(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 108205074 A(43)申请公布日 2018.06.26
(21)申请号 201611166089.4(22)申请日 2016.12.16
(71)申请人 上海新微技术研发中心有限公司
地址 201800 上海市嘉定区城北路235号3
号楼(72)发明人 钱宇力 李伟
(74)专利代理机构 北京品源专利代理有限公司
11332
代理人 孟金喆 胡彬(51)Int.Cl.
G01R 19/00(2006.01)
权利要求书1页 说明书6页 附图5页
(54)发明名称
一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法
(57)摘要
本发明涉及测量检测技术领域，具体涉及一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法。一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，包括恒流源，所述恒流源的一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；第一控制电路，所述第一控制电路的一端连接所述IGBT模块的栅极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；电压检测装置，一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极。电压检测装置读取的电压信号中不包括IGBT模块集电极引脚的等效电阻、发射极引脚的等效电阻、焊线阻抗的等效电阻产生的压降，大大提高了集电极与发射极之间的饱和压降的检测准确性。
CN 108205074 ACN 108205074 A
权 利 要 求 书
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1.一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，包括恒流源，所述恒流源的一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；
第一控制电路，所述第一控制电路的一端连接所述IGBT模块的栅极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；
电压检测装置，一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极,其中连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率。
2.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，所述恒流源为电流可调节恒流源。
3.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，所述第一控制电路用以形成一控制所述IGBT模块导通或关断的第一控制信号。
4.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，还包括一第二控制电路，所述第二控制电路包括第一控制电阻、第二控制电阻、比较电路；
所述比较电路的正向端连接所述第一控制电路，反向端连接所述第一控制电阻与第二控制电阻的连接点，输出端连接所述IGBT模块的栅极。
5.根据权利要求4所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于：所述第一控制电阻连接于所述IGBT模块的集电极与所述连接点之间；所述第二控制电阻连接于所述IGBT模块的发射极与所述连接点之间。6.根据权利要求4所述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其特征在于，所述第二控制电阻的阻值十倍于所述第一控制电阻的阻值。7.一种基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其特征在于，包括，于所述IGBT模块的发射极、集电极之间连接一恒流信号；
所述IGBT模块的栅极于第一控制信号作用下以使所述IGBT模块工作于饱和状态；获取所述发射极、集电极之间的电压信号，并根据所述电压信号形成一饱和电压信号输出。
8.根据权利要求7所述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其特征在于，还包括，于所述IGBT模块的集电极、发射极之间的电压大于预定电压的状态，控制所述IGBT模块于第二控制信号的作用下关断。
9.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其特征在于，所述第一控制信号为PWM信号或锯齿波信号。
10.根据权利要求1所述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其特征在于，所述恒流源为电流可调节恒流源。
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说 明 书
一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法
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技术领域[0001]本发明涉及测量检测技术领域，具体涉及一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法。
背景技术[0002]IGBT模块饱和压降Vcesat：在预定栅极电压驱动下，IGBT模块工作于饱和区，IGBT模块集电极C与发射极E之间的电压差；不同的栅极电压对应不同的饱和压降。饱和压降是衡量IGBT模块是否过流的重要指标，在栅极驱动电压存在的情况下，IGBT模块发生过流时，CE间压降明显上升，同时功耗提高，结温上升，进而容易引起IGBT过热损坏。一般地，CE间压降大于饱和压降的时间超过10us左右，就会引起IGBT模块损坏。[0003]一般情况下，IGBT模块两端的工作直流母线电压在较高的几百伏左右，甚至于几千伏，而IGBT模块的饱和压降仅为几伏左右，目前有些低导通饱和压降仅为一到两伏，进而导致IGBT模块两端的直流母线电压与饱和压降之间相距较大，显示单元不能同时准确地显示直流母线电压和饱和压降，另一方面，显示单元的显示面积有限，为了能够精确显示饱和压降，常常需要提高电压灵敏度(因饱和压降相对较小)，但由于显示单元内部的增幅器饱和等影响，提高电压显示灵敏度会导致母线电压波形失真，会显示正相削波，如图1所示。[0004]现有技术中，通常采用如图2所示的检测电路。但是检测电路在测试芯片饱和压降时，其工作电流往往到达几十安培、甚至几百安培，超大功率IGBT模块甚至可能达到上千安培。工作电流(也可称为集电极电流)越大，造成实际测量时的误差值较大。进而其检测电路中的电压表显示的电压值并非IGBT模块实际的饱和压降。集电极与发射极之间的饱和压降检测的准确度相对较低。
发明内容[0005]本发明提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法，旨在提高IGBT模块饱和压降的准确度。[0006]一方面，本发明提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，包括[0007]恒流源，所述恒流源的一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；[0008]第一控制电路，所述第一控制电路的一端连接所述IGBT模块的栅极，另一端连接所述IGBT模块的发射极；[0009]电压检测装置，一端连接所述IGBT模块的集电极，另一端连接所述IGBT模块的发射极,其中连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率。[0010]优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，所述恒流源为电流可调节恒流源。[0011]优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，所述第一控制电路用以
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说 明 书
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形成一控制所述IGBT模块导通或关断的第一控制信号。[0012]优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，还包括一第二控制电路，所述第二控制电路包括第一控制电阻、第二控制电阻、比较电路；[0013]所述比较电路的正向端连接所述第一控制电路，反向端连接所述第一控制电阻与第二控制电阻的连接点，输出端连接所述IGBT模块的栅极。[0014]优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中：[0015]所述第一控制电阻连接于所述IGBT模块的集电极与所述连接点之间；[0016]所述第二控制电阻连接于所述IGBT模块的发射极与所述连接点之间。[0017]优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，[0018]所述第二控制电阻的阻值十倍于所述第一控制电阻的阻值。[0019]另一方面，本发明再提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，包括，[0020]于所述IGBT模块的发射极、集电极之间连接一恒流信号；[0021]所述IGBT模块的栅极于第一控制信号作用下以使所述IGBT模块工作于饱和状态；[0022]获取所述发射极、集电极之间的电压信号，并根据所述电压信号形成一饱和压降信号输出。[0023]优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，还包括，[0024]于所述IGBT模块的集电极、发射极之间的电压大于预定电压的状态，控制所述IGBT模块于第二控制信号的作用下关断。[0025]优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，所述第一控制信号为PWM信号或锯齿波信号。[0026]优选地，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，所述恒流源为电流可调节恒流源。[0027]与现有技术相比：[0028]本发明中，恒流信号通过IGBT模块集电极引脚的等效电阻R1、发射极引脚的等效电阻R2、焊线阻抗的等效电阻R2、IGBT模块形成一个电流回路，同时电压检测装置与IGBT模块形成一电压回路，因连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，此时电压回路中的电流几乎为零，则电压检测装置读取的电压信号中不包括IGBT模块集电极引脚的等效电阻R1、发射极引脚的等效电阻R2、焊线阻抗的等效电阻R2产生的压降，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号，大大提高了集电极与发射极之间的饱和压降的检测准确性。
附图说明[0029]图1为现有技术中IGBT模块饱和压降电路失真图；[0030]图2是现有技术中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构等效示意图；[0031]图3是现有技术中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构实际等效示意图；[0032]图4是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构等效示意图；[0033]图5是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构等效示意图；[0034]图6是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构一种实施方式的检
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测波形图；[0035]图7是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构一种实施方式的检测波形图；[0036]图8是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量电路结构一种实施方式的检测波形图；[0037]图9是本发明实施例中一种IGBT模块的饱和电压测量方法的流程示意图。具体实施方式[0038]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。[0039]现有技术中，其实际等效电路路如图3所示，在IGBT模块处于饱和导通的状态下，R1为IGBT模块集电极C引脚的等效电阻，R3为IGBT模块发射极E引脚的等效电阻，R2为IGBT模块封装工艺中，铜线或者铝线工艺键合引起的焊线阻抗的等效电阻，电压表的检测电压为：[0040]V＝VCC-ic*R；[0041]ic＝VCC/(R+R1+R2+R3+RCE)；[0042]其中，R1为IGBT模块集电极C引脚的等效电阻；[0043]R2为焊线阻抗等效电阻；[0044]R3为IGBT模块发射极E的引脚等效电阻；[0045]RCE为IGBT模块的集电极C与发射极E之间的等效电阻；当IGBT模块处于饱和导通状态下，RCE接近于零；[0046]VCC为电源的输出电压；[0047]ic为集电极电流；[0048]而，实际集电极C与发射极E之间的饱和压降Vcesat：[0049]Vcesat＝Vcc-ic*(R+R1+R2+R3)；[0050]综上所述，集电极C与发射极E之间的饱和压降Vcesat与电压表的检测电压之间存在ic*(R1+R2+R3)的误差；且该误差随着集电极电流ic的增大而不断提高。基于此，本发明提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路及方法，旨在提高IGBT模块饱和压降的准确度。[0051]实施例一[0052]如图4所示，一方面，本发明提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，包括[0053]恒流源I，所述恒流源I的一端连接所述IGBT模块的集电极C，另一端连接所述IGBT模块的发射极E；恒流源I用以提供恒定的电流信号i。[0054]第一控制电路Vo，所述第一控制电路的一端连接所述IGBT模块的栅极G，另一端连接所述IGBT模块的发射极E；所述第一控制电路用以形成第一控制信号Vo，所述第一控制信号Vo可为PWM控制信号或锯齿波信号。[0055]电压检测装置，一端连接所述IGBT模块的集电极C，另一端连接所述IGBT模块的发
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射极E，其中连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，例如连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率十倍于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率。[0056]本发明中，第一控制电路输出第一控制信号Vo，IGBT模块的栅极G连接一第一控制信号Vo(第一控制信号V0相当于开启电压)，当开启电压大于IGBT模块的门限电压时，IGBT模块内部的场效应管Q1导通，则此时IGBT模块处于导通状态，开启电压继续驱动IGBT模块进入饱和导通状态，电流信号i经IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1流入IGBT模块，因IGBT模块处于饱和导通，恒流源I输出一电流信号i，电流信号i通过IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1、发射极E引脚的等效电阻R3、焊线阻抗的等效电阻R2、IGBT模块形成一个电流回路，同时电压检测装置与IGBT模块形成一电压回路，因连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，此时电压回路中的电流几乎为零，因连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，此时电压回路中的电流几乎为零，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1、发射极E引脚的等效电阻R3、焊线阻抗的等效电阻R2无法产生压降，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号。[0057]因电流信号i通过IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1、发射极E引脚的等效电阻R3、焊线阻抗的等效电阻R2、IGBT模块形成一个电流回路，同时电压检测装置与IGBT形成一电压回路，因连接于所述电压检测装置与所述集电极C、所述发射极E之间连接线的电阻率远远大于所述恒流源I与所述集电极C、发射极E之间的连接线的电阻率，此时电压回路中的电流几乎为零，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号IGBT模块集电极C引脚的等效电阻R1、发射极E引脚的等效电阻R3、焊线阻抗的等效电阻R2无法产生压降，则通过电压检测装置的电压信号即为饱和压降信号，大大提高了集电极C与发射极E之间的饱和压降检测的准确性。[0058]作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，所述恒流源I的电流可调节恒流源I。同时第一控制信号V0也可为可调节电压。[0059]实施例二[0060]因实施例一中，恒流源I为一可调节电流信号i，但是在电流信号i超过IGBT模块的额定电流时，IGBT模块工作于过流状态，此时集电极C与发射极E之间电压急剧上升，IGBT模块持续工作于过流状态的时间超过10us，则IGBT模块就会发生不可逆损坏。[0061]作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路基础之上，其中，还包括一第二控制电路，所述第二控制电路包括第一控制电阻RG1、第二控制电阻RG2、比较电路；[0062]所述比较电路的正向端连接所述第一控制电路V0，反向端连接所述第一控制电阻RG1与第二控制电阻RG2的连接点，输出端连接所述IGBT模块的栅极G。进一步地，所述第一控制电阻RG1连接于所述IGBT模块的栅极G与集电极C之间；所述第二控制电阻RG2连接于所述IGBT模块的栅极G与发射极E之间。
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CN 108205074 A[0063]
说 明 书
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当Vce两端的电压急剧上升至预定电压(预定电压匹配Vcesat的最大饱和压降)
时，第二控制电阻RG2上的电压上升，此时比较电路的反向端的电压大于正向端的电压，那么此时比较电路输出低电平，栅极G于低电平的作用下控制IGBT模块关断，避免IGBT模块被击穿。[0064]作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其中，所述第二控制电阻RG2的阻值十倍于所述第一控制电阻RG1的阻值。当所述第二控制电阻RG2的阻值十倍于所述第一控制电阻RG1的阻值，第一控制电阻RG1是加载的电压相对较小(间接地，第二控制电阻RG2分的压降相对较大)，接近于零电平状态，第一控制电阻RG1的压降越小，则IGBT模块的关断速度越快，进一步避免IGBT模块被击穿。[0065]需要说明的是，还包括一放大电路，此处不做具体介绍。[0066]列举一具体实施方式：其中第一控制信号电压为15V时[0067]根据该测试方法，得出的测试数据如下表1所示，具体地，
[0068]
栅极电压(V)集电极电流(A)Vce1(mV)Vce2(mV)误差(mV)151.063832.2821.211152.033930.9908.722.2153.043996.8964.232.6154.0481050.71008.742155.0061098.3104751.3[0069]表1[0070]检测波形如图6所示，当IGBT模块的集电极C电流Ic为1A时，采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为832.2mV；采用如图4所示的检测电路(即本发明提供的技术方案)，其Vce2的饱和压降为821.2mV；测试误差为11mV；[0071]当集电极C电流Ic为2A时，采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为930.9mV；采用如图4所示的检测电路，其Vce2的饱和压降为908.7mV；测试误差为22.2mV；[0072]检测波形如图7所示，当集电极C电流Ic为3A时，采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为996.8mV；采用如图4所示的检测电路，其Vce2的饱和压降为964.2mV；测试误差为32.6mV；[0073]当集电极C电流Ic为4A时,采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为1050.7mV；采用如图4所示的检测电路，其Vce2的饱和压降为1008.7mV；测试误差为42mV；[0074]检测波形如图8所示，当集电极C电流Ic为5A时,采用如图3所示的检测电路，其Vce1的饱和压降为1098.3mV；采用如图4所示的检测电路，其Vce2的饱和压降为1047mV；测试误差为51.3mV。[0075]综上所述，采用本发明提供的一种基于IGBT模块的饱和电压测量电路，其误差相对较小。[0076]实施例三[0077]如图9所示，另一方面，本发明再提供一种基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，[0078]步骤S01、于所述IGBT模块的发射极E、集电极C之间连接一电流信号；
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CN 108205074 A[0079]
说 明 书
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步骤S02、所述IGBT模块的栅极G于第一控制信号作用下处于饱和状态；
[0080]步骤S03、检测获取所述发射极E、集电极C之间的电压信号，并根据所述电压信号形成一饱和压降信号输出。[0081]作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，还包括，[0082]于所述IGBT模块的集电极、发射极之间的电压大于预定电压的状态，控制所述IGBT模块于第二控制信号的作用下关断。[0083]作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，所述控制信号为PWM信号或锯齿波。[0084]作为进一步优选实施方案，上述的基于IGBT模块的饱和电压测量方法，其中，所述恒流源为电流可调节恒流源。[0085]上述方法可执行本发明任意实施例所提供的电路，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。故此处对心率检测系统的工作原理不再赘述。[0086]注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
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说 明 书 附 图
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