IGBT集電極電壓高精度測量方法研究

胡亮燈 趙治華 孫馳 任強

摘 要：IGBT導通和截止電壓相差較大，傳統的檢測電路無法實現其寬范圍、高精確度的測量。首先，本文提出了一種IGBT導通和截止電壓集成的測量電路，實現了IGBT導通和截止電壓的準確測量。進而給出了具有高動態性能的IGBT截止和導通電壓分立測量電路，前者通過電阻分壓、電容補償實現了IGBT開關暫態集電極電壓的高帶寬測量；后者利用電流源給二極管注入微小電流實現IGBT導通飽和壓降的精確測量，并實驗驗證了IGBT導通和截止集電極電壓測量電路的高帶寬和高精確度性能，測量精確度分別為5mV和10V。最后，對IGBT導通飽和壓降-結溫-集電極電流三者間存在的線性關系進行實驗驗證，并結合IGBT輸出特性形成的分段線性函數，形成了更簡單、實用的IGBT結溫在線估計方法。

關鍵詞：IGBT；集電極電壓；飽和壓降；測量

中圖分類號：TM 933.2

文獻標志碼：A

文章編號：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，電力電子變流技術的一個很重要的發展方向是智能化、中高壓、大容量、高功率密度、高可維護性和高可靠性[1]。其中，高可靠性是電力電子變流系統需要達到的最基本也是最重要的一個性能指標。據工業界的調查顯示，近三分之一的電力電子變流系統故障是由電力電子功率器件的損壞引起的，其中由溫度或過電壓擊穿引起的器件失效占近六成[2-3]，因而對功率器件電壓或結溫在線監控非常重要。

IGBT是目前應用最為廣泛的中大功率、全控型電力電子器件，其直接相關的門級驅動器是影響IGBT器件及其組成的變流系統發揮最優性能的關鍵因素。數字有源門級驅動器，除了必要的受控電壓源或電流源，只有相應的電量檢測電路必須用模擬電路實現，而其他的所有功能可以由數字處理芯片來實現，避免了模擬驅動器需要大量模擬器件才能實現較復雜的控制功能，提高了驅動的可靠性，此外還可實現IGBT端口電氣變量和運行狀態監控，是大功率IGBT驅動器發展的趨勢。

IGBT開關暫態集電極電壓的測量是數字式驅動器實現IGBT驅動反饋控制和過電壓保護的基礎，IGBT導通時飽和電壓高精確度的測量，對IGBT短路、過電流等故障保護以及IGBT狀態識別有著重要的參考作用。但IGBT關斷時的阻斷電壓和導通時的飽和電壓相差很大，兩種狀態下對測量電路精確度要求也不相同。目前，IGBT關斷電壓常達數千伏，這就要求IGBT集電極高壓測量電路能耐壓相應電壓等級；IGBT導通時，導通飽和壓降只有幾伏，要求測量精確度十毫伏級，以便依據飽和壓降來判斷IGBT是否過流等故障，實現對IGBT狀態識別[4]。

IGBT結溫在線監控對變流器系統安全運行也至關重要，各種IGBT潛在失效或多或少表現為IGBT結溫出現異常。目前大容量電力電子變流器實際工況中，在不改變控制策略、不中斷或不侵入變流系統正常運行的前提下，還沒實現IGBT器件結溫的實時、在線提取估計[5]。然而，可通過檢測相同工況下IGBT導通壓降（uCEsat）的變化量（要求uCEsat測量精確度達5 mV級，uCesat與結溫對應關系約為：1 mV/℃），來判斷IGBT芯片結溫的變化，有利于IGBT長期運行內部潛在故障的預判，并對可能出現的故障進行提前保護，實現變流系統可靠性的提高。

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

目前，IGBT集電極電壓主要應用在模擬式IGBT驅動器中，如CONCEPT公司驅動器基于退飽和電路檢測飽和壓降來判斷IGBT是否短路，利用有源箝位電路來判斷IGBT是否過壓，InPower公司、Amantys公司部分驅動器通過阻容分壓電路實現IGBT集電極電壓檢測，這些應用對集電極電壓檢測精確度要求不高。文獻[6]利用大電阻分壓電路實現IGBT集電極電壓測量，由于測量電路系統誤差較大，只能測量阻斷高電壓，IGBT開關暫態測量需考慮電阻寄生參數影響，且不能用于飽和壓降的精確測量。文獻[7-8]提出了一種利用運放抵消二極管壓降來實現IGBT導通壓降的測量方案，然而該電路測量精確度有待實驗驗證，不便于測量IGBT關斷電壓集成測量。文獻[9]給出了IGBT飽和壓降和其反并二極管正向導通壓降測量電路，但壓降電量信號的獲得需要依靠外界儀器，不適合工程應用。

首先，在研究IGBT開關特性的基礎上，提出了一種IGBT集電極關斷高壓和導通低壓的集成測量方法，對其測量原理進行了說明；其次，結合實際應用需求，給出了IGBT關斷電壓和開通電壓分立測量電路，并在多種條件下進行實驗驗證；最后，結合集電極電流，采用測量的IGBT導通飽和壓降來對結溫-集電極電流-飽和壓降三者間的關系進行實驗驗證，進而結合IGBT輸出特性曲線來對結溫進行在線估計。

1 提出的IGBT集電極電壓測量電路原理

1.1 IGBT集電極電壓集成測量電路及原理

1）集電極電壓集成測量電路。

根據IGBT關斷和開通時的集電極電壓跨度大、開通低壓測量精確度要求不同的特點，利用二極管的反向阻斷能力，集成了兩個測量支路分別實現了IGBT關斷電壓和導通壓降的精確測量，所提出的IGBT導通關斷集電極電壓集成的測量電路如圖1所示。

圖1方案優勢是用比較簡單的方式是將IGBT導通電壓和關斷電壓于一體，可實現IGBT導通和關斷電壓準確測量。

由上述分析知所提的圖1所示電路可實現IGBT開通關斷穩態下的集電極電壓高精確度測量，然而結合電路具體特點知其無法實現IGBT開關暫態的高帶寬測量，尤其是在IGBT關斷暫態下所測量的結果將存在一定的誤差，究其原因是因為IGBT由導通到關斷過程中，電流源IS1電流將從二極管D1轉移到二極管D2，但由于RL、CL阻容時間常數（τ=RLCL）較大，從而導致集電極電壓估計值將延后于實際值。

1.2 IGBT集電極電壓分立測量電路及原理

考慮到IGBT門級驅動分級控制和保護對IGBT開關暫態集電極電壓測量的高動態性能要求，提出了如圖2所示分立測量電路來實現對IGBT開關暫態和導通穩態集電極電壓測量，圖中uCEoff主要實現IGBT集電極開關暫態及關斷穩態電壓測量，uCEsat主要實現IGBT導通飽和壓降的精確測量，uCE為實際的集電極電壓，下同。

上圖2集電極測量電路原理如下：當IGBT導通時，二極管D1正偏導通，并與D2流過相同電流（電流源IS1與IS2相同），此時差分放大電路輸出電壓uCEsat與IGBT兩端電壓uCE相同；在IGBT開關暫態及關斷穩態則利用阻容分壓電路，其經運放阻抗隔離后的電壓uCEoff與集電極電壓uCE關系為：uCEoff=uCERL/（RH+RL）。在實際設計中，RL與（RH+RL）比值為1∶650。

2 集電極電壓測試平臺

基于單相半橋逆變電路，對圖2所示集電極電壓分立測量電路進行實驗驗證，測試平臺見圖3，測試脈沖見圖4。

圖3中開關管T1～T2為英飛凌公司大功率IGBT（型號：FZ1500R33HL3，3300V/1500A），其中T2管為待測IGBT，IGBT門級驅動器采用了CONCEPT公司產品（型號：1SD536F2）。采用圖4所示三脈沖進行測試的主要目的是對比不同脈沖寬度、IGBT導通前有無電流等情況下IGBT集電極電壓測量的準確性。測試采用Tek公司4通道數字示波器（型號：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量（型號：CWT60B，0.50 mV/A），集電極測量電路輸出電壓uCEsat或uCEoff采用Tek低壓無源探頭測量（型號：P2220，帶寬200 MHz）。

3 IGBT集電極電壓測試結果

3.1 IGBT關斷電壓測試結果

1）IGBT正常運行下集電極電壓測試結果。

在負載2 mH，母線電壓分別為1.5 kV和2 kV下進行了實驗，結果如圖5所示，圖中uCE估計值為低壓探頭測量的圖2所示電路輸出電壓uCEoff經還原后的集電極電壓，uCE實際值為高壓探頭測量IGBT模塊集電極-發射極兩端電壓，下同，注：由于篇幅有限，主要給出了第3個脈沖IGBT開關暫態細節圖，從波形可知，關斷電壓測量電路較好實現了IGBT集電極開關暫態電壓的高帶寬測量，測量精確度小于10 V，見圖5（a）、圖5（b）。

2）軟短路和硬短路下集電極電壓測試結果。

基于單相半橋逆變電路，對圖2所示飽和壓降測量電路進行實驗驗證，結溫測試平臺如圖15所示，結溫測試脈沖為單脈沖寬度100 us。測試開關管為英飛凌公司3 300 V/1 500 A大功率IGBT模塊，其型號為FZ1500R33HL3。由于大功率IGBT的結溫難以直接測量，采用了結溫間接測量方法，即將IGBT模塊放在溫箱中，待溫箱溫度上升到設定溫度后，保持一段時間（約30 min），使得IGBT結溫和溫箱設定溫度相同。此后通一電流單脈沖（電流幅值可根據實際負載調整），單脈沖寬度TD為100 μs，并同時測得此時的飽和壓降。改變設定溫度和集電極電流，重復以上實驗，從而得到結溫-集電極電流-飽和壓降的關系數據。上述過程中，由于脈沖電流的沖擊，IGBT導通功耗和開關損耗都會導致IGBT結溫增加，然而經核算導通電流1 000 A/脈寬1 ms下，IGBT開關一次引起的結溫升高值小于3℃，且實際測試脈寬遠小于1 ms，則IGBT開關及導通損耗所引起的溫升將更小，故下文沒考慮開關動作引起的IGBT模塊結溫變化。

1）同一電流，不同結溫下導通壓降測試結果。

采用電阻負載，IGBT模塊分別通以大、中和小三種集電極電流情況下，對不同結溫下IGBT模塊導通飽和壓降進行了測試，考慮驅動板允許運行溫度，這里主要在30～70 ℃進行，結果如圖16所示。從圖16（a）、圖16（b）可以得出，當在大電流（500 A和1 000 A）工況下，飽和壓降和溫度具有一定的線性關系。電流500 A，溫差相差10 ℃時，飽和壓降相差15 mV左右；電流1 000 A，溫差相差10 ℃時，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系不明顯，其與IGBT輸出特性曲線相關。

2）同一結溫，不同電流下導通壓降測試結果。

在IGBT結溫40 ℃時，IGBT模塊分別通以100～1 000 A的iC，對其uCEsat進行了測試，結果如圖17所示，由圖可知，同一IGBT結溫，隨著iC的增加，uCEsat增加。

4.3 大功率IGBT模塊結溫在線估計實驗研究

1）基于IGBT輸出特性的結溫在線估計線性函數研究。

根據測量的IGBT導通壓降和集電極電流，結合IGBT模塊V-I輸出特性曲線，可進行其結溫在線估計。圖18給出了IGBT模塊在3種結溫（30 ℃、50 ℃和70 ℃）下測量的導通壓降、集電極電流（圖中測量值）與模塊輸出特性曲線（圖中V-I曲線）對比結果。注：IGBT模塊手冊只給出結溫25 ℃、125 ℃和150 ℃下V-I輸出特性曲線。

從圖中可以看出，測試值與IGBT輸出特性曲線變化規律一致：相同uCEsat下，IGBT模塊iC越大，則結溫越低；相同iC下，uCEsat越高，則結溫越大。在測試結溫為30 ℃、50 ℃和70 ℃下測量的導通壓降均位于IGBT結溫25℃和125℃輸出特性之間。

根據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，飽和導通壓降與結溫對比結果：

結合圖19所示IGBT模塊V-I輸出特性曲線，采用線性函數擬合方法，可得到IGBT導通電流分別為100～1 500 A下結溫和導通壓降的線性函數關系結果，圖20給出了電流900 A和1 500 A擬合結果。

從圖20所示結溫、導通壓降線性擬合結果可知，隨著IGBT模塊導通電流（900 A→1 500 A）的增加，結溫和飽和壓降間線性函數斜率值（圖中線性函數自變量uCEsat的系數）減少，線性函數與y軸截距幅值（圖中線性函數中的常數項）也減少，圖21給出了不同電流（300 A→1 500 A）下圖20中幾個線性函數的斜率值與截距值關系結果。

從圖中可以看出，當iC從300 A→1 500 A時，幾種典型iC下的結溫和飽和壓降間線性函數斜率值與線性函數截距值有一定的線性關系，故為提高結溫估計的準確性，可根據IGBT導通電流，選擇相應的線性函數來實現IGBT模塊結溫更為準確、簡單的估計。

2）基于線性函數在線估計結溫方法實驗驗證。

基于線性函數估計結溫實施思路如下：首先結合圖21通過在線檢測的IGBT集電極電流，確定該集電極電流下的結溫-飽和壓降線性函數；其次，基于確定的線性函數基礎上，借助測量的高精確度飽和壓降數據來實現IGBT模塊結溫在線估計。

考慮到IGBT驅動器工作溫度（<70 ℃）范圍比較小，進行IGBT模塊飽和壓降-結溫測試時，IGBT模塊驅動器沒有放置在恒溫箱中，而是通過長雙絞線與恒溫箱中IGBT模塊輔助門級和輔助發射極相連，以實現IGBT驅動控制。此外，為保護IGBT門級及防止IGBT關斷過壓，在IGBT輔助端子安裝了有源鉗位及門級保護電路板。

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

圖23給出了IGBT幾種導通電流（100～1 500 A）下，結溫從25～150 ℃變化下的IGBT結溫實際值與估計值誤差結果，從圖23可知，IGBT模塊結溫估計誤差較大時主要出現在集電極電流為小電流100 A時，當集電極電流為300～1 500 A時，IGBT模塊結溫估計誤差較小，誤差小于12 ℃。

研究的IGBT模塊結溫在線估計方法是基于其外特性（集電極電流、導通飽和壓降）和器件手冊-伏安特性曲線，因而避免了傳統需要較多模塊參數的結溫估計方法帶來的器件分散性對結溫估計的影響。IGBT模塊結溫估計存在一定的誤差，然而可通過檢測相同工況下IGBT導通壓降的變化量，來判斷IGBT芯片結溫的變化，有利于IGBT長期運行內部潛在故障的預判，并對可能出現的故障進行提前保護，實現變流系統可靠性的提高。

5 結 論

本文提出了一種IGBT集電極導通和截止電壓集成的測量電路，其可實現IGBT導通和截止集電極電壓的準確測量，進而給出了具有高動態性能的IGBT導通和截止電壓分立測量電路，并實驗驗證了IGBT集電極電壓分立測量電路的高帶寬和高精確度性能，導通和截止電壓電路測量精確度分別為5 mV和10 V。在此基礎上，借助測量IGBT集電極電流及在線檢測的集電極導通壓降，形成不同集電極電流下的結溫-導通壓降線性函數，實現了IGBT模塊結溫在線估計，結溫估計誤差小于12℃。

研究的IGBT集電極電壓的高帶寬、高精確度測量電路可為門級驅動器實現大功率IGBT驅動分級控制、過流過壓保護提供參考。通過檢測相同工況下IGBT導通壓降的變化量，來判斷IGBT芯片結溫的變化，有利于IGBT長期運行內部潛在故障的預判，并對可能出現的故障進行提前保護，實現變流系統可靠性的提高。

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（編輯：賈志超）