高压多芯片并联IGBT模块故障监测方法
发布时间：2021-01-06 15:32
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）作为电力电子装置的关键核心器件,其高可靠性是系统长久稳定运行的重要保障,对IGBT模块进行故障监测是提高系统可靠性的有效方式之一。提出一种新的健康敏感参数-栅极-发射极导通前电压VGE（pre-on）,用于监测高压多芯片并联IGBT模块中的IGBT芯片故障。首先,对现有故障监测方法进行比较,然后建立导通前电压可靠性模型,再通过监测导通瞬态期间的VGE（pre-on）来检测高压多芯片并联IGBT模块中的IGBT芯片故障。为验证该方法的可行性,对16芯片DIM800NSM33-F IGBT模块进行了仿真,结果显示,在不同外部条件下,每个并联IGBT芯片故障所产生的导通前电压VGE（pre-on）的平均偏移约为900 mV,且具有较高的灵敏度和抗干扰能力,可有效监测IGBT模块芯片故障。
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(10)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
栅极-发射极等效电路
式中:t为时间;RG为总栅极电阻,RG=RG(int)+RG(ext);Cies为栅极输入电容,Cies=CGE+CGC。在多芯片IGBT电源模块中,每个并联的IGBT芯片都具有固有的栅极输入电容和内部栅极电阻,如图3所示。假设IGBT模块有n个IGBT芯片并联,则IGBT模块的总内部栅极电阻为RG(int),total(RG(int),total=RG(int)/n),栅极输入电容为Cies,total(Cies,total=(CGE+CGC)*n),其中RG(int),total和Cies,total为n个并联芯片的集总电阻和总电容。
表2 栅极-发射极电路参数Table 2 Gate-emitter circuit parameters 栅极电压源VGG 栅极内部电阻RG(int) 栅极-发射极极间电容CGE 栅极-集电极极间电容CGC 栅极输入电容Cies ±15 V 2.16 mΩ 8.862 5 nF 0.137 5 nF 9 nF定义栅极-发射极电压VGE在米勒平台电压VGE(pl)和导通电压VGE(on)过渡阶段为导通前电压VGE(pre-on)。导通前电压VGE(pre-on)是在IGBT集电极电流IC导通之前进行测量的,因此不会受阈值点之后负载电流变化或器件导通过程中噪声的影响。此外,VGE(pre-on)的测量是在栅极侧而不是在高压集电极侧,因此不需要考虑高压隔离和高压绝缘等问题,可以使用简单低成本的轻量级电压传感器,将其嵌入任何栅极驱动器中。由图4可知,随着芯片故障,VGE始终从固定电压-15 V在t0时刻开始增大,VGE的轨迹也将发生变化。若在到达VGE(on)之前的固定延迟时间点进行测量,电压则会随芯片数的变化而变化,因此,栅极-发射极导通前电压VGE(pre-on)可用作IGBT芯片故障的HSP。这种检测方法允许使用计数器在达到VGE(on)之前确定测量点。该计数器由PWM信号触发,以同步VGE(pre-on)的测量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进最小二乘支持向量机的IGBT模块键合线状态评估方法研究[J]. 何怡刚,李凯伟,朋张胜,李兵. 电子测量与仪器学报. 2019(09)
[2]基于IGBT栅极米勒平台的新型电流过载检测技术[J]. 李新昌,徐大伟,朱弘月,程新红,俞跃辉. 仪器仪表学报. 2018(09)
[3]基于滑模观测器的MMC IGBT开路故障诊断[J]. 柏同杨,汪飞,吴春华,郭慧. 电子测量技术. 2017(11)
本文编号：2960824
【文章来源】：电子测量与仪器学报. 2020,34(10)北大核心
【文章页数】：9 页
【部分图文】：
栅极-发射极等效电路
式中:t为时间;RG为总栅极电阻,RG=RG(int)+RG(ext);Cies为栅极输入电容,Cies=CGE+CGC。在多芯片IGBT电源模块中,每个并联的IGBT芯片都具有固有的栅极输入电容和内部栅极电阻,如图3所示。假设IGBT模块有n个IGBT芯片并联,则IGBT模块的总内部栅极电阻为RG(int),total(RG(int),total=RG(int)/n),栅极输入电容为Cies,total(Cies,total=(CGE+CGC)*n),其中RG(int),total和Cies,total为n个并联芯片的集总电阻和总电容。
表2 栅极-发射极电路参数Table 2 Gate-emitter circuit parameters 栅极电压源VGG 栅极内部电阻RG(int) 栅极-发射极极间电容CGE 栅极-集电极极间电容CGC 栅极输入电容Cies ±15 V 2.16 mΩ 8.862 5 nF 0.137 5 nF 9 nF定义栅极-发射极电压VGE在米勒平台电压VGE(pl)和导通电压VGE(on)过渡阶段为导通前电压VGE(pre-on)。导通前电压VGE(pre-on)是在IGBT集电极电流IC导通之前进行测量的,因此不会受阈值点之后负载电流变化或器件导通过程中噪声的影响。此外,VGE(pre-on)的测量是在栅极侧而不是在高压集电极侧,因此不需要考虑高压隔离和高压绝缘等问题,可以使用简单低成本的轻量级电压传感器,将其嵌入任何栅极驱动器中。由图4可知,随着芯片故障,VGE始终从固定电压-15 V在t0时刻开始增大,VGE的轨迹也将发生变化。若在到达VGE(on)之前的固定延迟时间点进行测量,电压则会随芯片数的变化而变化,因此,栅极-发射极导通前电压VGE(pre-on)可用作IGBT芯片故障的HSP。这种检测方法允许使用计数器在达到VGE(on)之前确定测量点。该计数器由PWM信号触发,以同步VGE(pre-on)的测量。
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于改进最小二乘支持向量机的IGBT模块键合线状态评估方法研究[J]. 何怡刚,李凯伟,朋张胜,李兵. 电子测量与仪器学报. 2019(09)
[2]基于IGBT栅极米勒平台的新型电流过载检测技术[J]. 李新昌,徐大伟,朱弘月,程新红,俞跃辉. 仪器仪表学报. 2018(09)
[3]基于滑模观测器的MMC IGBT开路故障诊断[J]. 柏同杨,汪飞,吴春华,郭慧. 电子测量技术. 2017(11)
本文编号：2960824
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