胡亮燈 趙治華 孫馳 任強(qiáng)

摘 要：IGBT導(dǎo)通和截止電壓相差較大，傳統(tǒng)的檢測(cè)電路無(wú)法實(shí)現(xiàn)其寬范圍、高精確度的測(cè)量。首先，本文提出了一種IGBT導(dǎo)通和截止電壓集成的測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)了IGBT導(dǎo)通和截止電壓的準(zhǔn)確測(cè)量。進(jìn)而給出了具有高動(dòng)態(tài)性能的IGBT截止和導(dǎo)通電壓分立測(cè)量電路，前者通過(guò)電阻分壓、電容補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)了IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)集電極電壓的高帶寬測(cè)量；后者利用電流源給二極管注入微小電流實(shí)現(xiàn)IGBT導(dǎo)通飽和壓降的精確測(cè)量，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了IGBT導(dǎo)通和截止集電極電壓測(cè)量電路的高帶寬和高精確度性能，測(cè)量精確度分別為5mV和10V。最后，對(duì)IGBT導(dǎo)通飽和壓降-結(jié)溫-集電極電流三者間存在的線性關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合IGBT輸出特性形成的分段線性函數(shù)，形成了更簡(jiǎn)單、實(shí)用的IGBT結(jié)溫在線估計(jì)方法。

關(guān)鍵詞：IGBT；集電極電壓；飽和壓降；測(cè)量

中圖分類(lèi)號(hào)：TM 933.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1007-449X（2018）06-0096-11

Abstract：Because of great difference between the onstate and offstate of voltages of IGBT， it is impossible for the traditional measuring circuits to implement its widerange and highprecision detection. First of all， this paper presented an integrated measuring circuit for the IGBT onstate and offstate voltages， so that an accurate measurement can be carried out. On this basis， the discrete measurement circuits for the IGBT onstate and offstate voltages were given to meet the high dynamic performance of the switchingtransient collector voltage. The high bandwidth measurement of the collector voltage in the IGBT which was in a switching transient state was carried out through the resistor divider and capacitor compensation circuit. The accurate measurement of IGBT saturation voltage drop depended on the current sources to inject small current into the diodes， respectively. Then， various tests were carried out and verified that the measurement circuit for IGBT collector voltage detection is of highbandwidth and highprecision performance， with the accuracy of measurement up to 5mV and 10V， respectively. Finally， the experimental verification of the linear relationship existing among the saturation voltage drop， junction temperature and collector current of IGBT were conducted. Besides， combing with output curve of IGBT， the junction temperature was estimated by using the measured saturation voltage drop and collector current.

Keywords：IGBT； collector voltage； saturation voltage drop； measure

0 引 言

目前，電力電子變流技術(shù)的一個(gè)很重要的發(fā)展方向是智能化、中高壓、大容量、高功率密度、高可維護(hù)性和高可靠性[1]。其中，高可靠性是電力電子變流系統(tǒng)需要達(dá)到的最基本也是最重要的一個(gè)性能指標(biāo)。據(jù)工業(yè)界的調(diào)查顯示，近三分之一的電力電子變流系統(tǒng)故障是由電力電子功率器件的損壞引起的，其中由溫度或過(guò)電壓擊穿引起的器件失效占近六成[2-3]，因而對(duì)功率器件電壓或結(jié)溫在線監(jiān)控非常重要。

IGBT是目前應(yīng)用最為廣泛的中大功率、全控型電力電子器件，其直接相關(guān)的門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器是影響IGBT器件及其組成的變流系統(tǒng)發(fā)揮最優(yōu)性能的關(guān)鍵因素。數(shù)字有源門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器，除了必要的受控電壓源或電流源，只有相應(yīng)的電量檢測(cè)電路必須用模擬電路實(shí)現(xiàn)，而其他的所有功能可以由數(shù)字處理芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)，避免了模擬驅(qū)動(dòng)器需要大量模擬器件才能實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜的控制功能，提高了驅(qū)動(dòng)的可靠性，此外還可實(shí)現(xiàn)IGBT端口電氣變量和運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控，是大功率IGBT驅(qū)動(dòng)器發(fā)展的趨勢(shì)。

IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)集電極電壓的測(cè)量是數(shù)字式驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)IGBT驅(qū)動(dòng)反饋控制和過(guò)電壓保護(hù)的基礎(chǔ)，IGBT導(dǎo)通時(shí)飽和電壓高精確度的測(cè)量，對(duì)IGBT短路、過(guò)電流等故障保護(hù)以及IGBT狀態(tài)識(shí)別有著重要的參考作用。但I(xiàn)GBT關(guān)斷時(shí)的阻斷電壓和導(dǎo)通時(shí)的飽和電壓相差很大，兩種狀態(tài)下對(duì)測(cè)量電路精確度要求也不相同。目前，IGBT關(guān)斷電壓常達(dá)數(shù)千伏，這就要求IGBT集電極高壓測(cè)量電路能耐壓相應(yīng)電壓等級(jí)；IGBT導(dǎo)通時(shí)，導(dǎo)通飽和壓降只有幾伏，要求測(cè)量精確度十毫伏級(jí)，以便依據(jù)飽和壓降來(lái)判斷IGBT是否過(guò)流等故障，實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT狀態(tài)識(shí)別[4]。

IGBT結(jié)溫在線監(jiān)控對(duì)變流器系統(tǒng)安全運(yùn)行也至關(guān)重要，各種IGBT潛在失效或多或少表現(xiàn)為IGBT結(jié)溫出現(xiàn)異常。目前大容量電力電子變流器實(shí)際工況中，在不改變控制策略、不中斷或不侵入變流系統(tǒng)正常運(yùn)行的前提下，還沒(méi)實(shí)現(xiàn)IGBT器件結(jié)溫的實(shí)時(shí)、在線提取估計(jì)[5]。然而，可通過(guò)檢測(cè)相同工況下IGBT導(dǎo)通壓降（uCEsat）的變化量（要求uCEsat測(cè)量精確度達(dá)5 mV級(jí)，uCesat與結(jié)溫對(duì)應(yīng)關(guān)系約為：1 mV/℃），來(lái)判斷IGBT芯片結(jié)溫的變化，有利于IGBT長(zhǎng)期運(yùn)行內(nèi)部潛在故障的預(yù)判，并對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行提前保護(hù)，實(shí)現(xiàn)變流系統(tǒng)可靠性的提高。

由上可知，IGBT集電極電壓測(cè)量電路需突破測(cè)量范圍寬，低壓測(cè)量精確度高的難點(diǎn)。

目前，IGBT集電極電壓主要應(yīng)用在模擬式IGBT驅(qū)動(dòng)器中，如CONCEPT公司驅(qū)動(dòng)器基于退飽和電路檢測(cè)飽和壓降來(lái)判斷IGBT是否短路，利用有源箝位電路來(lái)判斷IGBT是否過(guò)壓，InPower公司、Amantys公司部分驅(qū)動(dòng)器通過(guò)阻容分壓電路實(shí)現(xiàn)IGBT集電極電壓檢測(cè)，這些應(yīng)用對(duì)集電極電壓檢測(cè)精確度要求不高。文獻(xiàn)[6]利用大電阻分壓電路實(shí)現(xiàn)IGBT集電極電壓測(cè)量，由于測(cè)量電路系統(tǒng)誤差較大，只能測(cè)量阻斷高電壓，IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)測(cè)量需考慮電阻寄生參數(shù)影響，且不能用于飽和壓降的精確測(cè)量。文獻(xiàn)[7-8]提出了一種利用運(yùn)放抵消二極管壓降來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT導(dǎo)通壓降的測(cè)量方案，然而該電路測(cè)量精確度有待實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，不便于測(cè)量IGBT關(guān)斷電壓集成測(cè)量。文獻(xiàn)[9]給出了IGBT飽和壓降和其反并二極管正向?qū)▔航禍y(cè)量電路，但壓降電量信號(hào)的獲得需要依靠外界儀器，不適合工程應(yīng)用。

首先，在研究IGBT開(kāi)關(guān)特性的基礎(chǔ)上，提出了一種IGBT集電極關(guān)斷高壓和導(dǎo)通低壓的集成測(cè)量方法，對(duì)其測(cè)量原理進(jìn)行了說(shuō)明；其次，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用需求，給出了IGBT關(guān)斷電壓和開(kāi)通電壓分立測(cè)量電路，并在多種條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證；最后，結(jié)合集電極電流，采用測(cè)量的IGBT導(dǎo)通飽和壓降來(lái)對(duì)結(jié)溫-集電極電流-飽和壓降三者間的關(guān)系進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)而結(jié)合IGBT輸出特性曲線來(lái)對(duì)結(jié)溫進(jìn)行在線估計(jì)。

1 提出的IGBT集電極電壓測(cè)量電路原理

1.1 IGBT集電極電壓集成測(cè)量電路及原理

1）集電極電壓集成測(cè)量電路。

根據(jù)IGBT關(guān)斷和開(kāi)通時(shí)的集電極電壓跨度大、開(kāi)通低壓測(cè)量精確度要求不同的特點(diǎn)，利用二極管的反向阻斷能力，集成了兩個(gè)測(cè)量支路分別實(shí)現(xiàn)了IGBT關(guān)斷電壓和導(dǎo)通壓降的精確測(cè)量，所提出的IGBT導(dǎo)通關(guān)斷集電極電壓集成的測(cè)量電路如圖1所示。

圖1方案優(yōu)勢(shì)是用比較簡(jiǎn)單的方式是將IGBT導(dǎo)通電壓和關(guān)斷電壓于一體，可實(shí)現(xiàn)IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷電壓準(zhǔn)確測(cè)量。

由上述分析知所提的圖1所示電路可實(shí)現(xiàn)IGBT開(kāi)通關(guān)斷穩(wěn)態(tài)下的集電極電壓高精確度測(cè)量，然而結(jié)合電路具體特點(diǎn)知其無(wú)法實(shí)現(xiàn)IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)的高帶寬測(cè)量，尤其是在IGBT關(guān)斷暫態(tài)下所測(cè)量的結(jié)果將存在一定的誤差，究其原因是因?yàn)镮GBT由導(dǎo)通到關(guān)斷過(guò)程中，電流源IS1電流將從二極管D1轉(zhuǎn)移到二極管D2，但由于RL、CL阻容時(shí)間常數(shù)（τ=RLCL）較大，從而導(dǎo)致集電極電壓估計(jì)值將延后于實(shí)際值。

1.2 IGBT集電極電壓分立測(cè)量電路及原理

考慮到IGBT門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)分級(jí)控制和保護(hù)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)集電極電壓測(cè)量的高動(dòng)態(tài)性能要求，提出了如圖2所示分立測(cè)量電路來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)和導(dǎo)通穩(wěn)態(tài)集電極電壓測(cè)量，圖中uCEoff主要實(shí)現(xiàn)IGBT集電極開(kāi)關(guān)暫態(tài)及關(guān)斷穩(wěn)態(tài)電壓測(cè)量，uCEsat主要實(shí)現(xiàn)IGBT導(dǎo)通飽和壓降的精確測(cè)量，uCE為實(shí)際的集電極電壓，下同。

上圖2集電極測(cè)量電路原理如下：當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，二極管D1正偏導(dǎo)通，并與D2流過(guò)相同電流（電流源IS1與IS2相同），此時(shí)差分放大電路輸出電壓uCEsat與IGBT兩端電壓uCE相同；在IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)及關(guān)斷穩(wěn)態(tài)則利用阻容分壓電路，其經(jīng)運(yùn)放阻抗隔離后的電壓uCEoff與集電極電壓uCE關(guān)系為：uCEoff=uCERL/（RH+RL）。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，RL與（RH+RL）比值為1∶650。

2 集電極電壓測(cè)試平臺(tái)

基于單相半橋逆變電路，對(duì)圖2所示集電極電壓分立測(cè)量電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，測(cè)試平臺(tái)見(jiàn)圖3，測(cè)試脈沖見(jiàn)圖4。

圖3中開(kāi)關(guān)管T1～T2為英飛凌公司大功率IGBT（型號(hào)：FZ1500R33HL3，3300V/1500A），其中T2管為待測(cè)IGBT，IGBT門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器采用了CONCEPT公司產(chǎn)品（型號(hào)：1SD536F2）。采用圖4所示三脈沖進(jìn)行測(cè)試的主要目的是對(duì)比不同脈沖寬度、IGBT導(dǎo)通前有無(wú)電流等情況下IGBT集電極電壓測(cè)量的準(zhǔn)確性。測(cè)試采用Tek公司4通道數(shù)字示波器（型號(hào)：DPO2024，200 MHz），其由變壓器隔離供電，集電極電流iC采用柔性羅氏線圈測(cè)量（型號(hào)：CWT60B，0.50 mV/A），集電極測(cè)量電路輸出電壓uCEsat或uCEoff采用Tek低壓無(wú)源探頭測(cè)量（型號(hào)：P2220，帶寬200 MHz）。

3 IGBT集電極電壓測(cè)試結(jié)果

3.1 IGBT關(guān)斷電壓測(cè)試結(jié)果

1）IGBT正常運(yùn)行下集電極電壓測(cè)試結(jié)果。

在負(fù)載2 mH，母線電壓分別為1.5 kV和2 kV下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示，圖中uCE估計(jì)值為低壓探頭測(cè)量的圖2所示電路輸出電壓uCEoff經(jīng)還原后的集電極電壓，uCE實(shí)際值為高壓探頭測(cè)量IGBT模塊集電極-發(fā)射極兩端電壓，下同，注：由于篇幅有限，主要給出了第3個(gè)脈沖IGBT開(kāi)關(guān)暫態(tài)細(xì)節(jié)圖，從波形可知，關(guān)斷電壓測(cè)量電路較好實(shí)現(xiàn)了IGBT集電極開(kāi)關(guān)暫態(tài)電壓的高帶寬測(cè)量，測(cè)量精確度小于10 V，見(jiàn)圖5（a）、圖5（b）。

2）軟短路和硬短路下集電極電壓測(cè)試結(jié)果。

基于單相半橋逆變電路，對(duì)圖2所示飽和壓降測(cè)量電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)溫測(cè)試平臺(tái)如圖15所示，結(jié)溫測(cè)試脈沖為單脈沖寬度100 us。測(cè)試開(kāi)關(guān)管為英飛凌公司3 300 V/1 500 A大功率IGBT模塊，其型號(hào)為FZ1500R33HL3。由于大功率IGBT的結(jié)溫難以直接測(cè)量，采用了結(jié)溫間接測(cè)量方法，即將IGBT模塊放在溫箱中，待溫箱溫度上升到設(shè)定溫度后，保持一段時(shí)間（約30 min），使得IGBT結(jié)溫和溫箱設(shè)定溫度相同。此后通一電流單脈沖（電流幅值可根據(jù)實(shí)際負(fù)載調(diào)整），單脈沖寬度TD為100 μs，并同時(shí)測(cè)得此時(shí)的飽和壓降。改變?cè)O(shè)定溫度和集電極電流，重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)，從而得到結(jié)溫-集電極電流-飽和壓降的關(guān)系數(shù)據(jù)。上述過(guò)程中，由于脈沖電流的沖擊，IGBT導(dǎo)通功耗和開(kāi)關(guān)損耗都會(huì)導(dǎo)致IGBT結(jié)溫增加，然而經(jīng)核算導(dǎo)通電流1 000 A/脈寬1 ms下，IGBT開(kāi)關(guān)一次引起的結(jié)溫升高值小于3℃，且實(shí)際測(cè)試脈寬遠(yuǎn)小于1 ms，則IGBT開(kāi)關(guān)及導(dǎo)通損耗所引起的溫升將更小，故下文沒(méi)考慮開(kāi)關(guān)動(dòng)作引起的IGBT模塊結(jié)溫變化。

1）同一電流，不同結(jié)溫下導(dǎo)通壓降測(cè)試結(jié)果。

采用電阻負(fù)載，IGBT模塊分別通以大、中和小三種集電極電流情況下，對(duì)不同結(jié)溫下IGBT模塊導(dǎo)通飽和壓降進(jìn)行了測(cè)試，考慮驅(qū)動(dòng)板允許運(yùn)行溫度，這里主要在30～70 ℃進(jìn)行，結(jié)果如圖16所示。從圖16（a）、圖16（b）可以得出，當(dāng)在大電流（500 A和1 000 A）工況下，飽和壓降和溫度具有一定的線性關(guān)系。電流500 A，溫差相差10 ℃時(shí)，飽和壓降相差15 mV左右；電流1 000 A，溫差相差10 ℃時(shí)，飽和壓降相差20 mV左右。

在小電流下（100 A）工況下，飽和壓降和溫度線性關(guān)系不明顯，其與IGBT輸出特性曲線相關(guān)。

2）同一結(jié)溫，不同電流下導(dǎo)通壓降測(cè)試結(jié)果。

在IGBT結(jié)溫40 ℃時(shí)，IGBT模塊分別通以100～1 000 A的iC，對(duì)其uCEsat進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖17所示，由圖可知，同一IGBT結(jié)溫，隨著iC的增加，uCEsat增加。

4.3 大功率IGBT模塊結(jié)溫在線估計(jì)實(shí)驗(yàn)研究

1）基于IGBT輸出特性的結(jié)溫在線估計(jì)線性函數(shù)研究。

根據(jù)測(cè)量的IGBT導(dǎo)通壓降和集電極電流，結(jié)合IGBT模塊V-I輸出特性曲線，可進(jìn)行其結(jié)溫在線估計(jì)。圖18給出了IGBT模塊在3種結(jié)溫（30 ℃、50 ℃和70 ℃）下測(cè)量的導(dǎo)通壓降、集電極電流（圖中測(cè)量值）與模塊輸出特性曲線（圖中V-I曲線）對(duì)比結(jié)果。注：IGBT模塊手冊(cè)只給出結(jié)溫25 ℃、125 ℃和150 ℃下V-I輸出特性曲線。

從圖中可以看出，測(cè)試值與IGBT輸出特性曲線變化規(guī)律一致：相同uCEsat下，IGBT模塊iC越大，則結(jié)溫越低；相同iC下，uCEsat越高，則結(jié)溫越大。在測(cè)試結(jié)溫為30 ℃、50 ℃和70 ℃下測(cè)量的導(dǎo)通壓降均位于IGBT結(jié)溫25℃和125℃輸出特性之間。

根據(jù)IGBT輸出特性曲線，圖19給出了IGBT模塊幾種典型集電極電流（100～1 500 A）下，飽和導(dǎo)通壓降與結(jié)溫對(duì)比結(jié)果：

結(jié)合圖19所示IGBT模塊V-I輸出特性曲線，采用線性函數(shù)擬合方法，可得到IGBT導(dǎo)通電流分別為100～1 500 A下結(jié)溫和導(dǎo)通壓降的線性函數(shù)關(guān)系結(jié)果，圖20給出了電流900 A和1 500 A擬合結(jié)果。

從圖20所示結(jié)溫、導(dǎo)通壓降線性擬合結(jié)果可知，隨著IGBT模塊導(dǎo)通電流（900 A→1 500 A）的增加，結(jié)溫和飽和壓降間線性函數(shù)斜率值（圖中線性函數(shù)自變量uCEsat的系數(shù)）減少，線性函數(shù)與y軸截距幅值（圖中線性函數(shù)中的常數(shù)項(xiàng)）也減少，圖21給出了不同電流（300 A→1 500 A）下圖20中幾個(gè)線性函數(shù)的斜率值與截距值關(guān)系結(jié)果。

從圖中可以看出，當(dāng)iC從300 A→1 500 A時(shí)，幾種典型iC下的結(jié)溫和飽和壓降間線性函數(shù)斜率值與線性函數(shù)截距值有一定的線性關(guān)系，故為提高結(jié)溫估計(jì)的準(zhǔn)確性，可根據(jù)IGBT導(dǎo)通電流，選擇相應(yīng)的線性函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT模塊結(jié)溫更為準(zhǔn)確、簡(jiǎn)單的估計(jì)。

2）基于線性函數(shù)在線估計(jì)結(jié)溫方法實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

基于線性函數(shù)估計(jì)結(jié)溫實(shí)施思路如下：首先結(jié)合圖21通過(guò)在線檢測(cè)的IGBT集電極電流，確定該集電極電流下的結(jié)溫-飽和壓降線性函數(shù)；其次，基于確定的線性函數(shù)基礎(chǔ)上，借助測(cè)量的高精確度飽和壓降數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)IGBT模塊結(jié)溫在線估計(jì)。

考慮到IGBT驅(qū)動(dòng)器工作溫度（<70 ℃）范圍比較小，進(jìn)行IGBT模塊飽和壓降-結(jié)溫測(cè)試時(shí)，IGBT模塊驅(qū)動(dòng)器沒(méi)有放置在恒溫箱中，而是通過(guò)長(zhǎng)雙絞線與恒溫箱中IGBT模塊輔助門(mén)級(jí)和輔助發(fā)射極相連，以實(shí)現(xiàn)IGBT驅(qū)動(dòng)控制。此外，為保護(hù)IGBT門(mén)級(jí)及防止IGBT關(guān)斷過(guò)壓，在IGBT輔助端子安裝了有源鉗位及門(mén)級(jí)保護(hù)電路板。

在IGBT幾種導(dǎo)通電流（100～1 500 A）下，對(duì)結(jié)溫從25～150 ℃變化下的IGBT導(dǎo)通壓降進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖22。從圖22中可以看出，隨著集電極電流的增加，IGBT導(dǎo)通飽和壓降增加，大電流（300～1 500 A）下，IGBT導(dǎo)通壓降隨著結(jié)溫的增加而增加，有一定的線性性；小電流（100 A）下，隨著結(jié)溫的增加，IGBT導(dǎo)通壓降增加較緩慢。

圖23給出了IGBT幾種導(dǎo)通電流（100～1 500 A）下，結(jié)溫從25～150 ℃變化下的IGBT結(jié)溫實(shí)際值與估計(jì)值誤差結(jié)果，從圖23可知，IGBT模塊結(jié)溫估計(jì)誤差較大時(shí)主要出現(xiàn)在集電極電流為小電流100 A時(shí)，當(dāng)集電極電流為300～1 500 A時(shí)，IGBT模塊結(jié)溫估計(jì)誤差較小，誤差小于12 ℃。

研究的IGBT模塊結(jié)溫在線估計(jì)方法是基于其外特性（集電極電流、導(dǎo)通飽和壓降）和器件手冊(cè)-伏安特性曲線，因而避免了傳統(tǒng)需要較多模塊參數(shù)的結(jié)溫估計(jì)方法帶來(lái)的器件分散性對(duì)結(jié)溫估計(jì)的影響。IGBT模塊結(jié)溫估計(jì)存在一定的誤差，然而可通過(guò)檢測(cè)相同工況下IGBT導(dǎo)通壓降的變化量，來(lái)判斷IGBT芯片結(jié)溫的變化，有利于IGBT長(zhǎng)期運(yùn)行內(nèi)部潛在故障的預(yù)判，并對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行提前保護(hù)，實(shí)現(xiàn)變流系統(tǒng)可靠性的提高。

5 結(jié) 論

本文提出了一種IGBT集電極導(dǎo)通和截止電壓集成的測(cè)量電路，其可實(shí)現(xiàn)IGBT導(dǎo)通和截止集電極電壓的準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)而給出了具有高動(dòng)態(tài)性能的IGBT導(dǎo)通和截止電壓分立測(cè)量電路，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了IGBT集電極電壓分立測(cè)量電路的高帶寬和高精確度性能，導(dǎo)通和截止電壓電路測(cè)量精確度分別為5 mV和10 V。在此基礎(chǔ)上，借助測(cè)量IGBT集電極電流及在線檢測(cè)的集電極導(dǎo)通壓降，形成不同集電極電流下的結(jié)溫-導(dǎo)通壓降線性函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了IGBT模塊結(jié)溫在線估計(jì)，結(jié)溫估計(jì)誤差小于12℃。

研究的IGBT集電極電壓的高帶寬、高精確度測(cè)量電路可為門(mén)級(jí)驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)大功率IGBT驅(qū)動(dòng)分級(jí)控制、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)提供參考。通過(guò)檢測(cè)相同工況下IGBT導(dǎo)通壓降的變化量，來(lái)判斷IGBT芯片結(jié)溫的變化，有利于IGBT長(zhǎng)期運(yùn)行內(nèi)部潛在故障的預(yù)判，并對(duì)可能出現(xiàn)的故障進(jìn)行提前保護(hù)，實(shí)現(xiàn)變流系統(tǒng)可靠性的提高。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 孫馳，張成，艾勝. 一種實(shí)用的大容量電力電子系統(tǒng)高速光纖環(huán)網(wǎng)拓?fù)浼捌鋮f(xié)議[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2012，32（15）：63.

SUN Chi，ZHANG Cheng，AI Sheng. Topology and protocol of practical highspeed fiberoptic ring net for largecapacity power electronic systems [J].Proceedings of the CSEE，2012，32（15）：63.

[2] YANG S，BRYANT A，MAWBY P，et al.An industrybased survey of reliability in power electronic converters[J].Industry Applications，IEEE Transactions on，2011，47（3）：1441.

[3] CHOIU，BLAABJERG F，LEE K.Study and handling methods of power IGBT module failures in power electronic converter system[J].IEEE Trans. Power Electron.，2015，30（5）： 2517.

[4] 楊旭.基于飽和壓降測(cè)量的IGBT功率模塊狀態(tài)評(píng)估方法研究[D].重慶：重慶大學(xué)，2012.

[5] 李武華，陳玉香，羅皓澤，等.大容量電力電子器件結(jié)溫提取原理綜述及展望[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2016，36（13）：3546.

LI Wuhua，CHEN Yuxiang，LUO Haoze，et al.Review and prospect of junction temperature extraction principle of high power semiconductor devices[J].Proceedings of the CSEE，2016，36（13）：3546.

[6] YANICK L，JOHANN W K.Voltage，current and temperature measurement concepts enabling intelligent gate drives[C]//Swiss Federal Institute of Technology （ETH） Zurich Power Electronic Systems Laboratory， ECPE，Workshop Munich，2011：1.

[7] CZKOWSKI B S，GHIMRE P，et al.Online vce measurement method for wearout monitoring of high power IGBT modules[C]//EPE′13 ECCE Europe 15th European conference on power electronics and applications，Lille，F(xiàn)rance，2013.

[8] GHIMRE P，PEDERSEN K B，et al.A real time measurement of junction temperature variation in high power IGBT modules for wind power converter application[C]//CIPS 2014，Nuremberg，Germany.

[9] BING Ji.Insitu health monitoring of IGBT power modules in ev applications[D].Newcastle University United Kingdom，2011.

[10] PERPINA X，SERVIERE J F，SAIZ J，et al.Temperature measurement on series resistance and devices in power packs based onstate voltage drop monitoring at high current[J].Microelectronics reliability，2006，46： 1834.

（編輯：賈志超）