一种IGBT器件结温的在线测量方法及系统与流程

本技术涉及半导体功率器件监测，尤其涉及一种igbt器件结温的在线测量方法及系统。

背景技术：

1、功率半导体器件通常工作于严苛的运行环境中，是变流系统中失效率最高的部件，根据电力电子系统可靠性调研报告，约55％的电力电子系统失效主要由温度因素引发，因此，对大容量功率半导体器件的结温进行精准的在线提取，是实现器件寿命预测和健康管理的基础，对提高电力电子系统的可靠性具有重要意义。

2、绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，igbt)为常用的一种功率半导体器件，由于igbt器件的芯片封装在其内部，且igbt器件内部的芯片为发热源，因此，igbt器件结温的在线精确测量一直都是一大难题。现有对igbt器件结温的测量方法通常为：预先测量离线的igbt器件在不同温度下的通态压降(集电极-发射极电压)随电流(集电极电流)的变化曲线，建立igbt器件的通态压降、电流和温度的三维校准关系，然后，实时测量igbt在运行工况下的通态压降随电流的变化曲线，与igbt器件的导通电压、电流和温度的三维校准关系作比较，从而得到igbt器件的结温。

3、但利用现有对igbt器件结温的测量方法所测得的igbt器件的结温通常与其真实结温不符，测量准确度不高。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本技术实施例提供了一种igbt器件结温的在线测量方法及系统，以提高对igbt器件结温测量的准确度。

2、为实现上述目的，本技术实施例提供了如下技术方案：

3、一种igbt器件结温的在线测量方法，所述igbt器件通态压降包括igbt芯片压降以及用于将所述igbt芯片与外部电连接的连接材料电阻压降，所述igbt芯片在通态时等效为串联连接的p-i-n结和mosfet器件，该方法包括：

4、实时测量所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压和集电极电流，得到所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系；

5、基于所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系，计算得到所述igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻，所述igbt器件的通态斜率电阻为所述igbt器件在转折点后的集电极-发射极电压相对于集电极电流的变化速率，等效为所述igbt器件在转折点后所述连接材料的电阻与所述mosfet器件的沟道电阻之和，所述转折点为预先获取的所述igbt器件的集电极-发射极电压及集电极电流与温度无关的工作点；

6、将所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压减去对应的集电极电流与通态斜率电阻的乘积，得到所述igbt器件在运行工况下所述p-i-n结上的压降和所述igbt器件的集电极电流的实时监测值；

7、基于所述igbt器件在运行工况下所述p-i-n结上的压降和所述igbt器件的集电极电流的实时监测值，以及预先获取的所述igbt器件中所述p-i-n结上的压降、所述igbt器件的集电极电流以及所述igbt器件所处温度之间的对应关系，得到所述igbt器件的结温。

8、可选的，基于所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系，计算得到所述igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻，包括：

9、计算所述igbt器件在一测量阶段的最大集电极-发射极电压和所述igbt器件在转折点的集电极-发射极电压之间的差值，与所述igbt器件在同一测量阶段的最大集电极电流和所述igbt器件在转折点的集电极电流之间的差值的比值，作为所述igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻。

10、可选的，基于所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系，计算得到所述igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻，包括：

11、对所述igbt器件在运行工况下位于转折点后的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系进行线性拟合，得到拟合后斜线的斜率，作为所述igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻。

12、可选的，预先获取所述igbt器件中所述p-i-n结上的压降、所述igbt器件的集电极电流以及所述igbt器件所处温度之间的对应关系的过程包括：

13、将离线的所述igbt器件置于不同温度的温度箱中，测量离线的所述igbt器件在不同温度下的集电极-发射极电压和集电极电流，得到离线的所述igbt器件在不同温度下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系；

14、基于离线的所述igbt器件在不同温度下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系，计算得到离线的所述igbt器件在不同温度下的通态斜率电阻；

15、将离线的所述igbt器件在不同温度下的集电极-发射极电压减去对应的集电极电流与对应温度下的通态斜率电阻的乘积，得到离线的所述igbt器件在不同温度下，所述p-i-n结上的压降和所述igbt器件的集电极电流之间的对应关系，作为所述igbt器件中所述p-i-n结上的压降、所述igbt器件的集电极电流以及所述igbt器件所处温度之间的对应关系。

16、可选的，预先获取所述转折点的过程包括：

17、基于离线的所述igbt器件在不同温度下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系，得到离线的所述igbt器件在不同温度下的集电极-发射极电压随集电极电流的变化曲线；

18、将离线的所述igbt器件在不同温度下的集电极-发射极电压随集电极电流的变化曲线的交汇点作为所述转折点。

19、可选的，基于离线的所述igbt器件在不同温度下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系，计算得到离线的所述igbt器件在不同温度下的通态斜率电阻，包括：

20、计算离线的所述igbt器件在不同温度下的最大集电极-发射极电压和所述igbt器件在转折点的集电极-发射极电压之间的差值，与离线的所述igbt器件在对应温度下的最大集电极电流和所述igbt器件在转折点的集电极电流之间的差值的比值，作为离线的所述igbt器件在对应温度下的通态斜率电阻。

21、可选的，基于离线的所述igbt器件在不同温度下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系，计算得到离线的所述igbt器件在不同温度下的通态斜率电阻，包括：

22、对离线的所述igbt器件在不同温度下位于转折点后的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系进行线性拟合，得到拟合后斜线的斜率，作为离线的所述igbt器件在对应温度下的通态斜率电阻。

23、一种igbt器件结温的在线测量系统，所述igbt器件通态压降包括igbt芯片压降以及用于将所述igbt芯片与外部电连接的连接材料电阻压降，所述igbt芯片在通态时等效为串联连接的p-i-n结和mosfet器件，所述测量系统包括：

24、测量模块，所述测量模块用于实时测量所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压和集电极电流，得到所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系；

25、计算模块，所述计算模块用于基于所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系，计算得到所述igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻，所述igbt器件的通态斜率电阻为所述igbt器件在转折点后的集电极-发射极电压相对于集电极电流的变化速率，等效为所述igbt器件在转折点后所述连接材料的电阻与所述mosfet器件的沟道电阻之和，所述转折点为预先获取的所述igbt器件的集电极-发射极电压及集电极电流与温度无关的工作点；

26、转换模块，所述转换模块用于将所述igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压减去对应的集电极电流与通态斜率电阻的乘积，得到所述igbt器件在运行工况下所述p-i-n结上的压降和所述igbt器件的集电极电流的实时监测值；

27、校准模块，所述校准模块用于基于所述igbt器件在运行工况下所述p-i-n结上的压降和所述igbt器件的集电极电流的实时监测值，以及预先获取的所述igbt器件中所述p-i-n结上的压降、所述igbt器件的集电极电流以及所述igbt器件所处温度之间的对应关系，得到所述igbt器件的结温。

28、可选的，所述计算模块包括：

29、第一计算单元，所述第一计算单元用于计算所述igbt器件在一测量阶段的最大集电极-发射极电压和所述igbt器件在转折点的集电极-发射极电压之间的差值，与所述igbt器件在同一测量阶段的最大集电极电流和所述igbt器件在转折点的集电极电流之间的差值的比值，作为所述igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻。

30、可选的，所述计算模块包括：

31、第二计算单元，所述第二计算单元用于对所述igbt器件在运行工况下位于转折点后的集电极-发射极电压和集电极电流之间的对应关系进行线性拟合，得到拟合后斜线的斜率，作为所述igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻。

32、与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

33、本技术实施例所提供的igbt器件结温的在线测量方法，考虑到igbt器件通态压降包括igbt芯片压降以及用于将igbt芯片与外部电连接的连接材料电阻压降，且igbt芯片在通态时等效为串联连接的p-i-n结和mosfet器件，从而将igbt器件的通态压降简化为p-i-n结压降、mosfet沟道电阻压降和连接材料电阻压降之和，通过实时测量igbt器件在不同集电极电流下的集电极-发射极电压，对igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻进行在线估算，令igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压减去对应的集电极电流与通态斜率电阻的乘积，即将igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压中通态斜率电阻上的压降减掉，也就是将igbt器件在运行工况下的集电极-发射极电压中mosfet器件的沟道电阻和连接材料的电阻组成的整体电阻上的压降减掉，得到igbt器件在运行工况下，其p-i-n结上的压降和igbt器件的集电极电流的实时监测值，进而比对预先获取的igbt器件中p-i-n结上的压降、igbt器件的集电极电流以及igbt器件所处温度之间的对应关系，得到igbt器件的结温，即该方法是将igbt器件中的“p-i-n结压降”作为新的温敏电参数，且p-i-n结压降具有单一的负温度系数，因此，规避了不同工况下igbt器件内部连接材料上的温度差异对温敏电参数的影响，从而提高对igbt器件结温测量的准确度，且不存在盲区点。

34、并且，由于igbt器件在运行工况下的通态斜率电阻是根据在线测量的igbt器件的集电极-发射极电压、集电极电流数据实时计算得到，因此，无论igbt器件中igbt芯片的结温与连接材料的温度是否相等，均不影响实时计算结果的准确性，故该方法还可回避离线校准过程和实际运行过程中igbt器件内部连接材料温度差异对温敏电参数的影响，更适合用于在线估计结温。