体可以包括:第五电阻R5、第一电容C1和第二运算放大器OP2;
其中,第五电阻R5的第一端与差分放大电路201的输出端连接,第五电阻R5的第二端、第一电容C1的第一端与第二运算放大器OP2的负极输入端连接,第二运算放大器OP2的正极输入端接地,第一电容C1的第二端、第二运算放大器OP2的输出端与峰值检测电路203的输入端连接。
随后,将vDA通过积分电路202,可得到等效电压值vINT
Figure BDA0003064440970000062
其中,QG为等效门极电荷值。由于放大电路中非线性因素的影响,被测功率器件开通过程的门极电荷QG,on与关断过程的门极电荷QG,off的取值会呈现非对称性,使得门极电荷QG在被测功率器件的一个完整的开关周期后发生漂移,最终带来检测误差。为此,本申请实施例提供的功率器件的健康状态在线监测电路还可以包括:并联于第一电容C1两端的第六电阻R6。通过在第一电容C1两端并联相应的第六电阻R6,在被测功率器件开关过程结束后,通过第六电阻R6对第一电容C1放电,从而消除门极电荷QG漂移带来的影响。第六电阻R6的阻值应满足以下关系式:
Figure BDA0003064440970000063
其中,f为被测功率器件的开关频率,D为被测功率器件的开关占空比。
峰值检测电路203具体可以包括:第一二极管D1和第二电容C2
其中,第一二极管D1的阳极与积分电路202的输出端连接,第一二极管D1的阴极、第二电容C2的第一端与线性隔离电路的输入端连接,第二电容C2的第二端接地。
利用二极管的单向导通特性,通过第一二极管D1与第二电容C2串联,使得第二电容C2的端电压vPD近似为门极电荷等效电压vINT的峰值,如公式(4)所示。当被测功率器件老化后,其门极漏电流会逐渐增大,vGQ的峰值电压以及第二电容C的端电压vPD也相应增大。
vPD=vINT,P-vF (4)
其中,vINT,P为vINT的电压峰值,vF为第一二极管D1的导通压降。
进一步的,由于在线监测设备可以采用单片机等控制器,如图2所示,本申请实施例提供的功率器件的健康状态在线监测电路还可以包括:
设于峰值检测电路203的输出端和在线监测设备之间的线性隔离电路204。
通过线性隔离电路204将峰值检测电路203的输出电压传输至控制器的模数转换(ADC)端口,继而通过模数转换(ADC)端口的电压值实现在线评估被测功率器件的健康状态。
线性隔离电路204具体可以选用线性光耦隔离电路或线性电容隔离电路或线性磁隔离电路。
此外,如图3所示,本申请实施例提供的功率器件的健康状态在线监测电路还包括串联于积分电路202的输出端和峰值检测电路203之间的第七电阻R7
上文详述了功率器件的健康状态在线监测电路对应的各个实施例,在此基础上,本申请还公开了与上述功率器件的健康状态在线监测电路对应的功率器件的健康状态在线监测***。
本申请实施例提供的功率器件的健康状态在线监测***可以包括上述任一实施例提供的功率器件的健康状态在线监测电路,还包括:
与电压信号采集电路200的输出端连接的用于根据电压信号采集电路200输出电压的变化评估被测功率器件的健康状态的控制器。
进一步的,控制器根据电压信号采集电路200输出电压的变化评估被测功率器件的健康状态,具体为:
当电压信号采集电路200的输出电压超出第一阈值时,确定被测功率器件处于老化状态。
可选的,可以设置多个第一阈值,对应不同的老化程度。
以上对本申请所提供的一种功率器件的健康状态在线监测电路及***进行了详细介绍。说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处,各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以对本申请进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
还需要说明的是,在本说明书中,诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来,而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含,从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素,而且还包括没有明确列出的其他要素,或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下,由语句“包括一个……”限定的要素,并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (10)

1.一种功率器件的健康状态在线监测电路,其特征在于,包括:采样电阻和电压信号采集电路;
其中,所述采样电阻串联于被测功率器件的门极驱动回路,所述电压信号采集电路的输入端并联于所述采样电阻两端,所述电压信号采集电路的输出端连接到所述被测功率器件的健康状态的在线监测设备。
2.根据权利要求1所述的功率器件的健康状态在线监测电路,其特征在于,所述电压信号采集电路具体包括:差分放大电路、积分电路和峰值检测电路;
其中,所述差分放大电路的输入端并联于所述采样电路的两端,所述差分放大电路的输出端与所述积分电路的输入端连接,所述积分电路的输出端与所述峰值检测电路的输入端连接,所述峰值检测电路的输出端用于连接所述在线监测设备。
3.根据权利要求2所述的功率器件的健康状态在线监测电路,其特征在于,所述差分放大电路具体包括:第一电阻、第二电阻、第三电阻、第四电阻和第一运算放大器;
其中,所述第一电阻的第一端与所述采样电阻的第一端连接,所述第二电阻的第一端与所述采样电阻的第二端连接,所述第一电阻的第二端、所述第三电阻的第一端和所述第一运算放大器的负极输入端连接,所述第三电阻的第二端、所述第一运算放大器的输出端与所述积分电路的输入端连接,所述第二电阻的第二端、所述第四电阻的第一端和所述第一运算放大器的正极输入端连接,所述第四电阻的第二端接地。
4.根据权利要求2所述的功率器件的健康状态在线监测电路,其特征在于,所述积分电路具体包括:第五电阻、第一电容和第二运算放大器;
其中,所述第五电阻的第一端与所述差分放大电路的输出端连接,所述第五电阻的第二端、所述第一电容的第一端与所述第二运算放大器的负极输入端连接,所述第二运算放大器的正极输入端接地,所述第一电容的第二端、所述第二运算放大器的输出端与所述峰值检测电路的输入端连接。
5.根据权利要求4所述的功率器件的健康状态在线监测电路,其特征在于,还包括:并联于所述第一电容两端的第六电阻。
6.根据权利要求2所述的功率器件的健康状态在线监测电路,其特征在于,所述峰值检测电路具体包括第一二极管和第二电容;
其中,所述第一二极管的阳极与所述积分电路的输出端连接,所述第一二极管的阴极、所述第二电容的第一端与所述线性隔离电路的输入端连接,所述第二电容的第二端接地。
7.根据权利要求2所述的功率器件的健康状态在线监测电路,其特征在于,还包括:
设于所述峰值检测电路的输出端和所述在线监测设备之间的线性隔离电路。
8.根据权利要求7所述的功率器件的健康状态在线监测电路,其特征在于,所述线性隔离电路具体为线性光耦隔离电路或线性电容隔离电路或线性磁隔离电路。
9.一种功率器件的健康状态在线监测***,其特征在于,包括权利要求1至8任意一项所述的功率器件的健康状态在线监测电路,还包括:
与电压信号采集电路的输出端连接的用于根据所述电压信号采集电路输出电压的变化评估被测功率器件的健康状态的控制器。
10.根据权利要求9所述的功率器件的健康状态在线监测***,其特征在于,所述控制器根据所述电压信号采集电路输出电压的变化评估被测功率器件的健康状态,具体为:
当所述电压信号采集电路的输出电压超出第一阈值时,确定所述被测功率器件处于老化状态。
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