一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法，该系统包括测温元件、温度采集电路、IGBT门极驱动器及主控制器，其中，测温元件用于测量IGBT功率发射极端子上的温度；IGBT门极驱动器包含门极驱动及保护电路和温度采集电路;门极驱动及保护电路主要用于功率器件IGBT的开关控制和短路保护；温度采集电路用于采集测温元件输出的IGBT功率发射极端子上的温度信号;主控制器用于向IGBT门极驱动器发送门极触发信号，同时接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，并根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温。该发明专利技术实现了IGBT的过温保护，在控制器侧实现了IGBT温度估算。

【技术实现步骤摘要】
一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法
本专利技术涉及电力电子
，具体涉及一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法。
技术介绍
随着电力电子技术产业的发展，绝缘栅双极性晶体管IGBT作为能源变换和传输的核心半导体器件，其应用范围越来越广泛。功率变换器系统运行时，由于IGBT的开关损耗和导通损耗会使其芯片的温度升高，使得IGBT内部材料承受热应力，加速了器件老化程度以及失效率，导致变换器发生故障。因此IGBT的结温估算对其可靠性，健康状态以及使用寿命评估具有重要意义。现有的IGBT模块内部芯片的结温检测技术可大致分为四种方法：物理接触式测试法，光学非接触测试法，热阻模型预测法与热敏感电参数法。常见的物理接触测量法主要通过测量器件的基板或散热器温度，进行结温估算。目前，只有部分低压小功率IGBT内部集成了热敏元件，通过该热敏元件可以实现IGBT基板温度的测量。由于封装类型和应用场合不同，大部分商用IGBT模块内部仍没有安置测温元件。针对没有内置测温元件的IGBT，可通过监视散热器温度进行IGBT温度监视，但需要额外的测量电路或测量系统，增加了系统的复杂性。光学非接触测试法一般采用热成像仪进行温度测量。该方法需先将待测IGBT模块封装打开，除去芯片表面透明硅脂，然后将待测芯片表面涂黑，从而增加被测芯片的福射系数用以提高温度测量的准确度。光学非接触测试法一般在产品的开发过程中使用，并不适合IGBT温度的实时在线监控。热阻抗模型预测法结合了器件、电路和散热系统等综合因素，在精准确定IGBT模块的实时损耗模型和瞬态热阻抗网络模型的前提下，通过仿真或者离线查表等方式获得内部芯片结温及其变化趋势。热阻抗模型预测法需要同时获取IGBT实时损耗及热阻网络才可对IGBT的结温进行实时预测。在变流器长期的运行过程中，衬底板下面的焊料层与导热珪脂均会出现不同程度的老化现象。经过测量的热阻网络由于老化原因将会变成未知的热阻网络，从而带来结温预测的误差。半导体材料受温度影响的特性将会使得IGBT外部电气特性呈现一定的变化趋势,这种受温度影响而变化的电气特征参数称之为热敏感电参数。因此可以通过获取IGBT外部端子的电气参数，进行结温估算。目前，常用的热敏感电参数法包括通电压测量法、阈值电压法，短路电流法，最大电压变化率法，最大电流变化率法等。热敏感电参数法具有响应快、精度高、可在线测量等优点，但对测量电路的要求较高，且存在一定的耦合因素影响，需进行一定的解耦处理。针对以上各种方法的不足，本专利技术提出一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种易于集成在IGBT的门极驱动电路上，可实现IGBT结温的在线监控，对提升电力电子变流系统的可靠性具有重要意义的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统及方法。本专利技术的技术方案如下：一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，该系统包括测温元件、温度采集电路、IGBT门极驱动器及主控制器，其中，所述测温元件用于测量IGBT功率发射极端子上的温度；所述门极驱动及保护电路用于功率器件IGBT的驱动控制和保护；所述温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上，用于采集测温元件输出的IGBT功率发射极端子上的温度信号；所述主控制器用于向IGBT门极驱动器发送门极触发信号，同时接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，并根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温。进一步，所述主控制器估算出的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制器发送关断信号至IGBT门极驱动器，实现IGBT过温保护。进一步，所述测温元件包括热敏元件及金属垫片，所述金属垫片固定在IGBT的功率发射极端子上，所述热敏元件固定在IGBT门极驱动器的薄金属垫片上，将金属垫片压接在母排和IGBT发射极端子之间。进一步，所述主控制器接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，按照公式(1)进行结温Tj(t)的估算，Tj(t)＝Pj(t)·Zth(jE)(t)+(TE(t)-T′E(t))(1)其中，Pj(t)为IGBT的实时功率损耗，Zth(jE)(t)为IGBT芯片至功率发射极端子的热阻抗，TE(t)为测温元件测得的IGBT功率发射极端子的温度,TE'(t)为IGBT功率发射极端子的自热温度。进一步，所述Pj(t)包括开关损耗和导通损耗，其可以根据母线电压、输出电流以及开关函数确定；所述Zth(jE)(t)由热阻Rth(jE)和热容Cth(jE)决定，Zth(jE)(t)具体公式为：式中，Rth(EA)和Cth(EA)分别为IGBT芯片至功率发射极端子的热阻和热容。进一步，所述TE'(t)为IGBT功率发射极端子的自热温度,由公式(3)决定：T′E(t)＝f1(IC,ReE,TA)(3)自热温度TE'(t)也可以通过Ansys电热耦合仿真确定，并建立数据表格，供查表使用。本专利技术还提供了一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算方法，所述方法步骤包括：获取IGBT功率发射极端子上的温度信号；将IGBT功率发射极端子上的温度信号，传输至主控制器；主控制器根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温；其中，所述获取IGBT功率发射极端子上的温度，通过测温元件和温度采集电路实现；所述温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上。进一步，该方法还包括，所述主控制器根据估算出的结温对IGBT实施保护，当估算的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制发送关断信号至门极驱动器，从而保护IGBT。进一步，该方法还包括，所述主控制器根据估算出的结温进行IGBT健康状态监测，当IGBT出现老化问题时，实现可预测性维护。进一步，该方法还包括，将温度信号传送至IGBT门极驱动及保护电路；保护电路根据IGBT功率发射极端子上的温度信号，实现IGBT的过温保护；其中，所述保护电路将接收的温度信号与预设值比较，当超过预设值时，关断IGBT,实现IGBT过温保护。本专利技术的有益效果：该专利技术针对大功率半导体器件，温度采集电路容易集成在IGBT门极驱动电路上，实现IGBT温度在线监测；由于测温点在发射极端子，因此不用该考虑测温元件与被测点的高压绝缘问题；该专利技术还实现了IGBT的过温保护，在控制器侧实现了IGBT温度估算；通过实时监测IGBT的结温信息，可以实现IGBT的健康状态监测，监视器件的老化问题，进而实现IGBT的可预测性维护。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统的结构示意图；图2为IGBT端子热阻等效电路；图3为IGBT端子实物平面图；图4为本专利技术实施例提供的一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统的I本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，该系统包括测温元件、温度采集电路、IGBT门极驱动器及主控制器，其中，/n所述测温元件用于测量IGBT功率发射极端子上的温度；/n所述IGBT门极驱动及保护电路用于功率器件IGBT的驱动控制和保护；/n所述温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上，用于采集测温元件输出的IGBT功率发射极端子上的温度信号；/n所述主控制器用于向IGBT门极驱动器发送门极触发信号，同时接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，并根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，该系统包括测温元件、温度采集电路、IGBT门极驱动器及主控制器，其中，
所述测温元件用于测量IGBT功率发射极端子上的温度；
所述IGBT门极驱动及保护电路用于功率器件IGBT的驱动控制和保护；
所述温度采集电路设置在IGBT门极驱动器上，用于采集测温元件输出的IGBT功率发射极端子上的温度信号；
所述主控制器用于向IGBT门极驱动器发送门极触发信号，同时接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，并根据IGBT功率发射极端子上的温度信号估算出IGBT结温。


2.根据权利要求1所述的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，所述主控制器估算出的IGBT结温超过IGBT最大可耐受温度时，主控制器发送关断信号至IGBT门极驱动器，实现IGBT过温保护。


3.根据权利要求1-2任一所述的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，所述测温元件包括热敏元件及金属垫片，所述金属垫片固定在IGBT的功率发射极端子上，所述热敏元件固定在IGBT门极驱动器的薄金属垫片上，将金属垫片压接在母排和IGBT发射极端子之间。


4.根据权利要求1所述的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，所述主控制器接收IGBT门极驱动器传输的IGBT功率发射极端子上的温度信号，按照公式(1)进行结温Tj(t)的估算，
Tj(t)＝Pj(t)·Zth(jE)(t)+(TE(t)-T′E(t))(1)
其中，Pj(t)为IGBT的实时功率损耗，Zth(jE)(t)为IGBT芯片至功率发射极端子的热阻抗，TE(t)为测温元件测得的IGBT功率发射极端子的温度,TE'(t)为IGBT功率发射极端子的自热温度。


5.根据权利要求4所述的基于发射极功率端子温度的IGBT结温估算系统，其特征在于，所述Pj(t)包括开关损耗和导通损耗，其可以根据母线电压、输出电流以及...

【专利技术属性】
技术研发人员：谭国俊，张经伟，耿程飞，封安波，
申请(专利权)人：徐州中矿大传动与自动化有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32