功率器件电压获取电路及方法、结温估算及过温保护方法

技术领域

本发明属于变流器电力电子器件的结温测量技术领域，具体涉及功率器件电压获取电路及方法、结温估算及过温保护方法。

背景技术

大功率电力电子变流器目前具有广阔的应用背景，并且已经成为多个产业中的核心设备之一。绝缘栅双节型晶体管(IGBT)以及续流二极管(Diode)是决定变流器可靠性的关键电力电子器件，变流器50％以上的故障是由于电力电子器件(IGBT+Diode)的故障所造成的。温度过高是电力电子器件(IGBT+Diode)造成故障的重要原因之一。而器件中温度最高的器件结点处于器件封装内部，从而造成结温(Junction Temperature，电子设备中半导体的实际工作温度)的测量造成困难。

已有研究证明了导通压降与功率半导体器件的结温成线性关系，因此导通压降可以被用来间接估算功率半导体器件的结温，从而实现变流器的过温保护和热管理。

但由于功率半导体器件的导通压降还与变流器的运行环境、工况、寄生参数、和器件的退化状态有关，因此在实际应用中，基于传统导通压降的结温估算将会受到较大干扰，其准确性无法得到保证。

CN 101997302 A公开的大功率变流器的电力电子器件温度过高的保护方法，是基于历史实验数据和实时器件外壳测量温度比较的变流器电力电子器件(IGBT+DIODE) 的温度过高的保护方法。这种方法消除了部分模型计算保护方法对器件温度参数的依赖性，有助于更合理的使用电力电子器件，提高变流器的实际输出能力。同时，由于这种方法基于历史数据和实时测量数据的比较，整个保护方法涉及实时反馈过程，因此这种方法的实时性和鲁棒性更高，当变流器发生故障时，这种方法可以更快的发现故障，保护器件。

但是，前述方法依据的是历史实验数据和器件外壳实时测量温度，仍难以排除其它因素的干扰，准确性仍然存疑或难以保证。

发明内容

本发明针对现有变流器的电力电子器件结温测量准确性不高的不足，提供功率半导体器件的膝盖电压获取电路，从功率半导体器件中在线提取出其膝盖电压，具有良好的准确性。本发明同时提供功率半导体器件的膝盖电压获取方法、变流器功率半导体器件的结温估算方法及变流器功率半导体器件的过温保护方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：功率半导体器件的膝盖电压获取电路，膝盖电压为功率半导体器件在变流器经过电流过零点时候的导通压降，所述功率半导体器件的膝盖电压获取电路包括：

导通压降测量模块；

电流传感器；

电流过零检测模块；

模数转换模块；

其中，所述导通压降测量模块的一输入端连接变流器中的半桥中点，另一输入端连接功率半导体器件的漏极或集电极与直流母线电压正极之间，所述导通压降测量模块的输出端与所述模数转换模块连接；

其中，所述电流传感器的输入端连接在变流器中的半桥中点，输出端与电流过零检测模块的输入端连接；

其中，所述电流过零检测模块的输出端与所述模数转换模块连接。

本发明的功率半导体器件的膝盖电压获取电路，具有导通压降测量模块、电流传感器、电流过零检测模块和模数转换模块；通过导通压降测量模块获取功率半导体器件的导通压降数据；通过电流过零检测模块实时感应变流器输出交流电流的过零点，并控制模数转换模块的使能，实现在电流过零点附近采集到功率半导体器件的膝盖电压，得到膝盖电压的原始数据。膝盖电压也称为膝点电压。

作为改进，所述导通压降测量模块包括二极管D

作为改进，所述电流过零检测模块包括电阻R

功率半导体器件的膝盖电压获取方法，应用于前述的功率半导体器件的膝盖电压获取电路，所述功率半导体器件的膝盖电压获取方法包括：

步骤S1、通过所述导通压降测量模块获取功率半导体器件的导通压降数据；通过电流过零检测模块实时感应变流器输出交流电流的过零点，并控制模数转换模块的使能，实现在电流过零点附近采集到功率半导体器件的膝盖电压，得到原始数据。

作为功率半导体器件的膝盖电压获取方法的改进，所述功率半导体器件的膝盖电压获取方法还包括：

步骤S2、将收集的原始数据中钳位电压数据点进行清除；

步骤S3、在每一个基波周期内对所有导通压降数据进行排序；

步骤S4、判断导通压降数据是否在合理范围内，若否则返回步骤2；若是则进入步骤S5；

步骤S5、利用数据滤波算法，实现对信号干扰所导致的异常点清除，清除异常点后获得的导通压降数据即为准确的膝盖电压。

作为功率半导体器件的膝盖电压获取方法的改进，步骤S2中，对所述钳位电压数据点进行清除是将钳位电压设置成高于功率半导体器件膝盖电压的值，再利用数据大小判据算法实现钳位电压清除。

作为功率半导体器件的膝盖电压获取方法的改进，步骤S5中、所述数据滤波算法采用高斯分布算法实现数据滤波；高斯分布算法对采集的大量相关数据进行分布特征拟合，然后找到置信度最高的点，即为滤波后的点。

变流器功率半导体器件的结温估算方法，所述变流器功率半导体器件的结温估算方法包括：

获取功率半导体器件的膝盖电压；

获取膝盖电压与结温的线性关系曲线；

根据获取的膝盖电压和线性关系曲线，得到功率半导体器件的结温。

作为变流器功率半导体器件的结温估算方法的改进，采用前述的功率半导体器件的膝盖电压获取方法获取功率半导体器件的膝盖电压。

变流器功率半导体器件的过温保护方法，所述变流器功率半导体器件的过温保护方法包括：

获取功率半导体器件的结温；

根据获取的结温，变流器进行相应的保护动作；

其中，采用前述的变流器功率半导体器件的结温估算方法获取功率半导体器件的结温。

本发明的电压获取电路、获取方法、结温估算方法及过温保护方法，通过获取电路得到膝盖电压的原始数据，进而通过获取方法准确地获取膝盖电压，最终实现结温估算及过温保护。

附图说明

图1是本发明实施例一的三相逆变器结构示意图。

图2是本发明实施例一的三相逆变器内部功率器件T3的集电极和发射极两端电压在一个基波周期内的波形示意图。

图3是本发明实施例一的膝盖电压获取电路的示意图。

图4是本发明实施例一的膝盖电压获取方法的示意图。

图5是图3所示三相变流器在不同结温下，对IGBT的膝盖电压进行在线提取的测量结果。

图6是图3所示三相变流器的结温与膝盖电压的线性关系。

具体实施方式

下面对本发明创造实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明创造的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，都属于本发明创造的保护范围。

实施例一

定义功率半导体器件在变流器经过电流过零点时候的导通压降为膝盖电压。

本实施例以由绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)构成的三相逆变器为例进行说明。三相逆变器的结构如图1所示。

在正常运行过程中，三相变流器内部功率器件T

从图1和图2可以看出，在一个基波周期内，IGBT T

本实施例中，针对IGBT T

本实施例中，所述导通压降测量模块包括二极管D

本实施例中，所述电流过零检测模块包括电阻R

基于图3的功率半导体器件的膝盖电压获取电路，可以对膝盖电压进行准确提取。如图4所示，功率半导体器件的膝盖电压获取方法，包括：

步骤S1、通过所述导通压降测量模块获取功率半导体器件的导通压降数据；通过电流过零检测模块实时感应变流器输出交流电流的过零点，并控制模数转换模块的使能，实现在电流过零点附近采集到功率半导体器件的膝盖电压，得到原始数据；

步骤S2、将收集的原始数据中钳位电压数据点进行清除；所述钳位电压数据点进行清除是将钳位电压设置成高于IGBT膝盖电压的值，再利用数据大小判据算法即可实现钳位电压清除，如钳位电压是5V，膝盖电压是小于1V，那么只要利用判据电压大于1V以上的点全部舍弃即可；

步骤S3、在每一个基波周期内对所有导通压降数据进行排序；

步骤S4、判断导通压降数据是否在合理范围内，若否则返回步骤2；若是则进入步骤S5；IGBT导通压降的合理运行范围可根据其数据手册中的输出特性曲线确定，如一般膝盖电压都是低于1V，如果数据点远高于1V，那即为不合理数据点；

步骤S5、利用数据滤波算法，实现对信号干扰所导致的异常点清除，清除异常点后获得的导通压降数据即为准确的膝盖电压。

本实施例中，数据滤波算法采用高斯分布算法实现数据滤波；高斯分布算法对采集的大量相关数据进行分布特征拟合，然后找到置信度最高的点，即为滤波后的点。

采用图4方法，对图3所示的三相变流器，在不同结温下对IGBT的膝盖电压进行在线提取，测量结果如图5所示。

参见图6，基于图3所示的三相变流器的结温温度与膝盖电压的关系图。从图6可以看出，所测量的膝盖电压与结温存在很好的线性关系。这验证了本发明所提出的膝盖电压可以不受变流器运行工况和IGBT健康状态的影响，可以被用来实现准确的功率器件结温估算，极大提高了对IGBT结温估计的准确度。

以上所述，仅为本发明创造的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明创造包括但不限于上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明创造的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。