[发明专利]单个开关周期内芯片动态结温监测系统及监测方法

说明书

本发明公开了一种单个开关周期内芯片动态结温监测系统及监测方法，操作步骤如下：(1)、基于开关特性参数预测PWM周期内关断时刻初始结温，用于获得功率器件在一个开关周期内关断时刻初始结温T_{j_off}；(2)、基于电热模型估计PWM周期内关断期间的结温变化范围，用于获得功率器件在一个开关周期内关断过程中的结温变化范围ΔT_j；(3)、基于热等效作用的估计功率器件在关断期间的最高结温，用于获得功率器件在一个开关周期内关断过程中的最高结温T_MAX。本发明聚焦功率开关器件的关断过程，为功率开关器件的失效分析和电‑热管理提供了更精确的动态结温参数，兼顾安全性和经济效益，是芯片结温检测领域的一条新思路。

技术领域

本发明涉及电力电子设备健康管理技术领域，具体涉及一个开关周期内芯片动态结温的估计方法。

背景技术

由电力电子系统可靠性调研报告可知，功率半导体器件是变流系统中失效率最高的，约占34％。在各类失效因素中，由温度因素诱发的电力电子系统失效占比高达55％。根据大量试验统计数据与失效机理分析可知，功率器件的结温摆动幅度、最大结温、平均结温、最低壳温以及周期内导通时间等因素共同决定了其在失效前所能经历的最大温度循环周期数。因此，对大容量电力电子变换器中IGBT结温的精准提取与检测是其使用寿命估计、健康状态管理与可靠性状态评估的基础。

现有的结温检测技术可大致分为如下四种方法：物理接触式测试法，光学非接触测试法，热阻抗模型预测法与热敏感电参数法。其中热敏感电参数法具有非接触、响应快、非破坏性、精度高、成本低等优点，是当今研究的热点。但现有的研究方法主要以单一热敏电参数进行研究，且忽略开关过程中芯片动态结温的变化，存在鲁棒性较弱、结温预测精度较低的问题，并没有达到实用化。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种单个开关周期内芯片动态结温监测系统及监测方法，考虑开关特性参数的芯片动态结温估计方法，实现更具鲁棒性、精确度的芯片最高结温预测，以获得一种兼顾经济效益、设备可靠性的多目标控制，进而为电力电子装置健康管理技术的发展方向提供参考。本发明聚焦功率开关器件的关断过程，为功率开关器件的失效分析和电-热管理提供了更精确的动态结温参数，兼顾安全性和经济效益，是芯片结温检测领域的一条新思路。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种单个开关周期内芯片动态结温监测系统，包括绝缘栅双极晶体管单元、主电路单元、电流采样单元、电压采样单元、温控单元和结温监测单元，所述绝缘栅双极晶体管单元包括相互串联的第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管；

主电路单元分别连接第一绝缘栅双极晶体管和第二绝缘栅双极晶体管，

电流采样单元连接到功率器件回路中，电流采样单元的传感点置于第二绝缘栅双极晶体管的发射极；用于检测绝缘栅双极晶体管的导通电流，即集电极电流i_c；

电压采样单元并联到第二绝缘栅双极晶体管的集电极和发射极两端；用于检测第二绝缘栅双极晶体管的管压降，即集射极电压v_ce；

温控单元连接到第二绝缘栅双极晶体管上；用于调节绝缘栅双极晶体管器件的温度；

结温监测单元分别连接电流采样单元、电压采样单元、温控单元和驱动单元；用于接收来自电流采样单元所采集的绝缘栅双极晶体管的集电极电流i_c、接收来自电压采样单元所采集的绝缘栅双极晶体管的集射极电压v_ce、接收来自温控单元所采集的绝缘栅双极晶体管的工作壳温；以开关控制信号作为对绝缘栅双极晶体管器件单个PWM周期内关断损耗积分的触发信号，根据电流采样单元检测得到的绝缘栅双极晶体管的集电极电流i_c以及结温监测单元计算获得的关断损耗，通过事先试验得到的关断损耗-电流-结温三维映射关系表，实时得到绝缘栅双极晶体管器件的关断时刻初始结温，估计单个开关周期内绝缘栅双极晶体管器件的最高结温。