專利名稱：用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)igbt器件的操作狀態(tài)的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及IGBT器件的領(lǐng)域，特別地涉及用于測(cè)量或估計(jì)IGBT器件的結(jié)溫的方法。
背景技術(shù)：
在操作期間半導(dǎo)體模塊中的IGBT器件的結(jié)溫在例如功率電子轉(zhuǎn)換器中是重要的參數(shù)，其提供關(guān)于器件所暴露的熱應(yīng)力的信息。因此，它可以用于預(yù)測(cè)和評(píng)估IGBT器件和功率模塊的老化并且估計(jì)IGBT器件的剩余壽命。常規(guī)地，使用標(biāo)準(zhǔn)溫度測(cè)量技術(shù)測(cè)量IGBT器件的結(jié)溫，例如使用紅外拍攝裝置探測(cè)、在IGBT器件封裝內(nèi)部直接在IGBT半導(dǎo)體處或附近的熱耦，或測(cè)量IGBT器件的內(nèi)部柵極電阻以便獲得器件溫度的指示。這些技術(shù)或牽涉對(duì)IGBT器件封裝的直接接觸或需要專門設(shè)計(jì)的IGBT器件。此外，可以通過憑借溫度傳感器測(cè)量基底板或襯底的溫度并且應(yīng)用描述器件中的熱互作用的詳細(xì)熱網(wǎng)絡(luò)而模擬內(nèi)部IGBT器件溫度。該模擬基于關(guān)于施加到IGBT器件的電壓和電流波形等電參量的信息，使得可以估計(jì)IGBT溫度。由于直接在半導(dǎo)體結(jié)處未測(cè)量到溫度時(shí)的延遲熱響應(yīng)，上文的用于確定溫度的方法未提供需要的及時(shí)分辨率和精確度。因此，特別地，如果及時(shí)分辨率應(yīng)該處于接近IGBT器件的控制頻率的頻率，這些技術(shù)不適合于IGBT結(jié)溫的在線測(cè)量。因此，本發(fā)明的目的是提供用于確定IGBT器件的結(jié)溫的方法和系統(tǒng)，其高度精確地且以高的及時(shí)分辨率提供溫度的指示。

發(fā)明內(nèi)容
該目的由根據(jù)權(quán)利要求1的用于確定IGBT器件的結(jié)溫的系統(tǒng)和由根據(jù)另外的獨(dú)立權(quán)利要求的方法實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明的另外的實(shí)施例在從屬的子權(quán)利要求中指示。根據(jù)第一方面，提供用于確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括:
一微分單元，用于接收要測(cè)量的IGBT器件的柵極-發(fā)射極電壓特性和用于微分該柵極-發(fā)射極電壓特性來獲得與IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺(tái)期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖；
一計(jì)時(shí)器單元，用于測(cè)量獲得的指示IGBT器件的關(guān)斷期期間Miller平臺(tái)期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時(shí)間延遲；
一結(jié)溫計(jì)算單元，用于基于測(cè)量的時(shí)間延遲確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命。IGBT器件的行為強(qiáng)烈地取決于其操作溫度。這是由于溫度與基本物理參數(shù)(例如遷移率、壽命和本征載流子濃度)之間強(qiáng)烈的相互依賴性。因?yàn)檫@些基本物理參數(shù)反映標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體特性，半導(dǎo)體器件的電特性是溫度依賴的。除例如閾值電壓、導(dǎo)通和關(guān)斷延遲時(shí)間、開關(guān)損耗等需要復(fù)雜的測(cè)量技術(shù)的熱敏電參數(shù)外，還發(fā)現(xiàn)，特別地在給定負(fù)載條件的IGBT器件的關(guān)斷特性可以用于以精確的方式確定器件的結(jié)溫。特別地，關(guān)斷期間的柵極-發(fā)射極電壓特性示出由于本體電容的放電而具有兩個(gè)步階的階梯模式，其中第一下降邊緣與第二下降邊緣之間的時(shí)間延遲確定了強(qiáng)烈地取決于器件結(jié)溫的持續(xù)時(shí)間。該階梯模式形成類似平臺(tái)的特性，也稱為Miller平臺(tái)。此外，發(fā)現(xiàn)該時(shí)間延遲是IGBT結(jié)溫的接近于線性的函數(shù)。因此，提供了分析IGBT器件的柵極-發(fā)射極電壓的關(guān)斷特性以便確定IGBT結(jié)溫。Miller平臺(tái)的持續(xù)時(shí)間的估計(jì)允許精確確定IGBT器件的各開關(guān)時(shí)的結(jié)溫。因此，可以獲得IGBT器件的在線溫度特性，其例如允許更精確估計(jì)施加在IGBT器件上的熱應(yīng)力及其剩余壽命。此外，結(jié)溫計(jì)算單元可適用于基于測(cè)量的時(shí)間延遲和IGBT器件的集電極-發(fā)射極電壓以及IGBT器件電流確定IGBT器件的結(jié)溫。可提供結(jié)溫計(jì)算單元適用于憑借給定查找表或給定函數(shù)確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命。根據(jù)實(shí)施例，信號(hào)幅度檢測(cè)單元和比較器單元可配置成從其他脈沖選擇指示IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺(tái)期的起始和結(jié)束的脈沖，其中該比較器單元適用于基于作為閾值水平的參考開關(guān)電壓而對(duì)脈沖濾波，其中該信號(hào)幅度檢測(cè)單元適用于基于在微分單元中產(chǎn)生的脈沖的幅度產(chǎn)生相應(yīng)的閾值水平?？商峁┬盘?hào)幅度檢測(cè)單元和比較器單元，其配置成從其他脈沖選擇指示IGBT器件的關(guān)斷期期間Miller平臺(tái)期的起始和結(jié)束的脈沖，其中該比較器單元適用于將脈沖的電壓水平與作為閾值水平的相應(yīng)參考開關(guān)電壓比較來獲得二進(jìn)制脈沖信號(hào)，其中該信號(hào)幅度檢測(cè)單元適用于基于在微分單元中產(chǎn)生的脈沖的幅度產(chǎn)生相應(yīng)的閾值水平。此外，比較器單元可配置成在將脈沖的電壓水平與作為閾值水平的相應(yīng)參考開關(guān)電壓比較來獲得二進(jìn)制信號(hào)時(shí)應(yīng)用滯后。根據(jù)第一方面，提供用于確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命的方法。該方法包括以下步驟:
一微分柵極-發(fā)射極電壓特性來獲得與IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺(tái)期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖；
一測(cè)量獲得的指示IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺(tái)期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時(shí)間延遲；
一基于測(cè)量的時(shí)間延遲確定IGBT器件的結(jié)溫和/或剩余壽命。根據(jù)實(shí)施例，可進(jìn)一步基于集電極-發(fā)射極電壓和IGBT器件電流確定IGBT器件的結(jié)溫。


本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例將連同附圖更詳細(xì)描述，其中:
圖1示出由控制單元控制的IGBT驅(qū)動(dòng)模塊的示意 圖2示出描繪在關(guān)斷期期間IGBT器件隨時(shí)間的柵極-發(fā)射極電壓的 圖3示出描繪隨IGBT器件的結(jié)溫的Miller平臺(tái)的時(shí)間延遲的圖；圖4示出用于確定Miller平臺(tái)的時(shí)間延遲的功能框 圖5示出溫度確定單元的示例的示意圖；以及
圖6示出與產(chǎn)生作為比較器單元的輸出的脈沖有關(guān)的測(cè)量IGBT器件的柵極-發(fā)射極電壓的特性。
權(quán)利要求
1.一種用于確定IGBT器件(12)的結(jié)溫和/或剩余壽命的系統(tǒng)(20)，包括: 一微分單元(21)，用于接收要測(cè)量的所述IGBT器件(12)的柵極-發(fā)射極電壓(VeE)特性以及用于微分所述柵極-發(fā)射極電壓(Vra)特性來獲得與所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的Miller平臺(tái)期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖； 一計(jì)時(shí)器單元(23)，用于測(cè)量獲得的指示所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間所述Mi 11 er平臺(tái)期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時(shí)間延遲(tdelay)； —結(jié)溫計(jì)算單元(25)，用于基于測(cè)量的時(shí)間延遲(tdelay)確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫和/或剩余壽命。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)(20)，其中所述結(jié)溫計(jì)算單元(25)適用于基于測(cè)量的時(shí)間延遲(tdelay)和所述IGBT器件(12，13)的集電極-發(fā)射極電壓(Vce)以及IGBT器件電流確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫(Tj)。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)(20)，其中所述結(jié)溫計(jì)算單元(25)適用于憑借給定查找表或給定函數(shù)確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫(Τρ和/或剩余壽命的指示。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中信號(hào)幅度檢測(cè)器單元(24)和比較器單元(22)配置成從其他脈沖選擇指示所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的所述Miller平臺(tái)期的起始和結(jié)束的脈沖， 其中所述比較器單元(22)適用于基于作為閾值水平的參考開關(guān)電壓(Uref)而對(duì)脈沖濾波， 其中所述信號(hào)幅度檢測(cè)單元(24)適用于基于在所述微分單元(21)中產(chǎn)生的脈沖的幅度產(chǎn)生相應(yīng)的閾值水平。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項(xiàng)所述的系統(tǒng)(20)，其中信號(hào)幅度檢測(cè)器單元(24)和比較器單元配置成從其他脈沖選擇指示所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的所述Miller平臺(tái)期的起始和結(jié)束的脈沖， 其中所述比較器單元(22)適用于將脈沖的電壓水平與作為閾值水平的相應(yīng)參考開關(guān)電壓(UMf)比較來獲得二進(jìn)制脈沖信號(hào)， 其中所述信號(hào)幅度檢測(cè)器單元(24)適用于基于在所述微分單元(21)中產(chǎn)生的脈沖的幅度產(chǎn)生相應(yīng)的閾值水平。
6.如權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)(20)，其中所述比較器單元(22)配置成在將脈沖的電壓水平與作為閾值水平的相應(yīng)參考開關(guān)電壓(U比較來獲得二進(jìn)制脈沖信號(hào)時(shí)應(yīng)用滯后。
7.一種用于確定IGBT器件(12)的結(jié)溫(Tj)和/或剩余壽命的方法，包括: 一微分柵極-發(fā)射極電壓(\E)特性來獲得與所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的Miller平臺(tái)期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖； 一測(cè)量獲得的指示所述IGBT器件(12)的關(guān)斷期期間的所述Miller平臺(tái)期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時(shí)間延遲(tdelay)； —基于測(cè)量的時(shí)間延遲(tdelay)確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫(Tj)和/或剩余壽命。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中進(jìn)一步基于集電極-發(fā)射極電壓和IGBT器件電流確定所述IGBT器件(12)的結(jié)溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT器件的操作狀態(tài)、特別地用于確定IGBT器件的結(jié)溫的系統(tǒng)，包括微分單元，用于接收要測(cè)量的IGBT器件的柵極-發(fā)射極電壓特性以及用于微分該柵極-發(fā)射極電壓特性來獲得與IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺(tái)期所形成的邊緣相關(guān)的脈沖；計(jì)時(shí)器單元，用于測(cè)量獲得的指示IGBT器件的關(guān)斷期期間的Miller平臺(tái)期的起始和結(jié)束的脈沖之間的時(shí)間延遲；結(jié)溫計(jì)算單元，用于基于測(cè)量的時(shí)間延遲確定IGBT器件的結(jié)溫。
文檔編號(hào)G01R31/26GK103207362SQ20131000983
公開日2013年7月17日 申請(qǐng)日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月11日
發(fā)明者V.孫達(dá)拉莫爾蒂, A.海內(nèi)曼, E.比安達(dá), F.澤弗盧, G.克納普, I.尼斯托爾, R.布洛赫 申請(qǐng)人:Abb研究有限公司