一种在线检测绑定线老化过程的检测电路及检测方法

摘要

本发明公开一种在线检测绑定线老化过程的检测电路及检测方法，测试电路包括：数字信号处理器、驱动电路、功率开关管、受控恒流电源电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路、负载电流采样单元、绑定线健康状态评估单元；测试方法包括：当功率开关管处于导通状态时，利用第一电压检测电路获取门极辅助发射极至功率发射极的寄生电阻值。利用第二电压检测电路获取门极辅助发射极寄生电阻与功率发射极绑定线寄生电阻之和。随后，绑定线健康状态评估单元分别计算出门极辅助发射极寄生电阻与发射极功率绑定线寄生电阻值。本发明，通过门极辅助发射极绑定线寄生电阻的实时检测，可以避免由门极绑定线脱落所引起的开路或者是功率开关管失控等失效模式。

说明书

技术领域

本发明属于电力电子器件测试领域，具体涉及一种在线检测门极辅助绑定线与发射极功率绑定线老化过程的检测电路及方法。

背景技术

以绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)，和金属氧化物半导体场效应管(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,MOSFET)为代表的全控型功率开关器件被广泛应用于电源适配器、新能源发电、轨道交通运输、直流输电等领域。

由于半导体功率器件内部各层材料的热膨胀系数不一致，导致各类材料的连接层在长期运行过程中将处于反复地热胀冷缩状态。在功率器件的长期运行过程当中，反复的热胀冷缩状态将在不同材料之间产生微弱的热机耦合应力，该应力将最终导致模块封装层面出现不可逆转的老化趋势。其中，焊料层剥离与绑定线老化脱离是功率器件老化过程中，两种最为典型的封装老化失效模式。在这两类典型的老化模式当中，焊料层的老化虽然会增加器件内部芯片到外部封装的热阻，进而增加芯片正常工作的温度应力，但不会给功率器件带来永久性失效的风险。然而，第二类绑定线老化脱离将给器件带来开路失效的风险，从而导致整个电力电子变流器系统的永久性失效与故障。

为了实时监控绑定线的健康状态，通常会在IGBT器件处于导通状态过程中，在线检测集电极至发射极之间的电压(Vce)。当功率器件处于健康状态时，封装内部绑定线的等效寄生电阻非常小，因此集电极至发射极电压Vce将会处于一个非常低的水平。当功率器件内部的绑定线出现老化并逐一发生脱离时，封装内部绑定线的等效寄生电阻将会显著变大。当相同的负载电流流经功率器件以及内部的绑定线时，集电极至发射极电压Vce也会发生明显的增量变化。因此，通过对集电极至发射极电压Vce的在线检测，即可实现封装内部绑定线健康状态的监测。

然而，常规的基于Vce电压检测的方法只能对功率绑定线进行在线检测与健康评估，确无法对门极驱动回路的绑定线进行在线检测。功率器件内部的绑定线主要分为两类：第一类是负责引导和承担负载电流的功率绑定线，第二类是负责控制芯片开关的驱动绑定线。目前，在每一块半导体功率芯片上只有一根正门极驱动绑定线以及一根辅助门极绑定线。与数量众多的功率绑定线不同的是，单一功率芯片上唯一的一根正门极驱动绑定线与辅助门极绑定线无任何冗余辅助措施。

由于在实际应用过程当中负载电流并不流经门极驱动绑定线，因此传统的基于Vce电压检测的方法无法获取门极驱动绑定线的健康状态信息。然而在功率器件长期的运行过程当中，负责门极驱动的两根绑定线同样需要经受芯片在运行过程中热电耦合影响和材料特性退化等问题。由于门极驱动绑定线没有冗余辅助措施，一旦出现门极驱动绑定线的老化和脱离，也必将对功率器件带来开路故障，门极驱动控制失控等灾难性后果。

因此研究功率器件中门极驱动绑定线的健康状态及其在线检测方法对在线监测功率模块的健康状态和提高电力电子变流器系统可靠性及其寿命预测研究有着重要的实际意义和工程价值。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种具有在线检测门极驱动绑定线老化过程的测试电路及其检测方法，通过对功率器件的辅助门极端子注入恒定的电流源并在线检测辅助门极端子到功率发射极端子两端的电压变化情况，即可同时计算门极驱动绑定线与功率绑定线的寄生电阻变化情况。本发明不仅可以解决常规方案中高压隔离检测的问题，还能同时对功率绑定线和门极驱动绑定线的老化过程进行在线检测。

本发明具体采用的技术方案如下：

一种在线检测绑定线老化过程的检测电路，所述检测电路包括：数字信号处理器、驱动电路、功率开关管、受控恒流电源电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路、负载电流采样单元、绑定线健康状态评估单元，其中：数字信号处理器与驱动电路相连；驱动电路与开关功率管的门极相连；受控恒流电源电路的输入端与功率开关管的辅助发射极相连，接地输出端与功率开关管的功率发射极相连；第一电压检测电路的输入端与功率开关管的辅助发射极相连，接地输出端与功率开关管的功率发射极相连；第二电压检测电路的输入端与功率开关管的辅助发射极相连，接地输出端与功率开关管的功率发射极相连；第一电压检测电路的信号输出端与绑定线健康状态评估单元相连；第二电压检测电路的信号输出端与绑定线健康状态评估单元相连；负载电流采样单元的信号输出端与绑定线健康状态评估单元相连；绑定线健康状态评估单元的信号输出端与数字信号处理器相连；

所述的数字信号处理器单元，用于根据控制策略给驱动电路发送数字控制信号，根据采样控制策略给受控恒流电源发送使能控制信号，根据运行工况中绑定线健康状态来调整驱动控制信号策略；

所述的驱动单元，用于为功率开关管的门极提供开关控制信号，以控制功率开关管切换导通和关断状态；

所述的受控恒流电源电路，用于产生恒定的电流源电路，且接受外部控制信号进行使能控制；

所述的负载电流采样单元，用于采集功率开关管的正向导通电流；

所述的第一电压检测电路，具备两级放大功能的电压检测功能；当受控恒流电源电路从功率开关管的辅助发射极注入恒定电流时，第一电压检测电路将测量功率开关管从辅助发射极至功率发射极两端之间的电压降；

所述的第二电压检测电路，用于采集功率开关管正向导通电流时辅助发射极至功率发射极两端之间的电压降；

所述的绑定线健康状态评估单元，用于记录与计算绑定线寄生电阻，并将计算电阻值数据实时发送给数字信号处理器单元。

作为优选，所述的受控恒流电源电路，包括直流受控模块电源、三个电阻R1～R3、一个二极管D1、一个退耦电容C1、一个NPN三极管、一个PNP三极管和一个精密可调基准电源TL431；其中：直流受控模块电源的正极与电阻R1、电阻R2、和退耦电容C1的一端相连；电阻R1的另一端与二极管D1的阳极相连，电阻R2的另一端与PNP三极管的发射极相连，电容C1的另一端与PNP三极管的集电极相连，PNP三极管的基区与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阴极同时与NPN三极管的集电极相连，PNP三极管的集电极与NPN三极管的基区相连，NPN三极管的发射极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与精密可调基准电源TL431的阳极相连，NPN三极管的发射极同时与精密可调基准电源TL431的参考端相连，精密可调基准电源TL431的阴极与PNP三极管的集电极相连，精密可调基准电源TL431的阳极与受控恒流电源电路的输出端相连。

作为优选，所述的第一电压检测电路，包括七个电阻R4～R10、两个退耦电容C2～C3、两个运算放大器U1A和U1B；其中：电阻R4的一端与功率开关管辅助发射极相连，电阻R4的另一端与电阻R6的一端和运算放大器U1A的反向输入端相连，电阻R5的一端与运算放大器U1A的同相输入端相连，电阻R6的另一端与运算放大器U1A的输出端、退耦电容C2的一端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与电阻R9的一端和运算放大器U1B的反向输入端相连，运算放大器U1B的同向输入端与电阻R8的一段相连，运算放大器U1B的输出端与电阻R9的另一端、电阻R10的一端和退耦电容C3的一端相连，退耦电容C3的另一端与退耦电容C2的另一端、电阻R5的另一端和电阻R8的另一端相连，电阻R10的另一端作为第一电压检测电路的输出端子。

作为优选，所述的第二电压检测电路，包括四个电阻R11～R14、1个退耦电容C4、1个运算放大器U2A；其中：电阻R11的一端与功率开关管辅助发射极相连，R11另一端与运算放大器U2A的正向输入端相连，电阻R12的一端与运算放大器U2A的反向输入端和电阻R13的一端相连，电阻R13的另一端与运算放大器U2A的输出端和电阻R14的一端、退耦电容C4的一端相连，退耦电容C4的另一端与电阻R12的另一端、接地输出端子相连，电阻R14的另一端作为第二电压检测电路的输出端子。

作为优选，所述的功率开关管采用绝缘栅双极型晶体管或金属氧化物半导体场效应管。

本发明的另一目的在于提供一种如上述任一方案所述检测电路的绑定线老化过程检测方法，其包括如下步骤：

(1)绑定线寄生电阻主动有源测量程序；

当功率开关管处于关闭状态时，使能受控恒流电源电路从功率开关管的辅助发射极注入恒定电流I_s，该恒定电流I_s将流经门极绑定线R_se以及发射极功率绑定线R_sE后，从发射极功率端子流出并返回受控恒流电源电路的接地输出端子；当受控恒流电源电路工作的同时，第一电压检测电路将检测功率开关管辅助发射极端子至功率发射极端子之间的电压V_eE1，并将V_eE1电压发送至绑定线健康状态评估单元；

(2)绑定线寄生电阻被动无源测量程序；

当功率开关管处于正向导通状态时，第二电压检测电路与负载电流采样单元同时工作，第二电压检测电路负责检测功率开关管辅助发射极端子至功率发射极端子之间的电压V_eE2，此时负载电流仅流过发射极功率绑定线R_sE，负载电流采样单元负责测量当前流经功率开关管的集电极电流值Ic，同时将测量到的V_eE2与I_c值发送至绑定线健康状态评估单元；

(3)门极与功率绑定线寄生电阻计算程序；

将绑定线寄生电阻主动有源测量程序当中的恒流源Is与第一电压检测电路采集到的电压V_eE1按照以下公式进行计算

(R_se+R_sE)＝V_eE1/I_s从而得到门极绑定线R_se与发射极功率绑定线R_sE寄生电阻值之和；

同时，将绑定线寄生电阻被动无源测量程序当中的负载电流值I_c与第二电压检测电路采集到的电压V_eE2按照以下公式进行计算

R_sE＝V_eE2/I_c从而得到发射极功率绑定线R_sE寄生电阻值；

将得到的(R_se+R_sE)值减去R_sE值，计算出门极绑定线寄生电阻值R_se；

(4)健康状态判断与控制策略保护程序；

通过对流经门极绑定线寄生电阻R_se与发射极功率绑定线寄生电阻R_sE值的检测，将当前的R_se和R_sE值与初始状态的值进行对比；在运行过程中，若门极绑定线寄生电阻R_se与发射极功率绑定线寄生电阻R_sE的值发生明显变化并且超过预期设定的阈值范围，即可通过绑定线健康状态评估单元对数字信号处理器发出警告信号，进而执行功率开关管保护措施。

本发明中所提出的检测电路和方法，可以计算出门极辅助发射极绑定线寄生电阻，通过对其阻值的实时检测，可以避免由门极绑定线脱落所引起的开路或者是功率开关管失控等失效模式，有效地避免电力变流器系统的永久性故障发生。

附图说明

图1是本发明提出的绑定线健康状态检测电路。

图2是受控恒流源发生电路。

图3是本发明中的第一电压检测电路。

图4是本发明中的第二电压检测电路。

图5是绑定线寄生电阻有源主动检测原理。

图6是绑定线寄生电阻无源被动检测原理。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。

图1显示了一种在线检测绑定线老化过程的检测电路示意图，该测试电路包括：数字信号处理器、驱动电路、功率开关管、受控恒流电源电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路、负载电流采样单元、绑定线健康状态评估单元。本实施例中，功率开关管采用IGBT功率模块。测试电路中，数字信号处理器与驱动电路相连；驱动电路与开关功率管的门极相连；受控恒流电源电路的输入端与功率开关管的辅助发射极相连，接地输出端与功率开关管的功率发射极相连；第一电压检测电路的输入端与功率开关管的辅助发射极相连，接地输出端与功率开关管的功率发射极相连；第二电压检测电路的输入端与功率开关管的辅助发射极相连，接地输出端与功率开关管的功率发射极相连；第一电压检测电路的信号输出端与绑定线健康状态评估单元相连；第二电压检测电路的信号输出端与绑定线健康状态评估单元相连；负载电流采样单元的信号输出端与绑定线健康状态评估单元相连；绑定线健康状态评估单元的信号输出端与数字信号处理器相连。

本实施例中的数字信号处理器单元，可以实用DSP(Digital Signal Processor)数字处理器也可以是现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable Gate Arrays)处理器。数字信号处理器单元的作用是根据控制策略给驱动电路发送相应地数字控制信号，根据采样控制策略给受控恒流电源发送使能控制信号，使能控制信号将控制受控恒流电源仅在测量期间对开关功率模块注入毫安级恒流电流源，以避免由于长期注入恒流电流而对绑定线产生不必要的自热损耗。此外，数字信号处理器还会根据运行工况中绑定线健康状态来调整驱动控制信号策略，当所检测的绑定线寄生电阻发生明显变化时，将会执行封锁脉冲信号的动作来保护电力电子变流器系统。上述驱动单元，用于为功率开关管的门极提供开关控制信号，以控制功率开关管根据负载电流情况切换导通和关断状态。上述受控恒流电源电路，用于产生恒定的电流源电路，且接受外部控制信号进行使能控制。上述负载电流采样单元，用于采集功率开关管模块的正向导通电流。上述第一电压检测电路，具备两级放大功能的电压检测功能，能将毫伏级别电压放大至几伏电压范围之内；当受控恒流电源电路从功率开关管的辅助发射极注入恒定电流时，第一电压检测电路将测量功率开关管从辅助发射极至功率发射极两端之间的电压降。上述第二电压检测电路，用于采集功率开关管正向导通电流时辅助发射极至功率发射极两端之间的电压降。上述绑定线健康状态评估单元，用于记录与计算绑定线寄生电阻，并将计算电阻值数据实时发送给数字信号处理器单元，为数字信号处理器单元做出保护动作提供数据参考。

在该电路中，当功率开关管处于导通状态时，利用第一电压检测电路检测门极辅助发射极至功率发射极之间的电压降，通过负载电流采样单元提供的电流值，计算出当前门极辅助发射极至功率发射极之间的寄生电阻值，该电阻值主要是发射极功率绑定线的寄生电阻值。随后，当功率开关管处于关断状态时，利用受控恒流电源电路向门极辅助发射极至功率发射极之间注入恒定卫校电流。由于注入的恒流电流会同时流经门极辅助发射绑定线与发射极功率绑定线，因此可利用第二电压检测电路检测门极辅助发射极至功率发射极之间的电压降，并计算出当前门极辅助发射极寄生电阻与功率发射极绑定线寄生电阻之和。最后，绑定线健康状态评估单元可以分别计算出门极辅助发射极寄生电阻与发射极功率绑定线寄生电阻值。

下面将对上述电路中受控恒流电源电路、第一电压检测电路、第二电压检测电路在本实施例中的具体实现结构进行描述。

本实施例中的受控恒流电源电路如图2所示，电路包括直流受控模块电源、三个电阻R1～R3、一个二极管D1、一个退耦电容C1、一个NPN三极管、一个PNP三极管、一个精密可调基准电源TL431；其中：直流受控模块电源的正极与电阻R1、电阻R2、和退耦电容C1的一端相连；电阻R1的另一端与二极管D1的阳极相连，电阻R2的另一端与PNP三极管的发射极相连，电容C1的另一端与PNP三极管的集电极相连，PNP三极管的基区与二极管D1的阴极相连，二极管D1的阴极同时与NPN三极管的集电极相连，PNP三极管的集电极与NPN三极管的基区相连，NPN三极管的发射极与电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与精密可调基准电源TL431的阳极相连，NPN三极管的发射极同时与精密可调基准电源TL431的参考端相连，精密可调基准电源TL431的阴极与PNP三极管的集电极相连，精密可调基准电源TL431的阳极与受控恒流电源电路的输出端相连。直流受控模块电源的负极接地，同时与功率开关管的功率发射极相连。

本实施例中的第一电压检测电路如图3所示，电路包括七个电阻R4～R10、两个退耦电容C2～C3、两个运算放大器U1A和U1B；其中：电阻R4的一端与功率开关管辅助发射极相连，电阻R4的另一端与电阻R6的一端和运算放大器U1A的反向输入端相连，电阻R5的一端与运算放大器U1A的同相输入端相连，电阻R6的另一端与运算放大器U1A的输出端、退耦电容C2的一端和电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与电阻R9的一端和运算放大器U1B的反向输入端相连，运算放大器U1B的同向输入端与电阻R8的一段相连，运算放大器U1B的输出端与电阻R9的另一端、电阻R10的一端和退耦电容C3的一端相连，退耦电容C3的另一端与退耦电容C2的另一端、电阻R5的另一端和电阻R8的另一端相连，电阻R10的另一端作为第一电压检测电路的输出端子。

本实施例中的第二电压检测电路如图4所示，电路包括四个电阻R11～R14、1个退耦电容C4、1个运算放大器U2A；其中：电阻R11的一端与功率开关管辅助发射极相连，R11另一端与运算放大器U2A的正向输入端相连，电阻R12的一端与运算放大器U2A的反向输入端和电阻R13的一端相连，电阻R13的另一端与运算放大器U2A的输出端和电阻R14的一端、退耦电容C4的一端相连，退耦电容C4的另一端电阻与R12的另一端、接地输出端子相连，电阻R14的另一端作为第二电压检测电路的输出端子。

基于上述检测电路的门极辅助绑定线与发射极功率绑定线健康状态、老化过程检测方法，包括如下步骤：

(1)绑定线寄生电阻主动有源测量程序；

绑定线寄生电阻主动有源检测原理如图5所示。当功率开关管处于关闭状态时，使能受控恒流电源电路从功率开关管的辅助发射极注入恒定电流I_s，该恒定电流I_s将流经门极绑定线R_se以及发射极功率绑定线R_sE后，从发射极功率段子流出并返回受控恒流电源电路的接地输出端子；当受控恒流电源电路工作的同时，第一电压检测电路将检测功率开关管辅助发射极端子至功率发射极端子之间的电压V_eE1，并将V_eE1电压发送至绑定线健康状态评估单元。

(2)绑定线寄生电阻被动无源测量程序；

绑定线寄生电阻被动无源检测原理如图6所示。当功率开关管处于正向导通状态时，第二电压检测电路与负载电流采样单元同时工作，第二电压检测电路负责检测功率开关管辅助发射极端子至功率发射极端子之间的电压V_eE2，此时负载电流仅流过发射极功率绑定线R_sE，负载电流采样单元负责测量当前流经功率开关管的集电极电流值I_c，同时将测量到的V_eE2与I_c值发送至绑定线健康状态评估单元。

(3)门极与功率绑定线寄生电阻计算程序；

将绑定线寄生电阻主动有源测量程序当中的恒流源I_s与第一电压检测电路采集到的电压V_eE1按照以下公式进行计算

(R_se+R_sE)＝V_eE1/I_s从而得到门极绑定线R_se与发射极功率绑定线R_sE寄生电阻值之和；

同时，将绑定线寄生电阻被动无源测量程序当中的负载电流值I_c与第二电压检测电路采集到的电压V_eE2按照以下公式进行计算

R_sE＝V_eE2/I_c从而得到发射极功率绑定线R_sE寄生电阻值；

将程序(1)中得到的(R_se+R_sE)值减去程序(2)中得到的R_sE值，即计算出门极绑定线寄生电阻值R_se；

(4)健康状态判断与控制策略保护程序；

通过对流经门极绑定线寄生电阻R_se与发射极功率绑定线寄生电阻R_sE值的检测，即可将当前的R_se和R_sE值与初始状态的值进行对比；在长期的运行过程之后，若门极绑定线寄生电阻R_se与发射极功率绑定线寄生电阻R_sE的值发生明显变化并且超过预期设定的阈值范围，即可通过绑定线健康状态评估单元对数字信号处理器发出警告信号，进而执行功率开关管保护措施，避免电力电子变流器系统发生灾难性的故障。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。