[发明专利]用于确定IGBT器件的实际结温的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及用于确定IGBT器件的实际结温的方法。

背景技术

功率应用中IGBT半导体器件的结温是用于估计IGBT器件的剩余寿命的重要参数，因为结温提供关于这样的器件的老化的基本信息。因此，结温的准确估计在估计IGBT器件和IGBT模块（其包括一个或多个IGBT器件）的剩余寿命方面变得意义重大。

因为结温取决于IGBT器件的操作条件并且高度取决于开关电流，制定用于测量操作期间IGBT器件的负载（例如Rogowski线圈、电流互感器及类似物）电流的许多方法。然而，这些类型的传感器笨重且未提供获得关于IGBT器件的负载电流的指示的实际方法。

用于测量IGBT器件的结温的其他技术可包括在封装IGBT器件内部或接近于此安装热电偶或测量IGBT器件上的内部栅电阻。这些技术牵涉对器件的直接访问或需要专门设计的IGBT芯片或器件。

因此，上文的技术并不非常适合IGBT器件结温的在线测量，特别是如果需要有在几百Hz或几kHz范围内测量的及时解决。这些测量频率对应于在许多应用中操作IGBT器件所用的PWM频率（PWM：脉宽调制）的水平。

因为需要操纵IGBT器件自身或额外部件要紧密设置在IGBT器件处的技术实现起来成本高且复杂，目标是提供用于从IGBT器件的电特性的直接测量估计结温的方法和装置。此外，目标是提供用于同时估计对于相同时间实例的IGBT电流和结温的方法。

US 6097582A1公开对于具有栅极端子的功率半导体开关器件的保护电路，其控制器件的功率端子之间的电流流动。通过器件的电流通过使跨器件的电流流路径中的电感的电压积分来估计并且如果估计电流超出所选值则提供故障信号。栅极端子局限于在提供故障信号时开关器件的全开和全关电流水平中间的所选控制水平。通过IGBT的电流基于器件的功率发射极端子与Kelvin发射极端子之间的电压降来测量。

WO2013045960A2公开用于测量功率绝缘栅双极晶体管的硅温度的方法，其通过测量导通时的阈值电压来执行，该阈值电压随晶体管硅温度的增加而线性减小，其中栅极与控制发射极之间的电压对应于阈值电压的时刻通过发射极的控制与电力连接之间的电压检测来确定。

发明内容

这些目标通过如下的用于确定IGBT器件的实际结温的方法和装置实现。

另外的实施例在下文给出。

根据第一方面，提供用于确定IGBT器件的实际结温的方法，其中该IGBT器件具有主发射极和辅发射极。该方法包括以下步骤：

-测量在IGBT器件的开关操作期间作为主发射极处的主发射极电压与辅发射极处的辅发射极电压之间差异的发射极电压降的特性；以及

-基于发射极电压降的特性确定结温，

其中结温可通过以下步骤确定：

-对IGBT器件的提供的集电极发射极电压和确定的集电极电流分配开关操作期间发射极电压降的参考峰值电压，其中该参考峰值电压对应于在开关操作期间在参考温度发射极电压降的峰值电压；

-确定开关操作期间发射极电压降的峰值电压；以及

-确定实际结温，其取决于确定的峰值电压和参考峰值电压。

上文的方法的一个基本思想是根据IGBT器件的主发射极电压与辅发射极电压之间的发射极电压降来估计结温。通常，IGBT器件的发射极端子分成主发射极（其连接到功率电路）的功率发射极和连接到栅极驱动单元的辅发射极（或Kelvin发射极）。由于接合线和端子配件，IGBT器件的内部连接在IGBT器件的主发射极端子与辅发射极端子之间引起寄生电感。在IGBT器件的开关操作期间，跨发射极端子之间的寄生电感存在发射极电压降，这两个都可以用于估计结温。特别地，在开关操作期间主与辅发射极端子之间的发射极电压降提供这样的电压特性，其具有峰值电压（其取决于结温）和开关期间发射极电压降（其取决于集电极电流）特性的积分。

该方法允许凭借IGBT器件的电特性的直接测量来估计结温。这允许通过检测半导体的功率循环来计算IGBT器件的剩余寿命。此外，可以在工厂测试期间以及操作期间进行系统健康状况检查，使得可以实施预防性维护。

实际结温也可以用于对IGBT器件实现温度保护。此外，当在转换器设计中使用IGBT器件时，使以一定延迟或测量公差来测量结温时所必需的裕度减少，这是可能的。

此外，集电极电流可基于开关操作期间发射极电压降随时间的积分来确定。

根据实施例，分配参考峰值电压可通过提供的确定参考温度的峰值电压与集电极电流之间的关系的查找功能来进行。