一种基于米勒平台持续时间的IGBT结温监测系统和方法

摘要

一种基于米勒平台持续时间的IGBT结温监测系统和方法，包括了栅极驱动芯片、信号提取与预处理电路、时间测量电路和控制器，信号提取与预处理电路的一端经时间测量电路与控制器的一端连接，控制器的另外一端与IGBT器件驱动电路的栅极驱动芯片连接，驱动芯片分别与IGBT器件和信号提取与预处理电路连接，信号提取与预处理电路是通过提取IGBT器件开通过程中栅射极电压信号中的米勒平台持续时间作为IGBT结温监测的特征参数进行初始状态设定与实时结温在线监测。本发明可实现在线监测，结温提取不影响IGBT的工作，可直接用于IGBT的结温监测与一般寿命评估，可有效解决目前IGBT结温监测技术中缺乏有效的特征参数问题。

说明书

技术领域

本发明涉及IGBT结温监测技术领域，具体涉及一种基于米勒平台持续时间的IGBT结温监测系统和方法。

背景技术

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)，广泛应用于工业中，例如航空航天、直流输电、电动汽车等领域，对于系统的控制、系统功耗的降低等起着至关重要的作用，然而IGBT模块在实际应用中，受到各种工况的影响，IGBT在不断的开通关断过程中，芯片被不断地加热和冷却，导致芯片发生微变化，单次的微变化并不会影响器件的正常工作，但是多次的微变化会逐渐积累，导致IGBT模块因热退化而失效，若器件发生突发性损坏，会对电气设备造成严重的故障，甚至会造成灾难性事故；因此，对IGBT进行结温监测进而预测IGBT的寿命就至关重要。

目前，IGBT结温检测技术是提高IGBT器件可靠性的最有效的方法。若能实现实时在线监测IGBT结温，就可以预估IGBT的剩余寿命，实现对IGBT模块热老化和故障状态的监测，及时更换器件，进而避免造成更大的损失；状态检测是指监测出系统早期微弱的故障，如果监测的数据逐渐偏离健康状态值，则要评估当前状态偏离正常值的程度，即故障级别；电力电子中IGBT器件的状态监测研究中主要缺乏有效的状态监测特征参数；通常对于IGBT芯片结温的监测采用器件内部与温度有着一一对应关系并且受温度影响将会使IGBT器件的工作电气特征呈现单调变化的趋势的参数；这些参数包括短路电流、栅极阈值电压、开通延迟时间、关断延迟时间等。

传统的IGBT结温检测技术在提取的过程中会影响IGBT的正常工作，而且不能在线实时监测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供可实时在线监测，特征参数的提取不影响IGBT的正常工作的一种基于米勒平台持续时间的IGBT结温监测系统和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于米勒平台持续时间的IGBT结温监测系统，包括了栅极驱动芯片、信号提取与预处理电路、时间测量电路和控制器，所述信号提取与预处理电路的一端经时间测量电路与控制器的一端连接，所述控制器的另外一端与IGBT器件驱动电路的栅极驱动芯片连接，所述驱动芯片分别与IGBT器件和信号提取与预处理电路连接，所述信号提取与预处理电路是通过提取IGBT器件开通过程中栅射极电压信号中的米勒平台持续时间作为IGBT结温监测的特征参数进行初始状态设定与实时结温在线监测。

进一步的，所述信号提取与预处理电路，包括：微分单元、比较单元和隔离单元；所述微分单元，包括阻容电路，可产生步进式输入信号差分变换，所述阻容电路将IGBT开通过程中电压信号米勒平台前后两个上升沿信号提取出来，变换成模拟脉冲信号；所述比较单元将差分级的两个模拟脉冲都正确地转换为数字量，将微分单元与比较器的负输入端连接，同时比较器的正输入端通过电阻R2与基准电压相连，实现微分单元的模拟量与基准电压进行比较，将微分单元获得的脉冲模拟信号转换为同周期的数字信号；所述隔离单元防止电路的相互干扰，并对比较单元输出的电压进行调制。

进一步的，所述阻容电路，包括电容C1和电阻R1；所述电容C1端分为两路，一路经电阻R1接地，组成简单的RC网络，另一路与比较器U1的第二引脚连接，所述比较器U1的第三引脚分为两路，一路经电阻R2与基准电压连接，另一路电阻R3接地，所述比较器U1的另一端第六引脚和隔离单元驱动器U2的第一引脚连接，所述隔离单元驱动器U2的第三引脚经过电阻R4与地连接、其第四引脚与地连接、其第五引脚输出预处理后波形、其第六引脚与电容C2连接。

进一步的，所述时间测量电路测量信号提取与预处理电路所获得的IGBT器件开通过程中米勒平台起始和结束的脉冲之间的时间间隔，进而获得米勒平台持续时间。

进一步地，所述控制器匹配时间测量电路的测量模式，控制时间测量电路实时测量信号提取与预处理电路产生的两个脉冲。

进一步的，所述时间测量电路，包括时间数字转换器，实现信号提取与预处理电路提取的信号可以被数字转化器捕获，所述控制器先向时间数字转换器输出 START信号，再向IGBT发出驱动信号，驱动信号经栅极驱动芯片作用于IGBT，两个脉冲信号输入STOP端口后，经过时间数字转换器的时间测量模块进行测量校正，最终由串口通信芯片MAX485实现信息交互。

进一步的，所述时间数字转换器的STOP引脚接收驱动信号预处理电路的输出信号，所述时间数字转换器的START引脚分别于控制器的P9.6引脚连接，所述时间数字转换器的EN-START引脚和EN-STOP引脚分别与控制器的P8.7引脚和P8.6 引脚连接，所述控制器的P9.7引脚和IGBT栅极驱动芯片连接，所述控制器的 P9.1～P9.4引脚与时间数字转换器的SPI连接，所述控制器的P10.5引脚、P10.4 引脚和P2.0引脚分别与串口通信的RXD、TXD和CONTROL连接，所述控制器通过串口通信与监测软件连接。

一种基于米勒平台持续时间的IGBT结温监测方法，包括以下步骤：

S1：确定米勒平台持续时间和结温之间的相关性，并创建拟合曲线；

S2：对开通过程中的米勒平台持续时间进行测量，并通过拟合曲线将测得的米勒平台持续时间转换为结温，据此可以做出简单寿命评估。

本发明的有益效果是：

1.对结温实现实时在线监测，就可以对IGBT的剩余寿命作一般性预估。实现对IGBT模块热老化和故障状态的监测，及时更换器件，进而避免造成更大的损失。

2.本发明特征参数米勒平台持续时间的提取与测量信号取自驱动电路侧，是在IGBT加驱动电压开启过程中提取米勒平台持续时间，不涉及与主电路的隔离问题，另外，米勒平台持续时间参数的监测不会影响原有电路的正常工作，利于实现器件结温的实时在线监测；

3.本发明提供的方法有利于实现IGBT结温的实时在线监测，有效解决现有电力电子器件状态检测技术中缺乏有效的特征参数的问题；

4.本发明是在详细研究IGBT开通过程的米勒平台持续时间随结温变化规律的基础之上，搭建用于在线提取米勒平台持续时间的精确测量系统，可以利用对IGBT米勒平台持续时间的精确测量实现对IGBT结温监测的目的。

附图说明

图1是本发明的系统示意图；

图2是本发明的IGBT内部寄生电容分布图；

图3是本发明的IGBT等效电路图；

图4是本发明的IGBT开通过程暂态波形图；

图5是本发明的信号提取与预处理电路；

图6是本发明的时间测量电路原理图；

图7是本发明的控制器程序流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的具体实施方式作进一步详细说明：

如图1-7所示，一种基于米勒平台持续时间的IGBT结温监测系统和方法的实施例，包括了栅极驱动芯片、信号提取与预处理电路、时间测量电路和控制器，信号提取与预处理电路的一端经时间测量电路与控制器的一端连接，控制器的另外一端与IGBT器件驱动电路的栅极驱动芯片连接，驱动芯片分别与IGBT器件和信号提取与预处理电路连接，信号提取与预处理电路是通过提取IGBT器件开通过程中栅射极电压信号中的米勒平台持续时间作为IGBT结温监测的特征参数进行初始状态设定与实时结温在线监测。

信号提取与预处理电路，包括：微分单元、比较单元和隔离单元；微分单元，包括阻容电路，可产生步进式输入信号差分变换，阻容电路将IGBT开通过程中电压信号米勒平台前后两个上升沿信号提取出来，变换成模拟脉冲信号；比较单元将差分级的两个模拟脉冲都正确地转换为数字量，将微分单元与比较器的负输入端连接，同时比较器的正输入端通过电阻R2与基准电压相连，实现微分单元的模拟量与基准电压进行比较，将微分单元获得的脉冲模拟信号转换为同周期的数字信号；所述隔离单元防止电路的相互干扰，并对比较单元输出的电压进行调制。

先对米勒平台的形成原因以及米勒平台持续时间进行推导，米勒效应的产生与IGBT内部的寄生电容有关，如图2所示，耗尽层电容C

C

同时

式中，ε为硅介质电常数，e

从结构而言，IGBT是一个基极电流由MOSFET控制的双极性晶体管，如图3 所示，该模型由双极性PNP晶体管、N沟道MOSFET、各极间寄生电容(栅射极电容C

根据集射电压V

(t

(t

米勒平台出现的根本原因在于C

栅集电容C

栅极电压在t

当栅极电压超过阈值电压时，集电极电流开始逐渐增加：

g

在时间t

平稳阶段的栅极电流为：

当栅极电流为栅基电容C

因为栅射极电压V

R

在t

v

R

C

本发明提供了一种基于米勒平台持续时间的IGBT结温监测方法，IGBT开通过程中，驱动电压信号会呈现斜率不同的三段特性，本发明中的信号提取与预处理电路对栅射极电压波形进行微分预处理，得到对应电压波形米勒平台前后两个模拟脉冲，通过时间测量电路对两个脉冲之间的间隔时间进行测量，可以得到米勒平台持续时间，驱动电路侧参数提取方法实现了测量电路和主电路的隔离，避免了测量对主电路运行的影响。

该发明的硬件电路，包括：信号提取与预处理电路包括微分单元、比较单元以及隔离单元，微分单元采用简单的R-C网络，R-C网络主要在于阻容的具体取值，取值需要满足电路本身的时间常数远远小于输入波形的宽度，则可以产生步进式输入信号差分变换。因此，输入信号的每个正上升沿都会产生单个模拟脉冲，在开通过程中会产生两个模拟脉冲信号；比较单元为了将差分级的两个模拟脉冲都正确地转换为数字量，将微分单元与比较器的负输入端连接，同时比较器的正输入端通过电阻R2与基准电压(VBIAS＝1.5V)相连，实现微分单元的模拟量与基准电压进行比较，将微分单元获得的脉冲模拟信号转换为同周期的数字信号，再输入时间测量电路测量米勒平台前后的脉冲时间间隔；隔离单元用于防止电路工作相互干扰保证电路兼容，并对比较单元输出的电压进行调制。

时间测量电路测量信号提取与预处理电路所获得的IGBT器件开通过程中栅射极电压米勒平台起始和结束脉冲之间的时间间隔，获得米勒平台持续时间。

时间测量电路主要是时间数字转换器，能够实现信号提取与预处理电路提取的信号可以被时间数字转换器捕获，控制器先向时间数字转换器输出START信号，再向IGBT发出驱动信号，前端信号提取与预处理电路会将驱动电压米勒平台信息转化为两个脉冲信号输入STOP端口后，经过时间数字转换器的时间测量模块测量校正得到两个脉冲之间的时间间隔即米勒平台持续时间，最终由串口通信实现信息交互。

控制器匹配时间测量电路的测量模式，控制时间测量电路实时测量信号提取与预处理电路产生的两个脉冲。

本发明提供一种采用米勒平台持续时间作为特征参数的IGBT结温监测方法，与以往结温监测方法相比，具有可实时在线监测、特征参数的提取不影响 IGBT的正常工作和测量电路相对简单的优点，其特征如下步骤：

S1:确定米勒平台持续时间和结温之间的相关性，并创建拟合曲线；

S2:对米勒平台持续时间进行测量，并通过拟合曲线将测得的米勒平台持续时间转换为结温，据此可以做出简单寿命评估。

说明书中未详细说明的内容属于本领域技术人员熟知的现有技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应当视为在本发明的保护范围之内。