一种绝缘栅器件阈值电压的不停机测量方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体涉及一种绝缘栅器件阈值电压的不停机测量方法。

背景技术

电力电子器件作为电力电子系统的核心常常是电力电子变化装置失效的主因。据调查，超过1/3的电力电子系统故障是由于电力电子器件的芯片或焊接失效造成的。故研究电力电子器件的健康状态，完善器件可靠性技术，对提高电力电子系统的整体可靠性具有重要的意义。对电力电子器件健康状况的评估通常借助于老化特征参数，即通过计算这些参数在器件生命周期中偏离初始值的程度来确定器件老化状况。在这些老化特征数据中，绝缘栅器件的阈值电压Vth由于与PN结结温有良好的线性关系成为热点。但是常规的Vth监测必须离线，即必须让电力电子系统中电力电子器件停止工作，然后将器件分离系统进行Vth测量，即需要使电力电子系统宕机，这显然十分不便且不能满足器件健康管理的不停机要求。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种绝缘栅器件阈值电压的不停机测量方法解决了现有阈值电压测量方法需要停机才能测量的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

提供一种绝缘栅器件阈值电压的不停机测量方法，其包括以下步骤：

S1、查询并根据器件手册中给出的集电极电流和跨导计算结构特征参数；

S2、实时获取绝缘栅器件的栅极米勒平台电压和集电极电流；

S3、根据结构特征参数、栅极米勒平台电压和集电极电流获取绝缘栅器件阈值电压。

进一步地，步骤S1的具体方法为：

根据公式：

获取结构特征参数T；其中I

进一步地，步骤S2中实时获取绝缘栅器件的栅极米勒平台电压的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、通过微分器响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；

S2-2、通过比较器将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；

S2-3、通过数字隔离器隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准，并将隔离后的信号发送至驱动模块；

S2-4、通过驱动模块根据隔离后的信号驱动电压采样电路；

S2-5、通过电压采样电路根据驱动模块的驱动获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压；

其中微分器的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；微分器的输出端与比较器的一个输入端相连接，比较器的另一个输入端接收阈值参考电压；比较器的输出端与数字隔离器相连接；数字隔离器的输出端连接驱动模块；驱动模块连接电压采样电路；电压采样电路的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；

微分器，用于响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；

比较器，用于将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；

数字隔离器，用于隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准；

驱动模块，用于驱动电压采样电路；

电压采样电路，用于获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压。

进一步地，驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片U1和型号为QA01的隔离电源M1，驱动芯片U1的OUT引脚为驱动信号输出引脚；驱动芯片U1的引脚20分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、驱动芯片U1的引脚19、驱动芯片U1的引脚14、驱动芯片U1的引脚12、驱动芯片U1的引脚11和电阻R1的一端并接地；驱动芯片U1的IN+引脚连接电阻R1的另一端并作为控制信号输入引脚；驱动芯片U1的引脚19分别连接电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端和5V电源；

驱动芯片U1的引脚1分别连接驱动芯片U1的引脚2、电容C15的一端、电容C16的一端、电容C17的一端、电容C8的一端、电容C7的一端、驱动芯片U1的引脚10、驱动芯片U1的引脚9和隔离电源M1的引脚5；电容C8的另一端与电容C7的另一端相连并接地；驱动芯片U1的引脚3和引脚4相连并接地；

隔离电源M1的引脚6分别连接电容C15的另一端、电容C16的另一端、电容C17的另一端、电容C12的一端、电容C13的一端和电容C14的一端并接地；隔离电源M1的引脚7分别连接电容C12的另一端、电容C13的另一端、电容C14的另一端、电容C6的一端、电容C5的一端、电容C4的一端和驱动芯片U1的引脚6；电容C4的另一端分别连接电容C5的另一端和电容C6的另一端并接地；隔离电源M1的引脚1分别连接电容C9的一端、电容C10的一端、电容C11的一端和15V电源；电容C9的另一端分别连接电容C10的另一端和电容C11的另一端并接地。

进一步地，驱动模块还包括设置在驱动信号输出引脚与驱动目标之间的电桥推挽电路；电桥推挽电路包括电阻R2，电阻R2的一端分别连接驱动芯片U1的引脚7和电阻R3的一端；电阻R2的另一端分别连接电阻R3的另一端、NPN型功率三极管T1的基极、PNP型功率三极管T3的基极、NPN型功率三极管T2的基极和PNP型功率三极管T4的基极；NPN型功率三极管T1的发射极分别连接NPN型功率三极管T2的发射极、PNP型功率三极管T3的发射极和PNP型功率三极管T4的发射极并作为电桥推挽电路的输出端；PNP型功率三极管T3的集电极分别连接接地电阻R4和PNP型功率三极管T4的集电极；NPN型功率三极管T1的集电极分别连接NPN型功率三极管T2的集电极和隔离电源M1的引脚7。

进一步地，电压采样电路包括运算放大器，运算放大器的同相输入端接地，运算放大器的反相输入端分别连接耗尽型MOS器件M1的源极和电容C20的一端；耗尽型MOS器件M1的栅极连接驱动模块的输出端；耗尽型MOS器件M1的漏极分别连接电阻R8的一端和电阻Rf3的一端；电阻R8的另一端与绝缘栅器件的栅极相连接；运算放大器的输出端分别连接电阻Rf3的另一端和电容C20的另一端并作为电压采样电路的输出端。

进一步地，步骤S3的具体方法为：

根据公式：

获取绝缘栅器件阈值电压V

本发明的有益效果为：

1、本方法通过测量绝缘栅器件在工作时栅极弥勒平台电压间接测量出绝缘栅器件的阈值电压，解决了目前绝缘栅器件的阈值电压无法不停机监测的难题。

2、本发明可以方便的集成在绝缘栅功率器件的栅极驱动电路中，不影响电力电子系统的正常运行，实现V

附图说明

图1为本方法的流程示意图；

图2为微分器、比较器和数字隔离器的电路示意图；

图3为驱动模块的电路示意图；

图4为电压采样电路的示意图；

图5为绝缘栅功率器件开启时栅极电压的波形示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1所示，该绝缘栅器件阈值电压的不停机测量方法包括以下步骤：

S1、查询并根据器件手册中给出的集电极电流和跨导计算结构特征参数；

S2、实时获取绝缘栅器件的栅极米勒平台电压和集电极电流；

S3、根据结构特征参数、栅极米勒平台电压和集电极电流获取绝缘栅器件阈值电压。

步骤S1的具体方法为，根据公式：

获取结构特征参数T；其中I

步骤S2中实时获取绝缘栅器件的栅极米勒平台电压的具体方法包括以下子步骤：

S2-1、通过微分器响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；

S2-2、通过比较器将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；

S2-3、通过数字隔离器隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准，并将隔离后的信号发送至驱动模块；

S2-4、通过驱动模块根据隔离后的信号驱动电压采样电路；

S2-5、通过电压采样电路根据驱动模块的驱动获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压；

如图2所示，微分器的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；微分器的输出端与比较器的一个输入端相连接，比较器的另一个输入端接收阈值参考电压；比较器的输出端与数字隔离器相连接；数字隔离器的输出端连接驱动模块；驱动模块连接电压采样电路；电压采样电路的输入端与目标绝缘栅功率器件栅极电压信号相连接；

微分器，用于响应目标绝缘栅功率器件栅极电压信号的跳变部分，并输出对应的电压尖峰；

比较器，用于将微分器的输出和阈值参考电压进行比较，并输出对应的矩形脉冲电压；

数字隔离器，用于隔离比较器输出的信号，使其符合驱动模块数字控制信号标准；

驱动模块，用于驱动电压采样电路；

电压采样电路，用于获取目标绝缘栅功率器件栅极米勒平台电压。

如图3所示，驱动模块包括型号为1ED020I12FA2的驱动芯片U1和型号为QA01的隔离电源M1，驱动芯片U1的OUT引脚为驱动信号输出引脚；驱动芯片U1的引脚20分别连接电容C1的一端、电容C2的一端、电容C3的一端、驱动芯片U1的引脚19、驱动芯片U1的引脚14、驱动芯片U1的引脚12、驱动芯片U1的引脚11和电阻R1的一端并接地；驱动芯片U1的IN+引脚连接电阻R1的另一端并作为控制信号输入引脚；驱动芯片U1的引脚19分别连接电容C1的另一端、电容C2的另一端、电容C3的另一端和5V电源；

驱动芯片U1的引脚1分别连接驱动芯片U1的引脚2、电容C15的一端、电容C16的一端、电容C17的一端、电容C8的一端、电容C7的一端、驱动芯片U1的引脚10、驱动芯片U1的引脚9和隔离电源M1的引脚5；电容C8的另一端与电容C7的另一端相连并接地；驱动芯片U1的引脚3和引脚4相连并接地；

隔离电源M1的引脚6分别连接电容C15的另一端、电容C16的另一端、电容C17的另一端、电容C12的一端、电容C13的一端和电容C14的一端并接地；隔离电源M1的引脚7分别连接电容C12的另一端、电容C13的另一端、电容C14的另一端、电容C6的一端、电容C5的一端、电容C4的一端和驱动芯片U1的引脚6；电容C4的另一端分别连接电容C5的另一端和电容C6的另一端并接地；隔离电源M1的引脚1分别连接电容C9的一端、电容C10的一端、电容C11的一端和15V电源；电容C9的另一端分别连接电容C10的另一端和电容C11的另一端并接地。

驱动模块还包括设置在驱动信号输出引脚与驱动目标之间的电桥推挽电路；电桥推挽电路包括电阻R2，电阻R2的一端分别连接驱动芯片U1的引脚7和电阻R3的一端；电阻R2的另一端分别连接电阻R3的另一端、NPN型功率三极管T1的基极、PNP型功率三极管T3的基极、NPN型功率三极管T2的基极和PNP型功率三极管T4的基极；NPN型功率三极管T1的发射极分别连接NPN型功率三极管T2的发射极、PNP型功率三极管T3的发射极和PNP型功率三极管T4的发射极并作为电桥推挽电路的输出端；PNP型功率三极管T3的集电极分别连接接地电阻R4和PNP型功率三极管T4的集电极；NPN型功率三极管T1的集电极分别连接NPN型功率三极管T2的集电极和隔离电源M1的引脚7。

如图4所示，电压采样电路包括运算放大器，运算放大器的同相输入端接地，运算放大器的反相输入端分别连接耗尽型MOS器件M1的源极和电容C20的一端；耗尽型MOS器件M1的栅极连接驱动模块的输出端；耗尽型MOS器件M1的漏极分别连接电阻R8的一端和电阻Rf3的一端；电阻R8的另一端与绝缘栅器件的栅极相连接；运算放大器的输出端分别连接电阻Rf3的另一端和电容C20的另一端并作为电压采样电路的输出端。

步骤S3的具体方法为，根据公式：

获取绝缘栅器件阈值电压V

在本发明的一个实施例中，以N沟道IGBT为例，图5是IGBT器件开启时栅极电压波形，可以看到0到t2时刻和t3到t4时刻栅极电压有两个上升沿，而在t2到t3阶段，栅极电压保持不变，对应的电压值称为米勒平台电压V

由于数字隔离器输出的电压信号无法驱动MOS器件，因此本系统或本方法先将数字隔离器的输出输入到驱动芯片U1，U1的输出控制由T1到T4组成的电压桥将电源QA1输出到下级器件栅极，使驱动信号达到驱动功率，保证对电压采样电路的驱动效果。

电压采样电路可以由一个高电压关断的耗尽型MOS器件M1控制，当栅极电压在第一个上升沿时，驱动模块控制端信号为高电平，此时电压采样电路进入保持阶段不采样；当栅极电压到达米勒平台时，驱动模块控制端信号为低电平，此时采样电路对V

综上所述，本发明可以方便的集成在绝缘栅功率器件的栅极驱动电路中，不影响电力电子系统的正常运行，实现V