一种用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路及方法

本发明涉及电力电子器件检测，特别涉及一种用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路及方法。

背景技术：

1、功率半导体器件是电力电子装备中的重要组成元件，其性能及其可靠性对电力电子装备的安全可靠运行至关重要。根据电力电子系统可靠性调研报告可知，功率半导体器件是变流器系统中失效率最高的元件，约占31％。同时，在所有的失效因素中，温度是导致功率器件失效最重要的诱因，约占55％。所以器件工作结温是功率器件运行过程中最重要的参数，对功率器件结温进行在线监测对于保证器件可靠运行起着重要作用。

2、目前，功率器件结温监测大致可分为四种方法，分别为物理接触法、光学测量法、热网络模型法以及温敏电参数法。其中，物理接触法响应速度慢；光学测量法需要破坏器件封装结构；热网络模型法则需要复杂的模型计算，并且受到器件在实际应用过程中散热路径以及器件老化的影响。温敏电参数法则是将功率半导体芯片自身作为温度传感器，利用其静态、动态等特征参数与结温的关系，通过测量实际工况下的温度敏感参数来反推器件工作结温的方法，具有成本低、响应速度快、易于在线监测等优势，成为最有前景的结温在线提取方法。大量的研究表明，无论是igbt还是mosfet，其导通电压都是良好的温敏电参数，具有线性度好、灵敏度高、响应速度快等优点。同时，当功率半导体器件在经历长时间的电热循环后会发生老化，此时器件的导通电压会发生显著变化，可以作为功率器件老化失效的前兆，一般将导通电压增加5％作为器件失效标准。综上所述，对功率半导体器件实现其导通电压的准确在线监测有助于监测器件运行状态、预测器件健康状态，从而显著提高电力电子装备可靠性。

3、在功率器件实际工作过程中，当器件处于关断状态时，器件两端承受的电压高达几百伏甚至上千伏高压，然而当器件处于导通状态时，器件的导通电压通常只有几伏。器件两端电压变化范围如此之大，导致无法直接准确测量其导通电压，精度很低在线测量十分困难。

4、为此，需要一种低成本、高精度、控制简单的功率器件导通电压在线监测电路。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路及方法。本发明可以实现功率半导体器件的导通电压在线测量，具有结构简单、测量精度高、成本低的优点。

2、本发明的技术方案：一种用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路，包括恒流源i1、恒流源i2、肖特基二极管d1、肖特基二极管d2、肖特基二极管d3、钳位二极管dclamp、反并联泄放二极管d0以及齐纳二极管z1；所述恒流源i1的一端接地，恒流源i1的输出端连接肖特基二极管d1的阳极、钳位二极管dclamp的阳极、反并联泄放二极管d0的阴极、肖特基二极管d2的阳极以及恒流源i1的输出端；所述肖特基二极管d1的阴极连接功率半导体器件的漏极或者发射极；所述钳位二极管dclamp的阴极与肖特基二极管d3的阳极连接；所述肖特基二极管d2的阴极与齐纳二极管z1的阴极以及恒流源i2的输入端连接；所述肖特基二极管d3的阴极、反并联泄放二极管d0的阳极和齐纳二极管z1的阳极一同连接功率半导体器件的源级或者发射极，功率半导体器件的源级或者发射极接地。

3、上述的用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路，所述的恒流源i1包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、npn型三极管t1、pnp型三极管t2、二极管d4和稳压芯片z2；所述电阻r1的一端与电阻r2的一端连接，电阻r1的另一端与二极管d4的阳极连接；所述电阻r2的另一端与pnp型三极管t2的发射极连接；所述二极管d4的阴极与npn型三极管t1的集电极以及pnp型三极管t2的基极连接；所述npn型三极管t1的基极与pnp型三极管t2的集电极以及稳压芯片z2的阴极连接；所述npn型三极管t1的发射极与稳压芯片z2的参考极以及电阻r3的一端连接；所述电阻r3的另一端与稳压芯片z2的阳极连接。

4、前述的用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路，所述的恒流源i2包括电阻r4、电阻r5、电阻r6、npn型三极管t3、pnp型三极管t4、二极管d5和稳压芯片z3；所述电阻r4的一端与电阻r5的一端连接，电阻r4的另一端与二极管d5的阳极连接；所述电阻r5的另一端与pnp型三极管t4的发射极连接；所述二极管d5的阴极与npn型三极管t3的集电极以及pnp型三极管t4的基极连接；所述npn型三极管t3的基极与pnp型三极管t4的集电极以及稳压芯片z3的阴极连接；所述npn型三极管t3的发射极与稳压芯片z3的参考极以及电阻r6的一端连接；所述电阻r6的另一端与稳压芯片z2的阳极连接。

5、前述的用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路，所述等效钳位二极管dclamp是由多个超快恢复二极管按照上个超快恢复二极管阴极连接下一个超快恢复二极管阳极的顺序依次串联构成。

6、前述的用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路的测量方法，当功率半导体器件导通时，通过测量恒流源i2输入端和齐纳二极管z1阳极端两点之间的电压，得到导通电压在线测量电路的输出电压，该输出电压即为功率半导体器件的导通电压。

7、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

8、(1)本发明用于功率半导体器件的导通电压在线监测电路，提出肖特基二极管与恒流源相互配合的方法，利用多超快恢复二极管串联为恒流源在功率器件阻断状态下提供泄放钳位支路，无需外部提供额外控制信号，结构简单、可靠性高。

9、(2)本发明用于功率半导体器件的导通电压在线监测电路，并没有使用高带宽的运算放大器，成本显著降低，并且增强了电路可靠性，因为运算放大器在实际工作时，其输入端的电压尖峰可能会导致其工作异常降低使用寿命。

10、(3)本发明用于功率半导体器件的导通电压在线监测电路，其结构简单、可靠性高，监测精度高、根据二极管的选型不同可以调整其隔离高压能力，保证在变流器中正常使用。

技术特征：

1.一种用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路，其特征在于：包括恒流源i1、恒流源i2、肖特基二极管d1、肖特基二极管d2、肖特基二极管d3、钳位二极管dclamp、反并联泄放二极管d0以及齐纳二极管z1；所述恒流源i1的一端接地，恒流源i1的输出端连接肖特基二极管d1的阳极、钳位二极管dclamp的阳极、反并联泄放二极管d0的阴极、肖特基二极管d2的阳极以及恒流源i1的输出端；所述肖特基二极管d1的阴极连接功率半导体器件的漏极或者集电极；所述钳位二极管dclamp的阴极与肖特基二极管d3的阳极连接；所述肖特基二极管d2的阴极与齐纳二极管z1的阴极以及恒流源i2的输入端连接；所述肖特基二极管d3的阴极、反并联泄放二极管d0的阳极和齐纳二极管z1的阳极一同连接功率半导体器件的源级或者发射极，功率半导体器件的源级或者发射极接地。

2.根据权利要求1所述的用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路，其特征在于：所述的恒流源i1包括电阻r1、电阻r2、电阻r3、npn型三极管t1、pnp型三极管t2、二极管d4和稳压芯片z2；所述电阻r1的一端与电阻r2的一端连接，电阻r1的另一端与二极管d4的阳极连接；所述电阻r2的另一端与pnp型三极管t2的发射极连接；所述二极管d4的阴极与npn型三极管t1的集电极以及pnp型三极管t2的基极连接；所述npn型三极管t1的基极与pnp型三极管t2的集电极以及稳压芯片z2的阴极连接；所述npn型三极管t1的发射极与稳压芯片z2的参考极以及电阻r3的一端连接；所述电阻r3的另一端与稳压芯片z2的阳极连接。

3.根据权利要求1所述的用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路，其特征在于：所述的恒流源i2包括电阻r4、电阻r5、电阻r6、npn型三极管t3、pnp型三极管t4、二极管d5和稳压芯片z3；所述电阻r4的一端与电阻r5的一端连接，电阻r4的另一端与二极管d5的阳极连接；所述电阻r5的另一端与pnp型三极管t4的发射极连接；所述二极管d5的阴极与npn型三极管t3的集电极以及pnp型三极管t4的基极连接；所述npn型三极管t3的基极与pnp型三极管t4的集电极以及稳压芯片z3的阴极连接；所述npn型三极管t3的发射极与稳压芯片z3的参考极以及电阻r6的一端连接；所述电阻r6的另一端与稳压芯片z2的阳极连接。

4.根据权利要求1所述的用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路，其特征在于：所述等效钳位二极管dclamp是由多个超快恢复二极管按照上个超快恢复二极管阴极连接下一个超快恢复二极管阳极的顺序依次串联构成。

5.根据权利要求1所述的用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路的测量方法，其特征在于：当功率半导体器件导通时，通过测量恒流源i2输入端和齐纳二极管z1阳极端两点之间的电压，得到导通电压在线测量电路的输出电压，该输出电压即为功率半导体器件的导通电压。

技术总结
本发明公开了一种用于功率半导体器件的导通电压在线测量电路及方法，包括恒流源I<subgt;1</subgt;、恒流源I<subgt;2</subgt;、肖特基二极管D<subgt;1</subgt;、肖特基二极管D<subgt;2</subgt;、肖特基二极管D<subgt;3</subgt;、钳位二极管D<subgt;clamp</subgt;、反并联泄放二极管D<subgt;0</subgt;以及齐纳二极管Z<subgt;1</subgt;。本发明的测量方法是当功率半导体器件导通时，通过测量恒流源I<subgt;2</subgt;输入端和齐纳二极管Z<subgt;1</subgt;阳极端两点之间的电压，得到导通电压在线测量电路的输出电压，该输出电压即为功率半导体器件的导通电压。本发明采样两个恒流源电路与肖特基二极管相配合的方法，不需要使用高性能的运算放大器以及额外的控制信号和驱动器，结构简单，降低成本的同时提高了电路可靠性。

技术研发人员：罗皓泽,蒙慧,向乐天,辛振,朱安康,左璐巍,周泽,康健龙
受保护的技术使用者：浙江大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14