[发明专利]一种IGBT模块状态监测装置及方法

说明书

一种IGBT模块状态监测装置及方法，该装置包括IGBT模块、栅极开通电压过冲监测模块、驱动电路、键合线状态判断模块和信号采集模块，通过将监测的实际栅极开通电压过冲与预先设定的参考栅极开通电压过冲阈值进行比较，得出键合线断裂的情况。本发明解决了电力电子变流器中IGBT的键合线老化监测问题，将键合线的脱落用栅极开通电压过冲进行表征，不仅对电路没有侵入性，而且可以实现键合线脱落的轻微老化监测，分辨率高，无侵入性，可实时在线监测，采样频率高，成本低，对于IGBT的监测和电力电子变流器的可靠性评估具有重要意义。

技术领域

本发明属于电气工程领域，涉及一种电力电子变流器状态监测方案，尤其涉及一种IGBT模块状态监测装置及方法。

背景技术

电力电子器件是电力电子变换器的核心部件，同时也是变换器最脆弱和最易发生故障的部件。电力电子器件的故障占比为31％，是所有器件中最高的。IGBT是使用最为广泛的电力电子器件，IGBT在所有电力电子器件中占比最大。对运行中的电力电子器件进行在线的可靠性监测，对于避免电力电子变换器发生灾难性故障而造成重大损失具有重要意义。

键合线故障是丝焊封装器件中最为突出和常见的失效原因。IGBT内长期处于高速的开关切换工作状态，受到热应力和电磁应力频繁的波动。这些应力波动使得器件疲劳与老化。键合线老化脱落与断裂是丝焊封装器件中最为突出的故障类型。

国内外学者关于IGBT模块温度的监测进行了大量的研究，所提出的方法主要分为：基于短路电流的监测、基于导通压降的监测、基于栅极信号的监测。

基于短路电流的监测具有非常好的效果，但是该方法对栅极驱动电压要求较高，需要不断切换驱动电压，增加了驱动的复杂性，而且定期的短路监测，干扰了变换器的正常工作。基于导通压降的监测方法虽然可以识别键合线的脱落，但是区分度很小，在键合线断裂数量较少时区分度很低，而且在强的电磁干扰环境中精确监测导通电压也非常困难。基于栅极开通电压与电流的动态变化虽然在键合线失效以后存在差异，但是很难定量描述，而且只有失效非常剧烈时，才表现出明显的差异。基于栅极密勒平台时间的监测也可以评估IGBT的老化，但是要求驱动电阻较大，否则区分度非常小，然而大的驱动电阻会使得电力电子器件的开关频率难以提升。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的问题，提出一种IGBT模块状态监测装置和方法，该方法采样栅极电压信号，便于测量，具有非侵入性，对驱动电阻没有特殊要求，轻微键合线开裂故障也可以及时被发现，分辨率更高，对于IGBT的早期故障预警更有效，具有很强的在线监测应用价值。

本发明由下述技术方案实现：

本发明的第一方面提供了一种IGBT模块状态监测装置，包括：IGBT模块、栅极开通电压过冲监测模块、驱动电路、键合线状态判断模块和信号采集模块；

所述栅极开通电压过冲监测模块包括电压采样电路，用于测量所述IGBT模块中IGBT的栅极和发射极之间的电压，以监测实际栅极开通电压过冲；

所述驱动电路包括驱动电源和驱动电阻，所述驱动电源通过驱动电阻连接到所述IGBT模块的栅极和发射极；

所述键合线状态判断模块通过判断所述实际栅极开通电压过冲与参考栅极开通电压过冲阈值V_{g_p}的大小关系，以判断键合线的状态；

所述信号采集模块将采集的信号传输给所述键合线状态判断模块，用于确定参考栅极开通电压过冲阈值V_{g_p}。

进一步的，所述键合线状态判断模块包括比较器和处理器；

所述比较器用于判断所述实际栅极开通电压过冲与参考栅极开通电压过冲阈值V_{g_p}的大小关系，并将判断结果发送给所述处理器；

所述处理器根据所述判断结果进行键合线状态预警。