[发明专利]一种大功率IGBT模块运行结温的在线检测系统及其检测方法

摘要

本发明公开了一种大功率IGBT模块运行结温的在线检测系统及其检测方法，其利用具有近似线性负温度依耐性的IGBT模块最大集电极电流下降率作为器件的结温传感参量，并结合目前主流大功率IGBT模块的开尔文发射极封装概念，在IGBT模块的关断过程中，将大集电极电流变化信息转化成器件内部杂散电感上的感应电压信息。本发明不需要额外的高压无源辅助元件，在驱动电路发送关断信号的同时，开始捕获IGBT模块集电极电流变化率引起的感应电压，并提取其峰值，具有较高的精度和实时性。

主权项

1.一种大功率IGBT模块运行结温的在线检测系统，其特征在于，包括：主电路单元，与IGBT模块连接；其包括直流电压源、母线电容、负载电感和续流二极管模块；其中，直流电压源的正极与母线电容的一端、负载电感的一端以及续流二极管模块的阴极相连，负载电感的另一端与续流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的负极以及母线电容的另一端相连；驱动单元，用于为IGBT模块的基极提供开关控制信号，控制IGBT模块由导通状态切换至阻断状态，进而触发IGBT模块与续流二极管模块之间的换流过程，即IGBT模块集电极电流的下降过程；温控单元，用于调控IGBT模块的运行结温；采样单元，用于在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中采集由直流电压源所给定的直流母线电压、IGBT模块的正向导通电流以及由温控单元所设定的IGBT模块运行结温；结温检测单元，用于采集IGBT模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号的峰值电压；结温检测单元内存有各种运行工况下该峰值电压与直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的相关性函数模型和数据表格；进而在实际检测时根据IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及峰值电压，即可通过函数模型计算或查表反推得到IGBT模块的运行结温；所述的结温检测单元包括：峰值检测模块，用于采集IGBT模块功率发射极与开尔文发射极两端之间的电压信号，并在功率IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中提取出该电压信号的峰值电压；隔离模块，用于对电压信号的峰值电压进行隔离转换；结温计算模块，其内部存有各种运行工况下峰值电压与直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的相关性函数模型和数据表格；进而在实际检测时根据IGBT模块由导通状态切换至阻断状态的瞬态过程中所采集的直流母线电压、IGBT模块正向导通电流以及峰值电压，即可通过函数模型计算或查表反推得到IGBT模块的运行结温；所述结温检测单元内存的相关性函数模型由各直流母线电压下峰值电压关于IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数组成；对于任一直流母线电压，则该直流母线电压下关于峰值电压、IGBT模块正向导通电流以及IGBT模块运行结温的多项式函数如下：VEe_peak＝a0+a1Tj+a2Iload+a3TjIload其中：VEe_peak为峰值电压，Iload为IGBT模块的正向导通电流，Tj为IGBT模块的运行结温，a0～a3均为多项式系数；所述的峰值检测模块包括三个电阻R1～R3、两个电容C1～C2、两个运算放大器U2～U3、一个快速比较器U1和一个双向模拟开关H；其中：双向模拟开关H的输入端与IGBT模块的功率发射极相连，控制端与IGBT模块的基极相连，输出端与快速比较器U1的反相输入端相连；快速比较器U1的输出端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端与电阻R2的一端、电容C1的一端以及运算放大器U2的反相输入端相连，电阻R2的另一端与电容C1的另一端、电阻R3的一端、运算放大器U2的输出端以及快速比较器U1的同相输入端相连，电阻R3的另一端与运算放大器U3的同相输入端以及电容C2的一端相连，电容C2的另一端与运算放大器U2的同相输入端以及IGBT模块的开尔文发射极相连，运算放大器U3的反相输入端和输出端共连并生成所述的峰值电压；所述的隔离模块包括九个电阻R4～R12、四个电容C3～C6、两个运算放大器U4～U5和型号为HCNR201的线性光耦P；其中：电阻R9的一端与运算放大器U4的同相输入端相连并接峰值检测模块生成的峰值电压，电阻R9的另一端与电阻R10的一端以及电容C3的一端相连并接IGBT模块的开尔文发射极，电阻R10的另一端与运算放大器U4的反相输入端、电容C5的一端以及线性光耦P的4号引脚相连，电容C3的另一端与线性光耦P的2号引脚相连并接电源电压VDD，线性光耦P的1号引脚接IGBT模块的开尔文发射极，运算放大器U4的输出端与电容C5的另一端以及电阻R8的一端相连，电阻R8的另一端与线性光耦P的3号引脚相连，线性光耦P的6号引脚与电容C4的一端相连并接电源电压VDD，线性光耦P的5号引脚与电阻R11的一端以及电阻R4的一端相连，电阻R11的另一端与电容C4的另一端相连并接地，电阻R4的另一端与电容C6的一端、电阻R6的一端以及运算放大器U5的同相输入端相连，电容C6的另一端与电阻R6的另一端相连并接地，运算放大器U5的反相输入端与电阻R7的一端以及电阻R12的一端相连，电阻R7的另一端接地，电阻R12的另一端与电阻R5的一端以及运算放大器U5的输出端相连，电阻R5的另一端为隔离模块的输出端，其接地电压即为隔离转换后的峰值电压并提供给结温计算模块。