СИСТЕМА И СПОСОБ КОНТРОЛЯ РАБОЧЕГО СОСТОЯНИЯ IGBT-УСТРОЙСТВА В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ
SYSTEM AND METHOD OF MONITORING WORKING CONDITION OF IGBT DEVICE IN REAL TIME

Область техники
Настоящее изобретение относится к области IGBT-устройств, в частности к способам измерения или оценки температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства.
Уровень техники
Температура полупроводникового перехода IGBT-устройств в полупроводниковых модулях во время работы, например в электронном преобразователе энергии, является важным параметром, который предоставляет информацию о термическом напряжении, которому подвергается устройство. Следовательно, она может быть использована, чтобы прогнозировать и оценивать износ IGBT-устройства и модуля питания и оценивать оставшийся срок эксплуатации IGBT-устройства.
Традиционно, температура полупроводникового перехода IGBT-устройства измеряется с помощью стандартных технологий измерения температуры, таких как использование инфракрасной камеры для исследования, термопара внутри корпуса IGBT-устройства непосредственно рядом или следом за IGBT-полупроводником, или измерение внутреннего сопротивления затвора IGBT-устройства для того, чтобы получать индикацию температуры устройства. Эти технологии либо подразумевают непосредственный доступ к корпусу IGBT-устройства, либо требуют специально спроектированных IGBT-устройств.
Кроме того, внутренняя температура IGBT-устройства может быть смоделирована посредством измерения температуры базовой пластины или подложки посредством датчика температуры и применения детализированной тепловой схемы, описывающей термические взаимодействия в устройстве. Моделирование основывается на информации об электрических величинах, таких как напряжение и форма волны тока, которые прикладываются к IGBT-устройству, так что температура IGBT может быть оценена.
Вследствие задержанной тепловой реакции, когда температура не измеряется непосредственно в полупроводниковом переходе, вышеописанные способы определения температуры не обеспечивают требуемое разрешение по времени и точность. Следовательно, эти технологии не подходят для измерения в реальном времени температуры полупроводникового перехода IGBT, в частности, если актуальное разрешение должно быть с частотой, близкой к управляющей частоте IGBT-устройства.
Следовательно, задачей настоящего изобретения является предоставление способа и системы для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства, которое обеспечивает индикацию температуры с высокой точностью и с высоким временным разрешением.
Сущность настоящего изобретения
Эта задача была решена посредством системы для определения температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства согласно пункту 1 формулы изобретения и посредством способа согласно дополнительному независимому пункту формулы.
Дополнительные варианты осуществления настоящего изобретения указываются в зависимых подпунктах.
Согласно первому аспекту предоставляется система для определения температуры полупроводникового перехода и/или оставшегося срока эксплуатации IGBT-устройства. Система содержит:
- дифференцирующий блок для приема характеристики напряжения затвор-эмиттер IGBT-устройства, которое должно быть измерено, и для дифференцирования характеристики напряжения затвор-эмиттер, чтобы получать импульсы, коррелирующие с фронтами, сформированными фазой участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства;
- блок таймера для измерения временной задержки между полученными импульсами, указывающими начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства;
- блок вычисления температуры полупроводникового перехода для определения температуры полупроводникового перехода и/или оставшегося срока эксплуатации IGBT-устройства на основе измеренной временной задержки.
Характер поведения IGBT-устройства сильно зависит от его рабочей температуры. Это происходит вследствие сильной взаимозависимости между температурой и фундаментальными физическими параметрами, такими как мобильность, срок эксплуатации и концентрация собственных носителей. Поскольку фундаментальные физические параметры отражают стандартные свойства полупроводника, электрические характеристики полупроводникового устройства зависят от температуры. Помимо чувствительных к температуре электрических параметров, таких как пороговое напряжение, времена задержки включения и выключения, потери при переключении и т.п., которые требуют сложных технологий измерения, было обнаружено, что, в частности, характеристики выключения IGBT-устройства при заданном условии нагрузки могут быть использованы, чтобы определять температуру полупроводникового перехода устройства точным образом. В частности, характеристики напряжения затвор-эмиттер во время выключения показывают ступенчатый характер вследствие разряда емкости относительно корпуса, имеющий два этапа, при этом временная задержка между первым задним фронтом и вторым задним фронтом определяет продолжительность, сильно зависящую от температуры полупроводникового перехода устройства. Ступенчатый характер формирует характеристики, похожие на горизонтальные участки, также называемые участками заряда емкости Миллера.
Кроме того, было обнаружено, что временная задержка является близкой к линейной функции температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства. Следовательно, рассматривается вариант, что характеристика выключения напряжения затвор-эмиттер IGBT-устройства анализируется для того, чтобы определять температуру полупроводникового перехода IGBT.
Оценка продолжительности участка заряда емкости Миллера предоставляет возможность точного определения температуры полупроводникового перехода при каждом переключении IGBT-устройства. Следовательно, может быть получена характеристика в реальном времени температуры IGBT-устройства, которая, например, предоставляет возможность более точно оценивать термическое напряжение, оказываемое на IGBT-устройство, и оставшийся срок его эксплуатации.
Кроме того, блок вычисления температуры полупроводникового перехода может быть выполнен с возможностью определять температуру полупроводникового перехода IGBT-устройства на основе измеренной временной задержки и напряжения коллектор-эмиттер IGBT-устройства и тока IGBT-устройства.
Может быть предусмотрено, что блок вычисления температуры полупроводникового перехода выполнен с возможностью определять температуру полупроводникового перехода и/или оставшийся срок эксплуатации IGBT-устройства посредством заданной справочной таблицы или заданной функции.
Согласно варианту осуществления блок обнаружения амплитуды сигнала и блок сравнения могут быть сконфигурированы с возможностью выбирать импульсы, указывающие начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства, из других импульсов, при этом блок сравнения выполнен с возможностью фильтровать импульсы на основе опорного напряжения переключения в качестве порогового уровня, при этом блок обнаружения амплитуды сигнала выполнен с возможностью формировать соответствующие пороговые уровни на основе амплитуд импульсов, сформированных в дифференцирующем блоке.
Могут быть предусмотрены блок обнаружения амплитуды сигнала и блок сравнения, которые сконфигурированы с возможностью выбирать импульсы, указывающие начало и окончание фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства, из других импульсов,
при этом блок сравнения выполнен с возможностью сравнивать уровни напряжения импульсов с соответствующим опорным напряжением переключения в качестве порогового уровня, чтобы получать бинарные импульсные сигналы, при этом блок обнаружения амплитуды сигнала выполнен с возможностью формировать соответствующие пороговые уровни на основе амплитуд импульсов, сформированных в дифференцирующем блоке.
Кроме того, блок сравнения может быть сконфигурирован с возможностью применять гистерезис при сравнении уровней напряжения импульсов с соответствующим опорным напряжением переключения в качестве порогового уровня, чтобы получать бинарные импульсные сигналы.
Согласно первому аспекту предоставляется способ для определения температуры полупроводникового перехода и/или оставшегося срока эксплуатации IGBT-устройства. Способ содержит этапы, на которых:
- дифференцируют характеристику напряжения затвор-эмиттер, чтобы получать импульсы, коррелирующие с фронтами, сформированными фазой участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства;
- измеряют временную задержку между полученными импульсами, указывающими начало и конец фазы участка заряда емкости Миллера во время фазы выключения IGBT-устройства;
- определяют температуру полупроводникового перехода и/или оставшийся срок эксплуатации IGBT-устройства на основе измеренной временной задержки.
Согласно варианту осуществления температура полупроводникового перехода IGBT-устройства может дополнительно быть определена на основе напряжения коллектор-эмиттер и тока IGBT-устройства.
Краткое описание чертежей
Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения будут описаны более подробно вместе с сопровождающими чертежами, на которых:
Фиг.1 показывает схему IGBT-модуля возбуждения, управляемого блоком управления;
Фиг.2 показывает график, изображающий напряжение затвор-эмиттер IGBT-устройства по времени во время фазы выключения;
Фиг.3 показывает график, изображающий временную задержку участка заряда емкости Миллера в зависимости от температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства;
Фиг.4 показывает функциональную блок-схему определения временной задержки участка заряда емкости Миллера;
Фиг.5 показывает схему примера блока определения температуры; и
Фиг.6 показывает характеристики напряжения затвор-эмиттер измеряемого IGBT-устройства относительно импульсов, сформированных в качестве выходных из блока сравнения.
Подробное описание вариантов осуществления
H
L
Фиг.1 показывает схему IGBT-модуля 1 возбуждения для предоставления трехфазного выходного тока, сгенерированного из DC-источника питания, прикладываемого между высоким подаваемым потенциалом V и низким подаваемым потенциалом V. IGBT-модуль 1 возбуждения управляется блоком 2 управления. IGBT-модуль 1 возбуждения содержит B6-схему, которая имеет три полумоста 11, по одному для каждой выходной фазы U, V, W.
H
L
H
L
Каждый полумост 11 является последовательным соединением двух IGBT-устройств между высоким подаваемым потенциалом V и низким подаваемым потенциалом V. В каждом из полумостов 11 клемма C коллектора первого IGBT-устройства 12 соединяется с высоким подаваемым потенциалом V, в то время как клемма E эмиттера первого IGBT-устройства 12 соединяется с узлом вывода для соответствующей выходной фазы U, V, W. Клемма C коллектора второго IGBT-устройства 13 соединяется с узлом вывода и клеммой E эмиттера первого IGBT-устройства 12, в то время как клемма C коллектора второго IGBT-устройства 13 соединяется с низким подаваемым потенциалом V.
H
L
Каждое IGBT-устройство 12, 13 каждого полумоста 11 снабжено обратным диодом 14, который подключается между высоким подаваемым потенциалом V и низким подаваемым потенциалом V в обратном направлении. Клеммы G затвора всех IGBT-устройств 12, 13 управляются блоком 2 управления, который не показан на фиг.1 ради ясности. Например, IGBT-модуль 1 возбуждения используется, чтобы снабжать электрической мощностью (непоказанную) трехфазную синхронную электрическую машину, прикладывая сигналы широтно-импульсной модуляции к IGBT-устройствам 12, 13 согласно заданной схеме коммутации.
Особенно для приборов большой мощности, контроль температуры IGBT-модуля 1 возбуждения и IGBT-устройств 12, 13 становится существенным для того, чтобы предотвращать отказ. Чтобы измерять температуру полупроводникового перехода IGBT-устройства 12, 13, используется характер электрического выключения IGBT-устройства 12, 13, который сильно зависит от температуры полупроводникового перехода соответствующего IGBT-устройства 12, 13.
delay
delay
Как может быть видно на фиг.2, которая показывает график характеристик напряжения затвор-эмиттер IGBT-устройства 12, 13 во время фазы выключения, уменьшение напряжения затвор-эмиттер включает в себя два этапа, определяющих пологий участок промежуточного напряжения, называемый участком заряда емкости Миллера. Продолжительность t участка заряда емкости Миллера зависит от температуры. Было отмечено, что взаимозависимость временной задержки t участка заряда емкости Миллера и температуры полупроводникового перехода IGBT-устройства 12, 13 близка к линейной, как может быть видно на графике на фиг.3.
Чтобы получать указание температуры полупроводникового перехода на основе знания вышеописанных электрических характеристик выключенного IGBT-устройства 12, 13, блок 20 определения температуры может быть предпочтительно включен в блок 2 управления.
GE
GE
GE
Блок определения температуры содержит дифференцирующий блок 21, который своевременно получает напряжение U затвор-эмиттер выбранного IGBT-устройства 12, 13 IGBT-модуля 1 возбуждения. Дифференцирующий блок 21 принимает напряжение U затвор-эмиттер выбранного IGBT-устройства 12, 13 и предоставляет импульс для каждого фронта характеристик напряжения затвор-эмиттер. Дифференцирующий блок 21 может быть предусмотрен как высокочастотный фильтр, фильтрующий DC-часть напряжения затвор-эмиттер. Дифференцирующий блок 21 может включать в себя конденсатор и резистивную схему, формирующую дифференциальное преобразование пошагового напряжения U затвор-эмиттер во время фазы выключения IGBT-устройства 12, 13.
GE
GE
delay
j
GE
Фронты напряжения U затвор-эмиттер формируют импульс, амплитуда которого зависит от времени роста напряжения U затвор-эмиттер. Временная разница между сгенерированными таким образом импульсами представляет временную задержку t участка заряда емкости Миллера, который представляет температуру T полупроводникового перехода, которая должна быть определена. Дифференцированное напряжение U затвор-эмиттер предоставляется блоку 22 сравнения для того, чтобы корректно передавать импульсы дифференцирующего блока 21 к расположенному дальше блоку 23 таймера в цифровой форме.
GE
Блок 22 сравнения имеет небольшой гистерезис, при этом опорное напряжение переключения для блока 22 сравнения устанавливается вполовину амплитуды импульса дифференцирующего блока 21. Поскольку амплитуда импульса дифференцированного напряжения U затвор-эмиттер зависит от времени роста, амплитуда импульса будет изменяться со многими параметрами.
delay
По этой причине, переменное опорное напряжение формируется в блоке 24 обнаружения амплитуды сигнала в зависимости от выходной амплитуды дифференцирующего блока 21. Блок 24 обнаружения амплитуды сигнала используется, чтобы задавать корректное опорное напряжение переключения блоку 22 сравнения, который приспособлен к обоим фронтам, определяющим продолжительность t участка заряда емкости Миллера. Блок 24 обнаружения амплитуды сигнала измеряет отрицательную амплитуду импульса, подаваемого дифференцирующим блоком 21. Выходное напряжение блока 24 обнаружения амплитуды сигнала, указывающее значение отрицательной амплитуды выходного сигнала дифференцирующего блока 21, делится на два (например, посредством делителя напряжения) и перенаправляется блоку 22 сравнения в качестве опорного напряжения переключения.
Блок 23 таймера выполнен с возможностью измерять временную задержку между первым и вторым импульсом, возникающим во время периода выключения.
DD
На фиг.5 показана схема примера блока 20 определения температуры. В дифференцирующем блоке 21 предусмотрен конденсатор C4, который выполняет дифференцирование напряжения затвор-эмиттер. Резисторы R11 и R13 представляют выходную нагрузку для C4. Внутренний ноль схемы задается вполовину подаваемого напряжения V с помощью делителя напряжения, содержащего резисторы R11 и R13. Конденсатор C6 используется, чтобы соединять резистор R11 HF прямо с землей GND. Резистор R12 ограничивает выходной ток дифференцирующего блока 21.
ref
ref
DD
Блок 22 сравнения использует операционный усилитель U3. Входной сигнал от дифференцирующего блока 21 идет к отрицательному входу операционного усилителя U3 и, следовательно, инвертируется в качестве выходного. Опорное напряжение U переключения соединяется с положительным входом U3 через резистор R20. Резисторы R18, R19, R20 и R21, каждый, представляют делитель напряжения для опорного напряжения переключения. Таким образом, опорное напряжение U переключения равно приблизительно половине выходного из блока 23 обнаружения амплитуды сигнала. Резисторы R18 и R21 задают рабочее напряжение вполовину подаваемого напряжения V. Резистор R19 включен, чтобы обеспечивать необходимый гистерезис. Конденсатор C17 помогает ускорять переключение вывода блока 22 сравнения.
ref
Блок 23 обнаружения амплитуды сигнала использует операционный усилитель U2A. Усилитель U2A с диодом V7 и выходным буфером U2B представляет детектор отрицательного пика. Усилитель U2A возбуждает диод V7 отрицательно, пока напряжение выходного буфера U2B не равно значению входного напряжения. Как только входное напряжение становится положительным, диод V7 отсоединяет вывод усилителя U2A от конденсаторов C5 и C6. В этот момент максимальное отрицательное значение сохраняется в конденсаторах C5 и C7. Это буферизованное напряжение делится на два и передается в качестве опорного напряжения U переключения блоку 22 сравнения. Без сигнала емкости C5 и C7 будут разряжаться до 2,5 В через резисторы R10 и R14. Константа времени разряда может быть задана емкостями C5, C7 и сопротивлениями R10, R14. Диод V8 предотвращает насыщение усилителя U2A в состоянии хранения.
GE
GE
Как может быть видно на фиг.6, характеристика напряжения U затвор-эмиттер измеряемого IGBT-устройства 12, 13 иллюстрируется относительно импульсов, сформированных в качестве выходных из блока 22 сравнения. Может быть ясно видно, что первый импульс формируется в начале участка заряда емкости Миллера, а второй импульс формируется после второго спада напряжения V затвор-эмиттер участка заряда емкости Миллера, который зависит от температуры. Временной сдвиг между этими двумя импульсами изменяется с температурой.
delay
delay
delay
j
delay
Временная задержка t между двумя пульсирующими фронтами импульсов, сформированных в блоке 22 сравнения, измеряется блоком 23 таймера для того, чтобы получать указание временной задержки t участка заряда емкости Миллера. Указание временной задержки t участка заряда емкости Миллера передается блоку 25 вычисления температуры полупроводникового перехода, который, по существу, включает в себя заданную справочную таблицу или заданную сравнимую функцию для того, чтобы определять указание температуры T полупроводникового перехода и/или указание об оставшемся сроке эксплуатации в зависимости от указания временной задержки t участка заряда емкости Миллера.
GE
delay
GE
GE
Напряжение хорды постоянного тока или напряжение U коллектор-эмиттер через IGBT-устройство 12, 13 и ток через IGBT-устройство 12, 13 используются, чтобы получать опорное указание температуры полупроводникового перехода из заданной справочной таблицы, поскольку временная задержка t также завит от этих показателей. Информация о напряжении U коллектор-эмиттер и токе IGBT-устройства 12, 13 обычно доступна в блоке 2 управления, поскольку работа IGBT-модуля 1 возбуждения управляется в зависимости от этих показателей. Например, для выполнения вышеупомянутой схемы коммутации требуются напряжение хорды постоянного тока или напряжение U коллектор-эмиттер на концах IGBT-устройств 12, 13 и ток через IGBT-устройства 12, 13. Устройство 20 определения температуры полупроводникового перехода может быть предусмотрено для каждого IGBT-устройства 12, 13 в блоке 2 управления.
j
Одним дополнительным преимуществом вышеописанного способа определения температуры T полупроводникового перехода IGBT-устройства является то, что эффекты старения модуля, в котором реализовано IGBT-устройство, могут быть легко обнаружены, если записывается постоянное увеличение средней температуры полупроводникового перехода. Когда характер постоянного увеличения температуры T полупроводникового перехода обнаруживается, причина может быть отнесена к старению припоя между IGBT-подложками и базовой пластиной модуля или даже к нарушению соединения переходных отверстий, соединяющих микросхемы с клеммами IGBT-модуля 1 возбуждения. Эти процессы старения преобразуются в увеличенное термическое сопротивление корпуса, которое означает, что IGBT-микросхемы менее эффективно охлаждаются. Таким образом, оцененная температура полупроводникового перехода IGBT-устройств 12, 13 будет увеличиваться постепенно со временем.
Список условных обозначений
1 - IGBT-модуль возбуждения
2 - блок управления
11 - полумост
12 - первое IGBT-устройство
13 - второе IGBT-устройство
14 - обратный диод
21 - дифференцирующий блок
22 - блок сравнения
23 - блок таймера
24 - блок обнаружения амплитуды сигнала
25 - блок вычисления температуры полупроводникового перехода
U, V, W - выходные фазы
C - клемма коллектора
G - клемма затвора
E - клемма эмиттера
j
T - температура полупроводникового перехода
H
L
V, V - высокий, низкий подаваемый потенциал
GE
V - напряжение затвор-эмиттер
delay
t - временная задержка
ref
U - опорное напряжение переключения