一種半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，包括：提供輸入電壓的電壓輸入模塊；并聯(lián)于所述電壓輸入模塊的逆變模塊；對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣得到采樣電壓，并將所述采樣電壓及所述逆變模塊的輸出電壓做減法運(yùn)算得到所述逆變模塊中半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降的測(cè)試模塊。本發(fā)明是一種實(shí)時(shí)在線測(cè)試方法，可以更加及時(shí)準(zhǔn)確的反映結(jié)溫和集電極電流的變化所帶來(lái)導(dǎo)通壓降的變化；同時(shí)，采用基于霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使得電路的安全性大大提高；此外，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過(guò)測(cè)量直流母線電壓和輸出電壓的差來(lái)計(jì)算半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通電壓，大大降低了待測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，從而提高了測(cè)量的精度。
【專利說(shuō)明】一種半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電力電子控制領(lǐng)域，特別是涉及一種半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路。

【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體開關(guān)器件體積小、重量輕、耗電少、壽命長(zhǎng)、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于電源、電機(jī)控制、逆變器等領(lǐng)域，其性能的好壞決定了產(chǎn)品的優(yōu)劣。導(dǎo)通壓降是半導(dǎo)體開關(guān)器件的重要參數(shù)之一，直接關(guān)系到器件的輸出功率和輸出電流的能力，半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降越小，其承受的通態(tài)電流越大。另外，半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降還關(guān)系到器件工作時(shí)的溫升及自身的功耗，半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降越大，其溫升越高，器件的其它參數(shù)將急劇惡化，輕則降低器件壽命，重則立即損壞。
[0003]半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降是電路設(shè)計(jì)中比較重要的一個(gè)參數(shù)，半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降受結(jié)溫Tj和集電極電流Ic的影響，在實(shí)際電路工作中，結(jié)溫Tj和集電極電流Ic是不斷變化的，導(dǎo)致導(dǎo)通壓降不斷變化。因此，在線實(shí)時(shí)的測(cè)量半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降有利于準(zhǔn)確估計(jì)其損耗，從而提高以結(jié)溫或損耗為依據(jù)的保護(hù)策略的準(zhǔn)確性和有效性。
[0004]半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降也是其性能的一個(gè)表征，當(dāng)器件完全失效或損壞之前，其導(dǎo)通壓降往往會(huì)出現(xiàn)一定的變化，因此，準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)導(dǎo)通壓降將有助于提前預(yù)測(cè)器件的失效，從而在故障發(fā)生前就及時(shí)的預(yù)警并采取相應(yīng)的維護(hù)措施(或保護(hù)動(dòng)作)，以避免器件失效造成的更大損失。
[0005]此外，在功率變換器的某些高精度應(yīng)用時(shí)，半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降將影響變換器輸出電壓的精度，如果能準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)導(dǎo)通壓降，并將其在控制指令中加以補(bǔ)償，可以提高變換器的輸出精度和控制性能。
[0006]名為《基于飽和壓降測(cè)量的IGBT功率模塊狀態(tài)評(píng)估方法研究》的論文中，提出了一種直接測(cè)量開關(guān)器件的導(dǎo)通和截止電壓的電路1，如圖1所示，開關(guān)器件為絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT),所述 IGBT 與功率電阻 Rlj 及電源 Vc串聯(lián)連接，所述IGBT的控制端連接單脈沖觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生裝置11，將IGBT放入恒溫箱12，通過(guò)控制單脈沖觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度，使IGBT導(dǎo)通時(shí)間足夠短，導(dǎo)通損耗產(chǎn)生的結(jié)溫約1°C，相比于恒溫箱12的幾十度的溫度，完全可以忽略。給IGBT通以恒定的電流，將示波器13的兩個(gè)探頭分別連接于所述IGBT的集電極和發(fā)射極，就可以通過(guò)所述示波器13測(cè)得恒溫下的導(dǎo)通壓降。此方法的缺點(diǎn)是，由于半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降一般在幾伏，母線電壓卻高達(dá)幾百伏乃至更高，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)集電極和發(fā)射極的電壓Vce為導(dǎo)通壓降，關(guān)斷時(shí)為母線電壓，所以，如果直接測(cè)量Vce，則測(cè)量系統(tǒng)需要具備很高的動(dòng)態(tài)范圍和分辨率，在實(shí)時(shí)在線的測(cè)量場(chǎng)合，由于半導(dǎo)體開關(guān)器件的開關(guān)頻率可能高達(dá)幾十kHz甚至上百kHz，測(cè)量系統(tǒng)還需要很快的響應(yīng)速度。因此，這種方法適用于母線電壓不高，測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍不大的場(chǎng)合，而對(duì)于大功率變換器，其母線電壓可能在400V?4000V范圍，這種方法的準(zhǔn)確度較低。
[0007]另一種常見方法如圖2所示，半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路2采用鉗位電路解決動(dòng)態(tài)范圍的問(wèn)題，在半導(dǎo)體開關(guān)器件上并聯(lián)RDD甜位電路22。當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)器件受:脈沖產(chǎn)生電路21控制關(guān)斷時(shí)，幾百伏的母線通過(guò)電感向RDD鉗位電路22放電，穩(wěn)壓管222被反向擊穿，穩(wěn)壓于10V，示波器23測(cè)得的是二極管221導(dǎo)通電壓與1V穩(wěn)壓管222的和，約為10.7V;當(dāng)半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)，高壓母線通過(guò)電感向半導(dǎo)體開關(guān)器件放電，RDD鉗位電路22無(wú)電流流過(guò)，示波器23測(cè)量的就是半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降。此方法適用于離線測(cè)量，在實(shí)時(shí)在線測(cè)量的場(chǎng)合，由于其測(cè)量電路和功率主電路直接連接，沒(méi)有電氣上的隔離，因此其測(cè)量電路需要獨(dú)立的隔離電源供電，當(dāng)變換器中有多個(gè)器件需要監(jiān)測(cè)時(shí)，電路將變得非常復(fù)雜，而且可能會(huì)引入對(duì)主電路的干擾。
[0008]因此，如何通過(guò)簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)，在線、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地測(cè)量功率開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路準(zhǔn)確性低、響應(yīng)速度慢、電路復(fù)雜、抗干擾能力差、待測(cè)信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍大等問(wèn)題。
[0010]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路至少包括:
[0011]電壓輸入模塊、逆變模塊、測(cè)試模塊；
[0012]所述電壓輸入模塊用于提供輸入電壓；
[0013]所述逆變模塊并聯(lián)于所述電壓輸入模塊的兩端，包括若干個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件及負(fù)載，通過(guò)控制信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通使半導(dǎo)體開關(guān)器件及負(fù)載進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)；
[0014]所述測(cè)試模塊連接輸入電壓及所述逆變模塊的輸出電壓，包括采樣單元以及運(yùn)算單元；所述采樣單元連接所述輸入電壓，根據(jù)所述控制信號(hào)對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣得到采樣電壓，并輸出至所述運(yùn)算單元；所述運(yùn)算單元接收所述采樣單元輸出的采樣電壓及所述逆變模塊的輸出電壓，并將所述采樣單元輸出的采樣電壓及所述逆變模塊的輸出電壓做減法運(yùn)算，最終輸出所述逆變模塊中測(cè)試狀態(tài)下的半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降。
[0015]優(yōu)選地，所述電壓輸入模塊包括輸入電源及整流單元。
[0016]優(yōu)選地，還包括并聯(lián)于所述電壓輸入模塊兩端的第一電壓傳感器以及并聯(lián)于所述逆變模塊的負(fù)載兩端的第二電壓傳感器，所述輸入電壓及所述逆變模塊的輸出電壓通過(guò)電壓傳感器測(cè)量方式引入所述測(cè)試模塊。
[0017]優(yōu)選地，還包括并聯(lián)于所述電壓輸入模塊的電解電容。
[0018]優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件為絕緣柵雙極型晶體管。
[0019]優(yōu)選地，所述負(fù)載為電感。
[0020]優(yōu)選地，所述逆變模塊為單相全橋形式，包括第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第四橋臂以及負(fù)載。
[0021]更優(yōu)選地，所述采樣單元包括第一模擬開關(guān)、第二模擬開關(guān)、第一與門以及第二與門；所述第一與門的輸入端連接于所述第一橋臂及所述第四橋臂的控制端，當(dāng)所述第一橋臂及所述第四橋臂同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，所述第一與門控制所述第一模擬開關(guān)閉合；所述第二與門的輸入端連接于所述第二橋臂及所述第三橋臂的控制端，當(dāng)所述第二橋臂及所述第三橋臂同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，所述第二與門控制所述第二模擬開關(guān)閉合。
[0022]更優(yōu)選地，所述運(yùn)算單元為模擬加法器，所述第一模擬開關(guān)連接于所述模擬加法器的正向端，所述第二模擬開關(guān)連接于所述模擬加法器的反向端。
[0023]優(yōu)選地，還包括產(chǎn)生所述控制信號(hào)的控制信號(hào)產(chǎn)生模塊。
[0024]優(yōu)選地，還包括連接于所述測(cè)試模塊輸出端的放大器以及連接于所述放大器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)所述運(yùn)算電路輸出的導(dǎo)通壓降進(jìn)行處理后供下級(jí)電路使用。
[0025]優(yōu)選地，還包括連接于所述測(cè)試模塊輸出端的示波器，用于觀察所述運(yùn)算電路輸出的導(dǎo)通壓降。
[0026]如上所述，本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，具有以下有益效果:
[0027]1.本發(fā)明是一種實(shí)時(shí)在線的測(cè)量半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的方法，同離線非實(shí)時(shí)的方法相比，可以更加及時(shí)準(zhǔn)確的反映結(jié)溫和集電極電流的變化所帶來(lái)導(dǎo)通壓降的變化。
[0028]2.本發(fā)明采用基于霍爾效應(yīng)或其它方式實(shí)現(xiàn)電氣隔離的電壓傳感器，所以信號(hào)處理電路和待測(cè)主電路可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使得電路的安全性大大提高。
[0029]3.本發(fā)明只采用2個(gè)電壓傳感器、I個(gè)電流傳感器和I套測(cè)量電路，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)逆變器中所有參與逆變的半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通電壓的監(jiān)測(cè)，不需要每個(gè)開關(guān)器件都具備一個(gè)測(cè)量電路，大大簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性。
[0030]4.本發(fā)明通過(guò)測(cè)量直流母線電壓和輸出電壓的差來(lái)計(jì)算半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通電壓，大大降低了待測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，從而提高了測(cè)量的精度。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0031]圖1顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的直接測(cè)量開關(guān)器件的導(dǎo)通和截止電壓的電路示意圖。
[0032]圖2顯示為現(xiàn)有技術(shù)中的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路示意圖。
[0033]圖3顯示為本發(fā)明中的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路示意圖。
[0034]圖4?圖11顯示為本發(fā)明中的逆變模塊在各種測(cè)試狀態(tài)下的電路示意圖。
[0035]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0036]I直接測(cè)量開關(guān)器件的導(dǎo)通和截止電壓的電路
[0037]11單脈沖觸發(fā)信號(hào)產(chǎn)生裝置
[0038]12恒溫箱
[0039]13示波器
[0040]2半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路
[0041]21脈沖產(chǎn)生電路
[0042]22RDD鉗位電路
[0043]221二極管
[0044]222穩(wěn)壓管
[0045]23示波器
[0046]3半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路
[0047]31電壓輸入模塊
[0048]32逆變模塊
[0049]321負(fù)載
[0050]33測(cè)試模塊
[0051]331采樣單元
[0052]3311第一模擬開關(guān)
[0053]3312第二模擬開關(guān)
[0054]3313第一與門
[0055]3314第二與門
[0056]332運(yùn)算單元
[0057]34第一電壓傳感器
[0058]35第二電壓傳感器
[0059]36放大器
[0060]37模數(shù)轉(zhuǎn)換器
[0061]38示波器
[0062]C電解電容
[0063]L電感
[0064]Ql第一功率管
[0065]Q2第二功率管
[0066]Q3第三功率管
[0067]Q4第四功率管
[0068]Dl第一二極管
[0069]D2第二二極管
[0070]D3第三二極管
[0071]D4第四二極管
[0072]Vin輸入電壓
[0073]Vinl第一采樣電壓
[0074]Vin2第二采樣電壓
[0075]Vout逆變模塊輸出電壓
[0076]i電流

【具體實(shí)施方式】
[0077]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0078]請(qǐng)參閱圖3?圖11。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0079]如圖3所示，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路3，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路3至少包括:
[0080]電壓輸入模塊31、逆變模塊32、測(cè)試模塊33 ；
[0081]所述電壓輸入模塊31用于提供輸入電壓Vin ；
[0082]所述逆變模塊32并聯(lián)于所述電壓輸入模塊31的兩端，包括若干個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件及負(fù)載321，通過(guò)控制信號(hào)對(duì)所述半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通使半導(dǎo)體開關(guān)器件及負(fù)載進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)；
[0083]所述測(cè)試模塊33連接輸入電壓Vin及所述逆變模塊32的輸出電壓Vout，包括采樣單元331以及運(yùn)算單元332 ;所述采樣單元331連接于所述輸入電壓Vin，根據(jù)控制信號(hào)對(duì)輸入電壓Vin進(jìn)行采樣得到采樣電壓，并輸出至所述運(yùn)算單元332 ;所述運(yùn)算單元332接收所述采樣單元331輸出的采樣電壓及所述逆變模塊32的輸出電壓Vout，并將所述采樣單元331輸出的采樣電壓及所述逆變模塊32的輸出電壓Vout做減法運(yùn)算，最終輸出所述逆變模塊32中測(cè)試狀態(tài)下的半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降。
[0084]如圖3所示，所述電壓輸入模塊31包括輸入電源及整流單元。所述輸入電源為交流電，通過(guò)所述整流單元將所述交流電轉(zhuǎn)化為直流電輸出，所述輸入電壓Vin為直流母線電壓。
[0085]如圖3所示，還包括并聯(lián)于所述電壓輸入模塊31兩端的第一電壓傳感器34以及并聯(lián)于所述逆變模塊32的負(fù)載兩端的第二電壓傳感器35，所述輸入電壓Vin及所述逆變模塊32輸出電壓Vout通過(guò)所述第一電壓傳感器34及所述第二電壓傳感器35測(cè)量的方式引入所述測(cè)試模塊，實(shí)現(xiàn)所述逆變模塊32與所述測(cè)試模塊33的電氣隔離，使得電路的安全性大大提高，電氣隔離的原理基于霍爾效應(yīng)或其它方式，在本實(shí)施例中，所述逆變模塊32與所述測(cè)試模塊33基于霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電氣隔離。
[0086]如圖3所示，還包括并聯(lián)于所述電壓輸入模塊31的電解電容C，所述電解電容C用于對(duì)輸入電壓Vin進(jìn)行濾波。
[0087]所述半導(dǎo)體開關(guān)器件可以為M0SFET、GTR、GT0、IGBT類型的開關(guān)器件，但不僅限于這幾種類型，可以是任意類型的半導(dǎo)體開關(guān)器件，如圖3所示，在本實(shí)施例中，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件為絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)，所述絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等效為功率管及與所述功率管反向并聯(lián)的二極管。
[0088]所述負(fù)載321可以是各種阻性負(fù)載、感性負(fù)載、容性負(fù)載中的一種或幾種的組合，在本實(shí)施例中，所述負(fù)載321為電感L。所述負(fù)載通路中還串聯(lián)一個(gè)電流傳感器(圖中未顯示)，用于測(cè)量所述逆變模塊32的輸出電流，并觀察所述逆變模塊32中的電流方向。
[0089]所述逆變模塊32并聯(lián)于所述電壓輸入模塊31的兩端，消耗所述電壓輸入模塊31提供的電能。所述逆變模塊32可以是單相全橋、單相半橋、三相全橋、三相半橋形式，但不僅限于這幾種。如圖3所示，在本實(shí)施例中，所述逆變模塊32為單相全橋形式，所述單相全橋形式的逆變模塊32包括第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第四橋臂以及負(fù)載321，所述第一橋臂與所述第二橋臂串聯(lián)，所述第三橋臂與所述第四橋臂串聯(lián)后與所述第一橋臂及所述第二橋臂的支路并聯(lián)。各橋臂分別為I個(gè)IGBT類型的開關(guān)器件，各IGBT類型的開關(guān)器件包括I個(gè)功率管及與所述功率管反向并聯(lián)的I個(gè)二極管，各功率管為N型。具體地，如圖3所不，在所述第一橋臂中，第一功率管Ql的集電極連接于所述電壓輸入模塊31的輸出端、發(fā)射極連接于所述第二橋臂中第二功率管Q2的集電極；所述第一二極管Dl的負(fù)極連接于所述第一功率管Ql的集電極、正極連接于所述第一功率管Ql的發(fā)射極。在所述第二橋臂中，第二功率管Q2的集電極連接于所述第一橋臂中第一功率管Ql的發(fā)射極、發(fā)射極連接于所述電壓輸入模塊31的輸入端；所述第二二極管D2的負(fù)極連接于所述第二功率管Q2的集電極、正極連接于所述第二功率管Q2的發(fā)射極。在所述第三橋臂中，第三功率管Q3的集電極連接于所述電壓輸入模塊31的輸出端、發(fā)射極連接于所述第四橋臂中第四功率管Q4的集電極；所述第三二極管D3的負(fù)極連接于所述第三功率管Q3的集電極、正極連接于所述第三功率管Q3的發(fā)射極。在所述第四橋臂中，第四功率管Q4的集電極連接于所述第三橋臂中第三功率管Q3的發(fā)射極、發(fā)射極連接于所述電壓輸入模塊31的輸入端；所述第四二極管D4的負(fù)極連接于所述第四功率管Q4的集電極、正極連接于所述第四功率管Q4的發(fā)射極。所述負(fù)載321連接于所述第一橋臂及所述第二橋臂的連接結(jié)點(diǎn)與所述第三橋臂及所述第四橋臂的連接結(jié)點(diǎn)之間，在本實(shí)施例中，所述負(fù)載321為電感L。
[0090]所述測(cè)試模塊33包括采樣單元331以及運(yùn)算單元332。所述采樣單元331連接于所述輸入電壓Vin，根據(jù)控制信號(hào)對(duì)輸入電壓Vin進(jìn)行采樣得到采樣電壓，并輸出至所述運(yùn)算單元332。所述運(yùn)算單元332接收所述采樣單元331輸出的采樣電壓及所述逆變模塊32的輸出電壓，并將所述采樣單元331輸出的采樣電壓及所述逆變模塊32的輸出電壓做減法運(yùn)算，最終輸出所述逆變模塊32中測(cè)試狀態(tài)下的半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降。
[0091]如圖3所示，所述采樣單元331包括第一模擬開關(guān)3311、第二模擬開關(guān)3312、第一與門3313以及第二與門3314。所述運(yùn)算單元332為模擬加法器，所述模擬加法器包括I個(gè)正向輸入端及2個(gè)反向輸入端。所述第一模擬開關(guān)3311的一端連接于所述輸入電壓Vin、另一端連接于所述模擬加法器的正向端，所述第一與門3313的輸入端連接于所述第一橋臂及所述第四橋臂的控制端，當(dāng)所述第一橋臂及所述第四橋臂同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，所述第一與門3313控制所述第一模擬開關(guān)3311閉合，所述輸入電壓Vin經(jīng)采樣后輸出至所述模擬加法器的正向輸入端；所述第二模擬開關(guān)3312連接于所述模擬加法器的反向端，所述第二與門3314的輸入端連接于所述第二橋臂及所述第三橋臂的控制端，當(dāng)所述第二橋臂及所述第三橋臂同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，所述第二與門3314控制所述第二模擬開關(guān)3312閉合，所述輸入電壓Vin經(jīng)采樣后輸出至所述模擬加法器的反向輸入端。所述模擬加法器的另一個(gè)反向端連接所述逆變模塊32的輸出電壓Vout，所述模擬加法器根據(jù)不同的信號(hào)相位實(shí)現(xiàn)所述采樣單元331輸出的采樣電壓及所述逆變模塊32的輸出電壓Vout相減運(yùn)算，所述模擬加法器最終輸出的差值即為不同導(dǎo)通狀態(tài)下的各半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降。
[0092]在本實(shí)施例中，僅針對(duì)單相全橋形式的逆變模塊32做具體測(cè)試模塊33的闡述，針對(duì)不同的逆變模塊32形式，所述測(cè)試模塊33的具體形式也會(huì)發(fā)生變化，例如器件數(shù)量，信號(hào)端口等，但是總體實(shí)現(xiàn)的功能是不變的，具體電路形式也基本類似，在此不一一贅述。
[0093]還包括產(chǎn)生所述控制信號(hào)的控制信號(hào)產(chǎn)生模塊，所述控制信號(hào)同時(shí)控制所述逆變模塊32中各半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通及所述測(cè)試模塊33中各模擬開關(guān)的閉合，圖3中并未顯示所述控制信號(hào)產(chǎn)生模塊。
[0094]如圖3所示，還包括連接于所述測(cè)試模塊33輸出端的放大器36以及連接于所述放大器36的模數(shù)轉(zhuǎn)換器37，用于對(duì)所述測(cè)試模塊33輸出的導(dǎo)通壓降進(jìn)行處理后供下級(jí)電路使用，例如依據(jù)在線實(shí)時(shí)測(cè)得的導(dǎo)通壓降對(duì)后續(xù)電路做調(diào)整和補(bǔ)償以提高精度和控制性倉(cāng)泛。
[0095]如圖3所示，還包括連接于所述測(cè)試模塊33輸出端的示波器38，可更為直觀地觀察所述測(cè)試模塊33輸出的導(dǎo)通壓降，當(dāng)導(dǎo)通壓降出現(xiàn)異常變化時(shí)，有助于提前預(yù)測(cè)器件的失效，從而在故障發(fā)生前就及時(shí)的預(yù)警并采取相應(yīng)的維護(hù)措施(或保護(hù)動(dòng)作)，以避免器件失效造成的更大損失。
[0096]本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路3的工作原理如下:
[0097]為了實(shí)現(xiàn)測(cè)試模塊33與逆變模塊32的隔離，所述輸入電壓Vin及所述逆變模塊32的輸出電壓Vout均通過(guò)電壓傳感器得到。輸入電壓Vin為直流母線電壓，直流母線電壓信號(hào)由模擬開關(guān)控制。
[0098]圖4?圖11顯示為本發(fā)明中的所述逆變模塊32在各種測(cè)試狀態(tài)下的電路示意圖，圖中粗線為參加工作的電路部分，細(xì)線為未參加工作的電路部分。
[0099]當(dāng)控制信號(hào)中連接第一橋臂及連接第四橋臂的控制信號(hào)為高信號(hào)、連接第二橋臂及連接第三橋臂的控制信號(hào)為低信號(hào)時(shí)，如圖4?圖5所示，所述逆變模塊32中第一橋臂及第四橋臂導(dǎo)通，第二橋臂及第三橋臂截止。當(dāng)電流i正向流動(dòng)時(shí)，如圖4所示，所述第一功率管Ql及所述第四功率管Q4導(dǎo)通，所述第一二極管Dl及所述第四二極管D4截止，所述電解電容C向所述第一功率管Q1、所述第四功率管Q4及所述電感L放電，所述第一功率管Ql及所述第四功率管Q4進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)，所述逆變模塊32的輸出電壓Vout連接至所述模擬加法器的反向端。此時(shí)，如圖3所示，所述第一與門3313的控制信號(hào)全為高電平信號(hào)，所述第一模擬開關(guān)3311閉合,所述第一模擬開關(guān)3311將第一米樣電壓Vinl輸出至所述模擬加法器的正向端；所述第二與門3314的控制信號(hào)全為低電平信號(hào)，所述第二模擬開關(guān)3312斷開。所述模擬加法器得出所述第一采樣電壓Vinl與所述逆變模塊32輸出電壓的差值，即為所述第一功率管Ql與所述第四功率管Q4的導(dǎo)通壓降之和，即VQ1+VQ4 =Vinl - Vout。當(dāng)電流i反向流動(dòng)時(shí)，如圖5所示，所述第一功率管Ql及所述第四功率管Q4截止，所述第一二極管Dl及所述第四二極管D4導(dǎo)通，所述電感L向所述第一二極管Dl、所述第四二極管D4及所述電解電容C放電，所述第一二極管Dl及所述第四二極管D4進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)，所述逆變模塊32的輸出電壓Vout連接至所述模擬加法器的反向端。所述模擬加法器得出所述第一采樣電壓Vinl與所述逆變模塊32輸出電壓的差值，即為所述第一二極管Dl及所述第四二極管D4的導(dǎo)通壓降之和，即VD1+VD4 = Vinl 一 Vout。
[0100]當(dāng)控制信號(hào)中連接第二橋臂及連接第三橋臂的控制信號(hào)為高信號(hào)、連接第一橋臂及連接第四橋臂的控制信號(hào)為低信號(hào)時(shí)，如圖6?圖7所示，所述逆變模塊32中第二橋臂及第三橋臂導(dǎo)通，第一橋臂及第四橋臂截止。當(dāng)電流i正向流動(dòng)時(shí)，如圖6所示，所述第二二極管D2及所述第三二極管D3導(dǎo)通，所述第二功率管Q2及所述第三功率管Q3截止，所述電感L向所述第二二極管D2、所述第三二極管D3及所述電解電容C放電，所述第二二極管D2及所述第三二極管D3進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)，所述逆變模塊32的輸出電壓Vout連接至所述模擬加法器的反向端。此時(shí)，如圖3所示，所述第一與門3313的控制信號(hào)全為低電平信號(hào)，所述第一模擬開關(guān)3311斷開；所述第二與門3314的控制信號(hào)全為高電平信號(hào)，所述第二模擬開關(guān)3312閉合，所述第二模擬開關(guān)3312將第二采樣電壓Vin2輸出至所述模擬加法器的反向端。所述模擬加法器得出所述第二采樣電壓Vin2與所述逆變模塊32輸出電壓的差值，即為所述第二二極管D2與所述第三二極管D3的導(dǎo)通壓降之和，即VD2+VD3 =Vin2+Vout。當(dāng)電流i反向流動(dòng)時(shí)，如圖7所示，所述第二功率管Q2及所述第三功率管Q3導(dǎo)通，所述第二二極管D2及所述第三二極管D3截止，所述電解電容C向所述第二功率管Q2、所述第三功率管Q3及所述電感L放電，所述第二功率管Q2及所述第三功率管Q3進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)，所述逆變模塊32的輸出電壓Vout連接至所述模擬加法器的反向端。所述模擬加法器得出所述第二采樣電壓Vin2與所述逆變模塊32輸出電壓Vout的差值，即為所述第二功率管Q2及所述第三功率管Q3的導(dǎo)通壓降之和，即VQ2+VQ3 = Vin2+Vout。
[0101]當(dāng)控制信號(hào)中連接第一橋臂及連接第三橋臂的控制信號(hào)為高信號(hào)、連接第二橋臂及連接第四橋臂的控制信號(hào)為低信號(hào)時(shí)，如圖8?圖9所示，所述逆變模塊32中第一橋臂及第三橋臂導(dǎo)通，第二橋臂及第四橋臂截止。當(dāng)電流i正向流動(dòng)時(shí)，如圖8所示，所述第一功率管Ql及所述第三二極管D3導(dǎo)通，所述電感L向所述第一功率管Ql及所述第三二極管D3放電，所述第一功率管Ql及所述第三二極管D3進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)，所述逆變模塊32的輸出電壓Vout連接至所述模擬加法器的反向端。此時(shí)，如圖3所示，所述第一與門3313的控制信號(hào)不全為高電平信號(hào)，所述第一模擬開關(guān)3311斷開；所述第二與門3314的控制信號(hào)不全為高電平信號(hào)，所述第二模擬開關(guān)3312斷開。所述模擬加法器輸出即為所述第一功率管Ql與所述第三二極管D3的導(dǎo)通壓降之和，即VQ1+VD3 = Vout。當(dāng)電流i反向流動(dòng)時(shí)，如圖9所示，所述第一二極管Dl及所述第三功率管Q3導(dǎo)通，所述電感L向所述第一二極管Dl及所述第三功率管Q3放電，所述第一二極管Dl及所述第三功率管Q3進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)，所述逆變模塊32的輸出電壓Vout連接至所述模擬加法器的反向端。所述模擬加法器輸出即為所述第一二極管Dl及所述第三功率管Q3的導(dǎo)通壓降之和，即VD1+VQ3=Vout。
[0102]當(dāng)控制信號(hào)中連接第二橋臂及連接第四橋臂的控制信號(hào)為高信號(hào)、連接第一橋臂及連接第三橋臂的控制信號(hào)為低信號(hào)時(shí)，如圖10?圖11所示，所述逆變模塊32中第二橋臂及第四橋臂導(dǎo)通，第一橋臂及第三橋臂截止。當(dāng)電流i正向流動(dòng)時(shí)，如圖10所示，所述第二二極管D2及所述第四功率管Q4導(dǎo)通，所述電感L向所述第二二極管D2及所述第四功率管Q4放電，所述第二二極管D2及所述第四功率管Q4進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)，所述逆變模塊32的輸出電壓Vout連接至所述模擬加法器的反向端。此時(shí)，如圖3所示，所述第一與門3313的控制信號(hào)不全為高電平信號(hào)，所述第一模擬開關(guān)3311斷開；所述第二與門3314的控制信號(hào)不全為高電平信號(hào)，所述第二模擬開關(guān)3312斷開。所述模擬加法器輸出即為所述第二二極管D2及所述第四功率管Q4的導(dǎo)通壓降之和，即VD2+VQ4 = Vout。當(dāng)電流i反向流動(dòng)時(shí)，如圖11所示，所述第二功率管Q2及所述第四二極管D4導(dǎo)通，所述電感L向所述第二功率管Q2及所述第四二極管D4放電，所述第二功率管Q2及所述第四二極管D4進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)，所述逆變模塊32的輸出電壓Vout連接至所述模擬加法器的反向端。所述模擬加法器輸出即為所述第二功率管Q2及所述第四二極管D4的導(dǎo)通壓降之和，即VQ2+VD4=Vout。
[0103]當(dāng)電路中沒(méi)有電流i時(shí)，所述測(cè)試模塊輸出為O。所述第一采樣電壓Vinl及所述第二采樣電壓Vin2的幅值與所述輸入電壓Vin(直流母線電壓)一致，僅采樣的脈沖信號(hào)不同。
[0104]從上述的工作原理可以看出，根據(jù)電流i的方向和驅(qū)動(dòng)的邏輯信號(hào)，就可以分別實(shí)現(xiàn)對(duì)所述第一功率管Ql及所述第四功率管Q4、所述第一二極管Dl及所述第四二極管D4、所述第二功率管Q2及所述第三功率管Q3、所述第二二極管D2及所述第三二極管D3、所述第一功率管Ql及所述第三二極管D3、所述第一二極管Dl及所述第三功率管Q3、所述第二二極管D2及所述第四功率管Q4、所述第二功率管Q2及所述第四二極管D4的導(dǎo)通壓降的監(jiān)測(cè)，在所有的驅(qū)動(dòng)邏輯組合下，該測(cè)量電路的輸出為兩個(gè)功率管或兩個(gè)二極管或一個(gè)功率管和一個(gè)二極管的導(dǎo)通壓降之和，如圖4?圖11所示，通過(guò)所述逆變模塊32的輸出電壓Vout和所述第一采樣電壓Vinl、所述第二采樣電壓Vin2就可以得到功率管或者二極管的導(dǎo)通壓降。為了更清晰的顯示或使用，可以接到所述示波器38或通過(guò)所述放大器36及所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D變換，為下一級(jí)電路做準(zhǔn)備。不僅避免了示波器38通道飽和，而且實(shí)現(xiàn)了高精度、高準(zhǔn)確度在線實(shí)時(shí)測(cè)量。
[0105]本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路是一種實(shí)時(shí)在線方法，同離線非實(shí)時(shí)的方法相比，可以更加及時(shí)準(zhǔn)確的反映結(jié)溫和集電極電流的變化所帶來(lái)導(dǎo)通壓降的變化；同時(shí)，本發(fā)明采用基于霍爾效應(yīng)或其它方式實(shí)現(xiàn)電氣隔離的電壓傳感器，所以逆變模塊和測(cè)試模塊可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使得電路的安全性大大提高；而且，本發(fā)明采用簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)逆變器中所有參與逆變的半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通電壓的監(jiān)測(cè)，不需要每個(gè)開關(guān)器件都具備一個(gè)測(cè)量電路，大大簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性；此外，本發(fā)明通過(guò)測(cè)量直流母線電壓和輸出電壓的差來(lái)計(jì)算半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通電壓，大大降低了待測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，從而提聞了測(cè)量的精度。
[0106]綜上所述，本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，至少包括:電壓輸入模塊、逆變模塊、測(cè)試模塊；所述電壓輸入模塊用于提供輸入電壓；所述逆變模塊并聯(lián)于所述電壓輸入模塊的兩端，包括多個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件及負(fù)載，通過(guò)控制信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通使半導(dǎo)體開關(guān)器件進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)；所述測(cè)試模塊包括采樣單元以及運(yùn)算單元；所述采樣單元連接于所述輸入電壓，根據(jù)控制信號(hào)對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣得到采樣電壓，并輸出至所述運(yùn)算單元；所述運(yùn)算單元接收所述采樣單元輸出的采樣電壓及所述逆變模塊的輸出電壓，并將所述采樣單元輸出的采樣電壓及所述逆變模塊的輸出電壓做減法運(yùn)算，最終輸出所述逆變模塊中測(cè)試狀態(tài)下的半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降。本發(fā)明的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路是一種實(shí)時(shí)在線方法，同離線非實(shí)時(shí)的方法相比，可以更加及時(shí)準(zhǔn)確的反映結(jié)溫和集電極電流的變化所帶來(lái)導(dǎo)通壓降的變化；同時(shí)，本發(fā)明采用基于霍爾效應(yīng)或其它方式實(shí)現(xiàn)電氣隔離的電壓傳感器，所以信號(hào)處理電路和待測(cè)主電路可以實(shí)現(xiàn)電氣隔離，使得電路的安全性大大提高；而且，本發(fā)明采用簡(jiǎn)單電路實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)逆變器中所有參與逆變的半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通電壓的監(jiān)測(cè)，不需要每個(gè)開關(guān)器件都具備一個(gè)測(cè)量電路，大大簡(jiǎn)化了測(cè)量系統(tǒng)的復(fù)雜性；此外，本發(fā)明通過(guò)測(cè)量直流母線電壓和輸出電壓的差來(lái)計(jì)算半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通電壓，大大降低了待測(cè)信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍，從而提高了測(cè)量的精度。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0107]上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于，所述半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路至少包括: 電壓輸入模塊、逆變模塊、測(cè)試模塊； 所述電壓輸入模塊用于提供輸入電壓； 所述逆變模塊并聯(lián)于所述電壓輸入模塊的兩端，包括若干個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)器件及負(fù)載，通過(guò)控制信號(hào)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通使半導(dǎo)體開關(guān)器件及負(fù)載進(jìn)入導(dǎo)通壓降的測(cè)試狀態(tài)； 所述測(cè)試模塊連接輸入電壓及所述逆變模塊的輸出電壓，包括采樣單元以及運(yùn)算單元；所述采樣單元連接所述輸入電壓，根據(jù)所述控制信號(hào)對(duì)輸入電壓進(jìn)行采樣得到采樣電壓，并輸出至所述運(yùn)算單元；所述運(yùn)算單元接收所述采樣單元輸出的采樣電壓及所述逆變模塊的輸出電壓，并將所述采樣單元輸出的采樣電壓及所述逆變模塊的輸出電壓做減法運(yùn)算，最終輸出所述逆變模塊中測(cè)試狀態(tài)下的半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通壓降。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:所述電壓輸入模塊包括輸入電源及整流單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:還包括并聯(lián)于所述電壓輸入模塊兩端的第一電壓傳感器以及并聯(lián)于所述逆變模塊的負(fù)載兩端的第二電壓傳感器，所述輸入電壓及所述逆變模塊的輸出電壓通過(guò)電壓傳感器測(cè)量方式引入所述測(cè)試模塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:還包括并聯(lián)于所述電壓輸入模塊的電解電容。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:所述半導(dǎo)體開關(guān)器件為絕緣柵雙極型晶體管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:所述負(fù)載為電感。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:所述逆變模塊為單相全橋形式，包括第一橋臂、第二橋臂、第三橋臂、第四橋臂以及負(fù)載。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:所述采樣單元包括第一模擬開關(guān)、第二模擬開關(guān)、第一與門以及第二與門；所述第一與門的輸入端連接于所述第一橋臂及所述第四橋臂的控制端，當(dāng)所述第一橋臂及所述第四橋臂同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，所述第一與門控制所述第一模擬開關(guān)閉合；所述第二與門的輸入端連接于所述第二橋臂及所述第三橋臂的控制端，當(dāng)所述第二橋臂及所述第三橋臂同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，所述第二與門控制所述第二模擬開關(guān)閉合。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:所述運(yùn)算單元為模擬加法器，所述第一模擬開關(guān)連接于所述模擬加法器的正向端，所述第二模擬開關(guān)連接于所述模擬加法器的反向端。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:還包括產(chǎn)生所述控制信號(hào)的控制信號(hào)產(chǎn)生模塊。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:還包括連接于所述測(cè)試模塊輸出端的放大器以及連接于所述放大器的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于對(duì)所述運(yùn)算電路輸出的導(dǎo)通壓降進(jìn)行處理后供下級(jí)電路使用。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體開關(guān)器件導(dǎo)通壓降的測(cè)量電路，其特征在于:還包括連接于所述測(cè)試模塊輸出端的示波器，用于觀察所述運(yùn)算電路輸出的導(dǎo)通壓降。
【文檔編號(hào)】G01R31/327GK104181462SQ201410466345
【公開日】2014年12月3日 申請(qǐng)日期:2014年9月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月12日
【發(fā)明者】劉慧芳, 褚旭, 羅穎鵬 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海高等研究院, 上海聯(lián)影醫(yī)療科技有限公司