[发明专利]一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于电力电子器件检测技术领域，具体涉及一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及检测方法。

背景技术

功率器件在运行工况中的结温是电力电子装置中最重要的参数。随着功率器件运行结温的不同，功率器件的损耗、运行轨迹、峰值电压和峰值电流等重要的电气参数都会随之变化。功率器件的最高运行结温限制不仅影响了电力电子装置的极限运行工况，而且还影响散热器的设计裕量和设计准则。因此，获取电力电子器件在运行工况下的结温变化情况，可以确保电力电子装置运行在安全工作区域，进一步更可以为装置的运行寿命提供重要信息。

通常检测功率器件结温的方法主要分为四类：(1)利用高速红外热成像仪对功率器件进行热扫面，获取整个模块的温度分布信息；(2)在功率器件封装内部或者散热器附近安装热电阻或者热电偶间接测量功率芯片的结温变化情况，这属于直接接触式温度检测方法；(3)利用漏电流、饱和电流下的压降、固定小电流下的压降、驱动阈值等与热敏感的电参数等方法获取功率器件的结温，这种通过测量对温度敏感的电气参数来获取芯片的测量方法称为热敏感电参数法；(4)热阻网络法，即通过测量功率模块基板的平均温度，并通过功率器件模块的内部的热阻网络可以反推出功率模块内部芯片的结温。

由于高速热红外成像仪价格昂贵且温度数据的提取速度很慢，只适用于稳态温度的测量，且需要对功率器件做特殊处理，不适合电力电子装置在运行过程中的结温提取；而安装热电偶或者热电阻的间接测试方法，只能测试器件基板或者芯片附近的温度，而不能准确的反映功率器件在运行中的实际结温情况，且温度测试响应时间较长，不适合开关速度在μs级的大功率器件的结温测试。此外热阻网络法需要对功率器件模块内部的热传导路径及热阻网络测量具有高分辨率和精确度，然而二极管模块功率模块内部芯片处温度传导至模块外部基板具有延迟时间，因此该技术不适用于功率模块工作结温的在线监测。热敏感电参数法被认为是最有效的检测功率器件瞬态温度变化的方法，该方法可以检测出μs级的开关功率器件的结温变化，然而现有大多数热敏感电参数法只适用于以IGBT为代表的有源开关器件，而没有实用于大功率二极管模块等无源器件。

大功率二极管模块在实际的运行工作中往往需要在高压，大电流的环境下不断的开通和关断。常规的检测方法是测量不同温度下二极管的正向压降，利用正向电压降与芯片温度的对应关系来确定运行中二极管的芯片结温。然而这种方式所需要用到的电压传感器需要很高的耐压需求，其次在高压，大电流的开关环境下，所测试的导通压降值很小，非常容易受到干扰。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统及检测方法，能够以较高的精确度和分辨率实时检测功率二极管模块的工作结温。

一种功率二极管模块工作结温的在线检测系统，包括：

主电路单元，与功率二极管模块连接；所述的主电路单元包括直流电压源V、电容C、电感L和IGBT模块；其中，直流电压源V的正极与电容C的一端、电感L的一端和功率二极管模块的阴极相连，电感L的另一端与功率二极管模块的阳极和IGBT模块的集电极相连，IGBT模块的功率发射极与直流电压源V的负极和电容C的另一端相连；

温控单元，用于调控功率二极管模块和IGBT模块的环境温度；

采样单元，用于在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间采集电容C两端的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流以及IGBT模块的工作结温；

驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，以控制功率二极管模块由导通状态切换至关断状态，进而调控功率二极管模块的正向导通电流；

结温检测单元，用于采集IGBT模块的功率发射极与驱动发射极两端的电压信号V_Ee，并在功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间提取电压信号V_Ee的峰值U_{Ee_peak}；所述的结温检测单元内存有各种运行工况下关于直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温、功率二极管模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}的数据表格以及函数模型；进而根据功率二极管模块由导通状态切换至关断状态的瞬态过程间的直流母线电压V_dc、功率二极管模块的正向导通电流、IGBT模块的工作结温以及峰值U_{Ee_peak}，通过查表或函数模型计算得到功率二极管模块的工作结温。