[发明专利]一种基于光纤光栅传感器的IGBT结温监测系统

说明书

本发明公开了一种基于光纤光栅传感器的IGBT结温监测系统，包括光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪，光纤光栅传感器有两个，每个光纤光栅传感器包括光纤和毛细玻璃管，光纤上刻写有一段光纤光栅，毛细玻璃管同轴套装在光纤光栅外，且两端通过胶体与光纤粘接为一体，光纤光栅位于毛细玻璃管的中心，其中一个光纤光栅传感器粘贴在IGBT功率模块的IGBT芯片表面，另一个光纤光栅传感器粘贴在IGBT功率模块的二极管表面，两个光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪连接；光纤光栅解调仪中的信号处理模块被编程以执行结温监测步骤。其能解决IGBT结温监测结果不准确以及监测系统无冗余问题。

技术领域

本发明涉及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结温监测，具体涉及一种基于光纤光栅传感器的IGBT结温监测系统。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管（IGBT）具有饱和压降低、载流密度大、开关速度快等优点，是一种应用于很多领域的半导体大功率器件，在交流电机、变频器、开关电源等领域有很多应用。但是随着应用场景和工况的复杂多变，各个领域对IGBT的稳定性要求越来越高，因此研究其可靠性的工作就显得尤为重要。导致IGBT失效的主因在于长时间的大电流、高电压的快速切换，这种极端工作条件会促使其工作温度过高、温升速度过快。工作温度过高会使IGBT芯片击穿，累积的热致机械应力也会导致许多故障，例如键丝脱落、焊料疲劳和铝腐蚀；但由于高压、大电流的存在，IGBT结温温度的监测方案存在较多的问题。

现有的IGBT结温监测方法主要是热电偶法、电参数法以及红外热成像探测法。热电偶法和电参数法为传统的电学方法，非常容易受到IGBT快速切换的电磁场干扰，使测量结果产生偏差，并且很难长期稳定工作。而红外热成像探测法，如果待测物体温差不太大，就会使测量的结果对比度降低，分辨能力也随之变差；并且在具体的应用场景中无法采用热成像设备时刻监控IGBT温度。

CN109269667A公开了一种具有温度实时监测系统的新型IGBT装置及其制作方法，其通过环氧胶把光纤光栅测温部分全部包裹，再把测温装置放入烤箱进行固化。CN109443589A公开了一种IGBT模块及IGBT模块的温度监测系统，其将光纤铺设在IGBT本体上，进而再通过耐高温光学硅胶将光纤光栅对应固定在每个发热元件表面的中心。根据布拉格反射条件，一束宽带光进入光纤光栅时，光纤光栅会选择出某特定波长的光，并将其沿原路反射，剩下的光将从光纤中透射出去。反射光的波长称为中心波长，中心波长会随环境应力或温度而发生偏移。利用光纤光栅解调仪（也叫光纤解调系统）监测到中心波长的这种偏移，就可以折算出施加在光纤光栅上对应的应力或温度。但是，这样就给测量带来了一定的问题。光纤光栅传感器在实际应用中，往往工作在温度和应变交织影响的场合，温度和应变各自对中心波长偏移的贡献量，无法被一般的解调系统分别识别出来，这种情况在工程上被称为“温度应变交叉敏感”。这两篇文献中提到的光纤光栅测温方式，都是将光纤光栅涂抹硅胶粘贴在IGBT功率模块的IGBT芯片上，当IGBT功率模块（包括IGBT芯片、二极管、铜板等）工作时IGBT芯片温度升高，光纤光栅的温度也随之升高，但由于粘贴光纤光栅的硅胶本身与被测IGBT芯片衬底的热膨胀系数不同，会使光纤光栅受到轴向应力作用，光纤光栅受到“温度应变交叉敏感”的困扰，导致IGBT芯片区域测温结果不准确；另外，如果测量一个IGBT功率模块的光纤光栅传感器出现故障，温度监测系统不能再继续运行。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于光纤光栅传感器的IGBT结温监测系统，以解决IGBT结温监测结果不准确以及监测系统无冗余问题。

本发明所述的基于光纤光栅传感器的IGBT结温监测系统，包括光纤光栅传感器和光纤光栅解调仪，所述光纤光栅传感器有两个，每个光纤光栅传感器包括光纤和毛细玻璃管，光纤上刻写有一段光纤光栅，毛细玻璃管同轴套装在光纤光栅外，毛细玻璃管的两端通过胶体与光纤粘接为一体，光纤光栅位于毛细玻璃管的中心，其中一个光纤光栅传感器粘贴在IGBT功率模块的IGBT芯片表面，另一个光纤光栅传感器粘贴在IGBT功率模块的二极管表面，两个光纤光栅传感器与光纤光栅解调仪连接；光纤光栅解调仪中的信号处理模块被编程以执行如下步骤：