IGBT集电极电压高精度测量方法研究

胡亮灯 赵治华 孙驰 任强

摘 要：IGBT导通和截止电压相差较大，传统的检测电路无法实现其宽范围、高精确度的测量。首先，本文提出了一種IGBT导通和截止电压集成的测量电路，实现了IGBT导通和截止电压的准确测量。进而给出了具有高动态性能的IGBT截止和导通电压分立测量电路，前者通过电阻分压、电容补偿实现了IGBT开关暂态集电极电压的高带宽测量；后者利用电流源给二极管注入微小电流实现IGBT导通饱和压降的精确测量，并实验验证了IGBT导通和截止集电极电压测量电路的高带宽和高精确度性能，测量精确度分别为5mV和10V。最后，对IGBT导通饱和压降-结温-集电极电流三者间存在的线性关系进行实验验证，并结合IGBT输出特性形成的分段线性函数，形成了更简单、实用的IGBT结温在线估计方法。

关键词：IGBT；集电极电压；饱和压降；测量

中图分类号：TM 933.2

文献标志码：A

文章编号：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，电力电子变流技术的一个很重要的发展方向是智能化、中高压、大容量、高功率密度、高可维护性和高可靠性[1]。其中，高可靠性是电力电子变流系统需要达到的最基本也是最重要的一个性能指标。据工业界的调查显示，近三分之一的电力电子变流系统故障是由电力电子功率器件的损坏引起的，其中由温度或过电压击穿引起的器件失效占近六成[2-3]，因而对功率器件电压或结温在线监控非常重要。

IGBT是目前应用最为广泛的中大功率、全控型电力电子器件，其直接相关的门级驱动器是影响IGBT器件及其组成的变流系统发挥最优性能的关键因素。数字有源门级驱动器，除了必要的受控电压源或电流源，只有相应的电量检测电路必须用模拟电路实现，而其他的所有功能可以由数字处理芯片来实现，避免了模拟驱动器需要大量模拟器件才能实现较复杂的控制功能，提高了驱动的可靠性，此外还可实现IGBT端口电气变量和运行状态监控，是大功率IGBT驱动器发展的趋势。

IGBT开关暂态集电极电压的测量是数字式驱动器实现IGBT驱动反馈控制和过电压保护的基础，IGBT导通时饱和电压高精确度的测量，对IGBT短路、过电流等故障保护以及IGBT状态识别有着重要的参考作用。但IGBT关断时的阻断电压和导通时的饱和电压相差很大，两种状态下对测量电路精确度要求也不相同。目前，IGBT关断电压常达数千伏，这就要求IGBT集电极高压测量电路能耐压相应电压等级；IGBT导通时，导通饱和压降只有几伏，要求测量精确度十毫伏级，以便依据饱和压降来判断IGBT是否过流等故障，实现对IGBT状态识别[4]。

IGBT结温在线监控对变流器系统安全运行也至关重要，各种IGBT潜在失效或多或少表现为IGBT结温出现异常。目前大容量电力电子变流器实际工况中，在不改变控制策略、不中断或不侵入变流系统正常运行的前提下，还没实现IGBT器件结温的实时、在线提取估计[5]。然而，可通过检测相同工况下IGBT导通压降（uCEsat）的变化量（要求uCEsat测量精确度达5 mV级，uCesat与结温对应关系约为：1 mV/℃），来判断IGBT芯片结温的变化，有利于IGBT长期运行内部潜在故障的预判，并对可能出现的故障进行提前保护，实现变流系统可靠性的提高。

由上可知，IGBT集电极电压测量电路需突破测量范围宽，低压测量精确度高的难点。

目前，IGBT集电极电压主要应用在模拟式IGBT驱动器中，如CONCEPT公司驱动器基于退饱和电路检测饱和压降来判断IGBT是否短路，利用有源箝位电路来判断IGBT是否过压，InPower公司、Amantys公司部分驱动器通过阻容分压电路实现IGBT集电极电压检测，这些应用对集电极电压检测精确度要求不高。文献[6]利用大电阻分压电路实现IGBT集电极电压测量，由于测量电路系统误差较大，只能测量阻断高电压，IGBT开关暂态测量需考虑电阻寄生参数影响，且不能用于饱和压降的精确测量。文献[7-8]提出了一种利用运放抵消二极管压降来实现IGBT导通压降的测量方案，然而该电路测量精确度有待实验验证，不便于测量IGBT关断电压集成测量。文献[9]给出了IGBT饱和压降和其反并二极管正向导通压降测量电路，但压降电量信号的获得需要依靠外界仪器，不适合工程应用。

首先，在研究IGBT开关特性的基础上，提出了一种IGBT集电极关断高压和导通低壓的集成测量方法，对其测量原理进行了说明；其次，结合实际应用需求，给出了IGBT关断电压和开通电压分立测量电路，并在多种条件下进行实验验证；最后，结合集电极电流，采用测量的IGBT导通饱和压降来对结温-集电极电流-饱和压降三者间的关系进行实验验证，进而结合IGBT输出特性曲线来对结温进行在线估计。

1 提出的IGBT集电极电压测量电路原理

1.1 IGBT集电极电压集成测量电路及原理

1）集电极电压集成测量电路。

根据IGBT关断和开通时的集电极电压跨度大、开通低压测量精确度要求不同的特点，利用二极管的反向阻断能力，集成了两个测量支路分别实现了IGBT关断电压和导通压降的精确测量，所提出的IGBT导通关断集电极电压集成的测量电路如图1所示。

图1方案优势是用比较简单的方式是将IGBT导通电压和关断电压于一体，可实现IGBT导通和关断电压准确测量。

由上述分析知所提的图1所示电路可实现IGBT开通关断稳态下的集电极电压高精确度测量，然而结合电路具体特点知其无法实现IGBT开关暂态的高带宽测量，尤其是在IGBT关断暂态下所测量的结果将存在一定的误差，究其原因是因为IGBT由导通到关断过程中，电流源IS1电流将从二极管D1转移到二极管D2，但由于RL、CL阻容时间常数（τ=RLCL）较大，从而导致集电极电压估计值将延后于实际值。

1.2 IGBT集电极电压分立测量电路及原理

考虑到IGBT门级驱动分级控制和保护对IGBT开关暂态集电极电压测量的高动态性能要求，提出了如图2所示分立测量电路来实现对IGBT开关暂态和导通稳态集电极电压测量，图中uCEoff主要实现IGBT集电极开关暂态及关断稳态电压测量，uCEsat主要实现IGBT导通饱和压降的精确测量，uCE为实际的集电极电压，下同。

上图2集电极测量电路原理如下：当IGBT导通时，二极管D1正偏导通，并与D2流过相同电流（电流源IS1与IS2相同），此时差分放大电路输出电压uCEsat与IGBT两端电压uCE相同；在IGBT开关暂态及关断稳态则利用阻容分压电路，其经运放阻抗隔离后的电压uCEoff与集电极电压uCE关系为：uCEoff=uCERL/（RH+RL）。在实际设计中，RL与（RH+RL）比值为1∶650。

2 集电极电压测试平台

基于单相半桥逆变电路，对图2所示集电极电压分立测量电路进行实验验证，测试平台见图3，测试脉冲见图4。

图3中开关管T1～T2为英飞凌公司大功率IGBT（型号：FZ1500R33HL3，3300V/1500A），其中T2管为待测IGBT，IGBT门级驱动器采用了CONCEPT公司产品（型号：1SD536F2）。采用图4所示三脉冲进行测试的主要目的是对比不同脉冲宽度、IGBT导通前有无电流等情况下IGBT集电极电压测量的准确性。测试采用Tek公司4通道数字示波器（型号：DPO2024，200 MHz），其由变压器隔离供电，集电极电流iC采用柔性罗氏线圈测量（型号：CWT60B，0.50 mV/A），集电极测量电路输出电压uCEsat或uCEoff采用Tek低压无源探头测量（型号：P2220，带宽200 MHz）。

3 IGBT集电极电压测试结果

3.1 IGBT关断电压测试结果

1）IGBT正常运行下集电极电压测试结果。

在负载2 mH，母线电压分别为1.5 kV和2 kV下进行了实验，结果如图5所示，图中uCE估计值为低压探头测量的图2所示电路输出电压uCEoff经还原后的集电极电压，uCE实际值为高压探头测量IGBT模块集电极-发射极两端电压，下同，注：由于篇幅有限，主要给出了第3个脉冲IGBT开关暂态细节图，从波形可知，关断电压测量电路较好实现了IGBT集电极开关暂态电压的高带宽测量，测量精确度小于10 V，见图5（a）、图5（b）。

2）软短路和硬短路下集电极电压测试结果。

基于单相半桥逆变电路，对图2所示饱和压降测量电路进行实验验证，结温测试平台如图15所示，结温测试脉冲为单脉冲宽度100 us。测试开关管为英飞凌公司3 300 V/1 500 A大功率IGBT模块，其型号为FZ1500R33HL3。由于大功率IGBT的结温难以直接测量，采用了结温间接测量方法，即将IGBT模块放在温箱中，待温箱温度上升到设定温度后，保持一段时间（约30 min），使得IGBT结温和温箱设定温度相同。此后通一电流单脉冲（电流幅值可根据实际负载调整），单脉冲宽度TD为100 μs，并同时测得此时的饱和压降。改变设定温度和集电极电流，重复以上实验，从而得到结温-集电极电流-饱和压降的关系数据。上述过程中，由于脉冲电流的冲击，IGBT导通功耗和开关损耗都会导致IGBT结温增加，然而经核算导通电流1 000 A/脉宽1 ms下，IGBT开关一次引起的结温升高值小于3℃，且实际测试脉宽远小于1 ms，则IGBT开关及导通损耗所引起的温升将更小，故下文没考虑开关动作引起的IGBT模块结温变化。

1）同一电流，不同结温下导通压降测试结果。

采用电阻负载，IGBT模块分别通以大、中和小三种集电极电流情况下，对不同结温下IGBT模块导通饱和压降进行了测试，考虑驱动板允许运行温度，这里主要在30～70 ℃进行，结果如图16所示。从图16（a）、图16（b）可以得出，当在大电流（500 A和1 000 A）工况下，饱和压降和温度具有一定的线性关系。电流500 A，温差相差10 ℃时，饱和压降相差15 mV左右；电流1 000 A，温差相差10 ℃时，饱和压降相差20 mV左右。

在小电流下（100 A）工况下，饱和压降和温度线性关系不明显，其与IGBT输出特性曲线相关。

2）同一结温，不同电流下导通压降测试结果。

在IGBT结温40 ℃时，IGBT模块分别通以100～1 000 A的iC，对其uCEsat进行了测试，结果如图17所示，由图可知，同一IGBT结温，随着iC的增加，uCEsat增加。

4.3 大功率IGBT模块结温在线估计实验研究

1）基于IGBT输出特性的结温在线估计线性函数研究。

根据测量的IGBT导通压降和集电极电流，结合IGBT模块V-I输出特性曲线，可进行其结温在线估计。图18给出了IGBT模块在3种结温（30 ℃、50 ℃和70 ℃）下测量的导通压降、集电极电流（图中测量值）与模块输出特性曲线（图中V-I曲线）对比结果。注：IGBT模块手册只给出结温25 ℃、125 ℃和150 ℃下V-I输出特性曲线。

从图中可以看出，测试值与IGBT输出特性曲线变化规律一致：相同uCEsat下，IGBT模块iC越大，则结温越低；相同iC下，uCEsat越高，则结温越大。在測试结温为30 ℃、50 ℃和70 ℃下测量的导通压降均位于IGBT结温25℃和125℃输出特性之间。

根据IGBT输出特性曲线，图19给出了IGBT模块几种典型集电极电流（100～1 500 A）下，饱和导通压降与结温对比结果：

结合图19所示IGBT模块V-I输出特性曲线，采用线性函数拟合方法，可得到IGBT导通电流分别为100～1 500 A下结温和导通压降的线性函数关系结果，图20给出了电流900 A和1 500 A拟合结果。

从图20所示结温、导通压降线性拟合结果可知，随着IGBT模块导通电流（900 A→1 500 A）的增加，结温和饱和压降间线性函数斜率值（图中线性函数自变量uCEsat的系数）减少，线性函数与y轴截距幅值（图中线性函数中的常数项）也减少，图21给出了不同电流（300 A→1 500 A）下图20中几个线性函数的斜率值与截距值关系结果。

从图中可以看出，当iC从300 A→1 500 A时，几种典型iC下的结温和饱和压降间线性函数斜率值与线性函数截距值有一定的线性关系，故为提高结温估计的准确性，可根据IGBT导通电流，选择相应的线性函数来实现IGBT模块结温更为准确、简单的估计。

2）基于线性函数在线估计结温方法实验验证。

基于线性函数估计结温实施思路如下：首先结合图21通过在线检测的IGBT集电极电流，确定该集电极电流下的结温-饱和压降线性函数；其次，基于确定的线性函数基础上，借助测量的高精确度饱和压降数据来实现IGBT模块结温在线估计。

考虑到IGBT驱动器工作温度（<70 ℃）范围比较小，进行IGBT模块饱和压降-结温测试时，IGBT模块驱动器没有放置在恒温箱中，而是通过长双绞线与恒温箱中IGBT模块辅助门级和辅助发射极相连，以实现IGBT驱动控制。此外，为保护IGBT门级及防止IGBT关断过压，在IGBT辅助端子安装了有源钳位及门级保护电路板。

在IGBT几种导通电流（100～1 500 A）下，对结温从25～150 ℃变化下的IGBT导通压降进行了测试，结果如图22。从图22中可以看出，随着集电极电流的增加，IGBT导通饱和压降增加，大电流（300～1 500 A）下，IGBT导通压降随着结温的增加而增加，有一定的线性性；小电流（100 A）下，随着结温的增加，IGBT导通压降增加较缓慢。

图23给出了IGBT几种导通电流（100～1 500 A）下，结温从25～150 ℃变化下的IGBT结温实际值与估计值误差结果，从图23可知，IGBT模块结温估计误差较大时主要出现在集电极电流为小电流100 A时，当集电极电流为300～1 500 A时，IGBT模块结温估计误差较小，误差小于12 ℃。

研究的IGBT模块结温在线估计方法是基于其外特性（集电极电流、导通饱和压降）和器件手册-伏安特性曲线，因而避免了传统需要较多模块参数的结温估计方法带来的器件分散性对结温估计的影响。IGBT模块结温估计存在一定的误差，然而可通过检测相同工况下IGBT导通压降的变化量，来判断IGBT芯片结温的变化，有利于IGBT长期运行内部潜在故障的预判，并对可能出现的故障进行提前保护，实现变流系统可靠性的提高。

5 结 论

本文提出了一种IGBT集电极导通和截止电压集成的测量电路，其可实现IGBT导通和截止集电极电压的准确测量，进而给出了具有高动态性能的IGBT导通和截止电压分立测量电路，并实验验证了IGBT集电极电压分立测量电路的高带宽和高精确度性能，导通和截止电压电路测量精确度分别为5 mV和10 V。在此基础上，借助测量IGBT集电极电流及在线检测的集电极导通压降，形成不同集电极电流下的结温-导通压降线性函数，实现了IGBT模块结温在线估计，结温估计误差小于12℃。

研究的IGBT集電极电压的高带宽、高精确度测量电路可为门级驱动器实现大功率IGBT驱动分级控制、过流过压保护提供参考。通过检测相同工况下IGBT导通压降的变化量，来判断IGBT芯片结温的变化，有利于IGBT长期运行内部潜在故障的预判，并对可能出现的故障进行提前保护，实现变流系统可靠性的提高。

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（编辑：贾志超）