一种igbt模块内部键接线故障监测系统及其工作方法-山东科威数控机床有限公司

专利名称：一种igbt模块内部键接线故障监测系统及其工作方法
技术领域：
本发明涉及一种功率半导体器件的故障诊断技术领域，尤其是一种IGBT (绝缘栅
双极晶体管-1nsulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)模块内部键接线故障监
测系统及其工作方法。
背景技术：
随着电力电子技术的不断进步，电力电子系统在众多工业领域的作用日益突出，如电机传动、电动汽车、以及太阳能和风能等领域。电力电子系统应用领域的不断扩大，使得其可靠性、寿命、健康监测和预期维护变得非常重要。此外，电力电子系统的最易发生的故障点之一为功率半导体器件，因此研究功率半导体器件的可靠性对于增强系统的可靠性、延长其寿命具有重要的作用。在电力电子系统中，常用的功率开关器件是IGBT模块，这主要是考虑到下面几个优点1)IGBT模块可以用于在高电压大电流的环境下；2)IGBT模块具有快速的短路电流处理能力；3) IGBT模块属于压控型器件，故通过门极信号控制器件的开关动作较为容易。由于IGBT模块开关器件，承担着大电流和强电压的切换任务，故其工作条件易于引起一些应力的变化，特别是在高温环境下剧烈的温度波动对其内部的影响。IGBT模块内外部的温度波动是产生热机应力的本质原因，正是这一原因将使得模块结构产生老化损伤。相关研究的结果已经证实了 IGBT模块内外环境温度的周期变化可以导致键接线脱落、键接线跟部裂纹、焊料分层和芯片镀铝重构等问题。当上述现象发生时，IGBT模块甚至系统已经遭到不可逆转的损坏。故研究IGBT模块老化，且能预报某些位置点故障即将发生是非常必要的。基于此，寻求容易在线实时测量的，且能明确体现老化过程的外部标识参数是非常重要的。为了预报IGBT模块的系统故障，需要研究分析系统的故障类型。IGBT模块故障的产生与自身结构、温度、机械、材料、制作工艺等因素有关，其故障类型大约分为两大类一类为封装级故障，如焊料层疲劳、铝键接线断裂或剥离、DCB基片失效等；另一类为栅氧化层击穿、电过应力、辐射失效等器件级故障。上述故障中，键接线故障是最主要的故障类型之一。这主要是因为95%的功率半导体器件的内部连接方式为引线键合技术，且该项技术既具有可灵活地连接器件内部各部件的优点，又有其自身不可避免的缺点。键接线故障主要有两种一种是键接线跟部裂纹，另一种是键接线断裂。键接线的可靠性与键接线的直径粗细和起拱高度有关系。直径越粗键接线的可靠性越差，键接线的起拱高度越低其可靠性越低。此外，影响IGBT模块键接线可靠性的另一重要因素是自身温度的变化，而温度变化是较为随机的，且测温较为困难。因而研究IGBT键接线的脱落和根部裂纹需要提出一种有效的方法，这正是本发明要解决的技术问题。键接线断裂主要在IGBT和二极管镀铝层与键接线的焊接处。键接线焊接处损坏过程从焊接处裂缝开始，最终导致断裂。依据使用的材料和工作条件的不同，焊料处的老化过程收到多种因素的影响，因而芯片键接线失效机理的物理建模是非常困难的。但由于键接线将IGBT的射极和续流二极管的阳极与整个模块的射极相连接，所以键接线熔断引起的最直接后果为每个单元的一部分IGBT芯片的射极与模块的射极断开。这一点正是本发明解决键接线故障诊断的突破口。综上所述，监测IGBT模块键接线脱落故障是可以操作和实现的，但是也存在着的难以克服的困难，主要有1.功率半导体器件是密封的，判断键接线的故障与否不可以利用开启模块的方法;2.除少部分厂家的特性型号的功率半导体器件内部植入温度传感器外，通常使用的功率模块不可以在内部放置传感器来监测其健康状态；3.键接线的故障收到多种外界因素的影响，从故障成因去判断其故障状态较为困难；4.功率半导体器件故障的产生是一个短暂的时间过程，故要求故障监测系统或装置的监测速度要足够快；5.目前尚无成熟有效的手段和方面来完成功率半导体器件的故障监测。

发明内容
本发明的目的在于提供一种IGBT模块内部键接线故障监测系统及其工作方法，它可以克服现有技术的不足，是一种结构简单，故障检测速度快、精度高，有效性好的系统及方法。本发明的技术方案一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，包括IGBT功率半导体模块，其特征在于它是包括门极驱动及保护电路单元、集射电压和电流监测单元、门极电压监测单元、底板温度采集单元、控制器单元和人机界面显示单元；其中，所述集射电压和电流监测单元的输入端、门极电压监测单元的输入端和底板温度采集单元的输入端分别采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号、门极电压信号以及底板温度信号，它们的输出端连接控制器单元的输入端；所述控制器单元的输出端分别连接集射电压和电流监测单元的输入端、门极驱动及保护电路单元的输入端以及人机界面显示单元的输入端。所述IGBT功率半导体模块是基于PWM调制策略的IGBT功率半导体模块；所述IGBT功率半导体模块底部有铜底板，铜底板上安装有测温传感器，与IGBT功率半导体模块内部的DCB (Direct Copper Bonded——直接覆铜技术)基片相对应；所述底板温度监测模块的输入端监测所述IGBT功率半导体模块铜底板上对应的不同DCB基片位置处的温度信息；所述底板温度采集单元是将安装在不同位置处的测温传感器测量的温度信号，通过温度信号变送、转换，从而使得控制器单元可以获得温度信号。所述测温传感器是热电阻温度传感器；所述热电阻传感器直接贴在铜底板上，所述铜底板下方有散热器，散热器的上面有放置热电阻传感器的位置。所述IGBT功率半导体模块是双管封装共有4个DCB基片的IGBT功率半导体模块，它包括IGBT芯片A、IGBT芯片B、IGBT芯片C和IGBT芯片D ;其中，由IGBT芯片A和IGBT芯片B构成IGBT管A，IGBT芯片C和IGBT芯片D构成IGBT管B。所述控制器单元包括模数转换模块I、数据接口模块和故障诊断模块；其中，所述模数转换模块I的输入端分别连接集射电压和电流监测单元的输出端以及门极电压监测单元的输出端，同时与数据接口模块呈双向连接；所述数据接口模块与故障诊断模块呈双向连接的同时，其输入端还接收由底板温度采集单元输出的信号，其输出端将反馈信号回馈给集射电压和电流监测单元和门极驱动及保护电路单元。所述控制器单元采用芯片DSP TMS3202812。所述集射电压和电流监测单元是由集射电压和电流采集电路和信号调理模块I构成；其中集射电压和电流采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号以及接收控制器单元的反馈信号，其输出端连接信号调理模块I的输入端；所述信号调理模块I的输出端连接控制器单元的输入端。所述集射电压和电流采集电路是完成对IGBT功率半导体模块集电极和射极之间的电压、以及集电极电流的测量任务的电路模块；它是由集射电流的取样电阻Rs和继电器构成；所述信号调理模块I是由光电隔离单元A、光电隔离单元B、电阻R1、电阻R5、可变电阻R2、可变电阻R3、可变电阻R4、可变电阻R6、可变电阻R7、可变电阻R8、运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C和运算放大器D组成；所述IGBT功率半导体模块的集电极和射极之间的电压信号经继电器与信号调理模块I中的光电隔离单元A的一个输入端连接；所述IGBT功率半导体模块中集电极和射极之间流过的电流则通过取样电阻Rs取样后，作为集射极间电压和电流监测电路的输出信号，接入信号调理模块I中的光电隔离单元B的输入端以及光电隔离单元A的另一个输入端；所述光电隔离单元A的输出端经电阻Rl与运算放大器A的反向输入端连接；所述运算放大器A的反向端经可变电路R3与运算放大器A的输出端以及运算放大器B的反向输入端连接；所述运算放大器A的同向输入端则经可变电阻R2接地；所述运算放大器B的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经可变电阻R4接地；其输出端输出经过调理后的IGBT集射极间电压信号，该信号作为信号调理模块I的输出信号输入到控制器单元中的模数转换模块I的输入端；所述光电隔离单元B的输出端经电阻R5与运算放大器C的反向输入端连接；所述运算放大器C的反向输入端经可变电阻R7与其输出相连接，其同向输入端经可变电阻R6接地；其输出端连接运算放大器D的反向输入端；所述运算放大器D的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经过可变电阻R8接地，其输出端输出信号为表征集电极与射极流过的电流信号大小的电压信号，该电压为信号调理模块I的另一个输出信号输入到控制器单元中的模数转换模块I的输入端，并通过数据接口模块传送到故障诊断模块。所述光电隔离单元A和光电隔离单元B采用HCPL7840。所述运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C和运算放大器D选用AD844。所述门极电压监测单元是由门极电压采集电路和信号调理模块II构成；其中，所述门极电压采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的门极电压信号，其输出端连接信号调理模块II的输入端；所述信号调理模块II的输出端连接控制器单元的输入端。所述门极电压采集电路是实时测取IGBT功率半导体模块门极电压的电路，它是由电感Les、光电隔离单元C、光电隔离单元D、运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G、可变电阻R9组成；其中，所述电感Les —端连接IGBT功率半导体模块的射极同时连接光电隔离单元D的一个输入端；所述电感Les另一端连接光电隔离单元D的另一个输入端，同时接地；所述光电隔离单元C的一个输入端与IGBT功率半导体模块的门极连接，同时连接门极驱动及保护电路的输出端，其另一个输入端接地；所述光电隔离单元C的两个输出端分别连接运算放大器E的同向输入端和反向输入端；所述光电隔离单元D的两个输出端分别连接运算放大器F的同向输入端和反向输入端；所述运算放大器F的反向输入端经可变电阻R9与其输出端连接，其输出端连接运算放大器G的反向输入端；所述运算放大器G的正向输入端连接运算放大器E的输出端，其输出端连接信号调理模块II的输入端。所述信号调理模块II是由电阻R10、电阻R12、可变电阻Rll和运算放大器H构成；其中，所述运算放大器H的反向输入端经电阻RlO与运算放大器G的输出端连接，同时经可变电阻Rl I与其输出端连接，其正向输入端则经电阻Rl2接地，其输出端连接控制器单元的模数转换模块I的输入端。所述光电隔离单元C和光电隔离单元D采用HCPL7840。所述运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G和运算放大器H选用AD844。所述底板温度采集单元是由底板温度采集电路、温度变送模块、多路模拟信号选择开关和模数转换模块II构成；其中，所述底板温度采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的底板温度信号，其输出端连接温度变送模块的输入端；所述多路模拟信号选择开关的输入端接收温度变送模块送出的温度信号，将其输出到模数转换模块II中；所述模数转换模块II的输出端连接控制器单元的输入端。所述底板温度采集电路是由热电阻Rtl、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4构成；所述温度变送模块是由与4个热电阻相对应的4个温度变送器构成；所述多路模拟信号选择开关是由多路模拟信号选择开关芯片构成，它包括管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚S4B、管脚A0、管脚Al、管脚A2、管脚EN、管脚DB、管脚DA、管脚GND、管脚Vss ;所述模数转换模块II是由电容Cl、电容C2、AD转化器芯片和AD转化器构成；所述AD转化器芯片有管脚Vin ( + )A、管脚Vin ( + )B、管脚Vin (-)A、管脚Vin (-) B、管脚Vref、管脚AGND、管脚DGND、管脚DB0、管脚DBl、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8、管脚DB9 ;其中，所述IGBT功率半导体模块底板不同位置的温度由四个热电阻采集；所述热电阻RU、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4采用三线制接法分别接入与其对应的温度变送模块中的温度变送器中，所述温度变送器采用24V的直流电源供电；所述温度变送器输出的信号分别接入多路模拟信号选择开关芯片的管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚S4B ;所述多路模拟信号选择开关芯片采用12V的直流电源供电，其管脚A0、管脚Al、管脚A2和管脚EN连接控制器单元的数据接口模块，用于接收控制器单元发出的选择模拟信号通道的指令，其管脚GND与管脚Vss短接并接地；所述管脚DA、管脚DB作为多路模拟信号选择开关的输出端连接模数转换器芯片的输入端，即管脚Vin ( + )A、管脚Vin ( + )B、管脚Vin (-)A与管脚Vin (-)B;所述管脚Vin ( + )A和管脚Vin ( + ) B短接；所述管脚Vin (-)A和管脚Vin (-) B短接；所述AD转换器芯片的管脚AGND和管脚DGND短接并接地；所述管脚Vref与AD转化器的AD-E端连接，所述AD转化器的的AD+E端接+5V直流电压；所述AD转化器的AD-E端与地之间分别接电容Cl和电容C2 ;所述AD转换器芯片的管脚DB0、管脚DB1、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8以及管脚DB9连接控制器单元的数据接口模块的输入端，将温度数据传送到故障诊断模块；所述故障诊断模块经数据接口模块输出对AD转换器芯片和多路模拟信号选择开关芯片的控制指令。所述多路模拟信号选择开关芯片采用芯片ADG507A。所述AD转换器芯片采用芯片AD7580。
所述AD转换器采用AD580。所述电容Cl是电容量为10 μ F的有极性电容；所述电容C2是电容量为O.1yF的无极性电容。一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤(I)通过底板温度采集单元测量诊断IGBT功率半导体模块的DCB基片温度是否超温来判断模块中发生故障的DCB基片；①由底板温度采集单元对IGBT功率半导体模块中与每个IGBT管所在的DCB基片对应的温度传感器进行监测，将采集的底板温度信号通过温度变送模块、多路模拟信号选择开关输送到模数转换模块II中，将信号转换为控制器单元可以接受的信号，传送给控制器单元内置数据接口模块； ②数模装换模块2则将实时监测到的IGBT功率半导体模块的不同DCB基片对应的温度信号进行数模转换，并将模拟信号转化成数字信号，输出给控制器单元的数据接口模块，经过控制内的故障诊断模块，对故障进行分析和判别；③当实测底板温度与理想温度值相比过高时，证明与该DCB基片对应的IGBT芯片发生故障；④基于温度传感器热电阻RU、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4所测量的温度值，结合步骤③判断的的故障模式，由于热电阻Rtl、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4的布置位置为IGBT芯片所在的DCB基片下方对应的底板处，故较易于判断出发生故障的IGBT芯片所在的位置，可以初步判定IGBT功率半导体模块内部发生故障的IGBT管及IGBT管包含的故障的IGBT芯片。(2)通过采用门极和射极之间的电压测量信号诊断IGBT功率半导体模块内部发生故障的IGBT芯片是否为键接线落故障；①由门极电压监测单元对IGBT功率半导体模块内的IGBT的门极电压进行监测，并将该电压信号进行经光电信号调理模块II中的隔离和电平变换后，输出给控制器单元内部的模数转换模块I;②IGBT功率半导体模块射极外接小电感Les用于抵消IGBT功率半导体模块内部电感L6对门极电压信号测量精度的影响，两个小电感上的电压经过运放组成的差分输入电路后，得到精确的门极电压信号；③当实测门极电压信号与理想门极电压信号相比，其平台期持续时间减小时，证明该IGBT芯片为键接线脱落故障；如果平台持续时间不变，则需要通过步骤(3)的方法进一步判断；④只有当某一 IGBT芯片上的键接线全部脱落时，门极电压的平台期才会发生变化，故该步骤是用于键接线故障较严重的情况；如果键接线故障较轻微，则需要采用步骤
(3)来进一步判别；(3)通过采用集电极和射极之间的电压和电流测量信号诊断IGBT功率半导体模块内部发生故障的芯片是否为键接线脱落故障；①由集射电压和电流监测单元对IGBT功率半导体模块的集射集电压和电流进行监测；
②测量集射极间电压是在IGBT管导通时进行的，并通过继电器控制IGBT管的开通和关断来控制电压信号接通和断开；继电器的控制信号和IGBT管的门极PWM控制信号是一致的；当继电器闭合时，集射极间电压通过信号调理模块I接入控制器单元的模数转换模块I ;反之，如果继电器断开，集射电压不进行测量；③集射极流过的电流通过接入电路中的小阻值的取样电阻Rs将其变为电压形式，经信号隔离电路进行信号隔离，通过运放运算放大器构建的电路实现电平转换，最后接入控制的模数转换模块I中；④通过测量获得的集射电压和电流可以计算出实时的集电极与射极之间的寄生电感的数值，将该数值与健康的IGBT功率半导体模块的集电极和射极之间的寄生电感进行比较，可以判断出IGBT功率半导体模块内部的IGBT芯片故障类型是否为键接线故障；⑤为了确定IGBT功率半导体模块内部键接线故障的严重程度，即掌握键接线故障的数量，可以通过④步计算出的寄生电感量与每根键接线故障后的标定电感量相比对，从而计算出故障的键接线数量。所述步骤(I)的第③步中判别IGBT芯片故障的模式包括以下16种，设定当温度传感器所测温度值高于理想温度值时，定义为状态“I”；反之，定义为状态“O”；则当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0000”时，DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度均低于理想温度值时，此时IGBT功率半导体模块工作状态正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0001”时，DCB
基片D的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B的IGBT芯片D故障，IGBT管A工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0010”时，DCB
基片C的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B的IGBT芯片C故障，IGBT管A工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0011”时，DCB基片C和DCB基片D的温度均高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B的IGBT芯片C和IGBT芯片D均故障，IGBT管A工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0100”时，DCB基片B的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B故障，IGBT管B工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0101”时，DCB基片B和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片A和DCB基片C温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B、IGBT管B的IGBT芯片D均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0110”时，DCB基片B和DCB基片C的温度高于理想温度值，DCB基片A和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B、IGBT管B的IGBT芯片D发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0111”时，DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度均高于理想温度值，DCB基片A的温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B发生故障，IGBT管B的IGBT芯片C和IGBT芯片D均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“ 1000”时，DCB基片A的温度高于理想温度值，DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A发生故障，IGBT管B工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“ 1001”时，DCB基片A和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片B和DCB基片C温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A、IGBT管B的IGBT芯片D均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“ 1010”时，DCB基片A和DCB基片C的温度高于理想温度值，DCB基片B和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A、IGBT管B的IGBT芯片C均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“ 1011”时，DCB基片A、DCB基片C和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片B温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A发生故障，IGBT管B的IGBT芯片C和IGBT芯片D均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1100”时，DCB
基片A和DCB基片B的温度高于理想温度值，DCB基片C和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A和IGBT芯片B均发生故障，IGBT管B工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“ 1101”时，DCB
基片A、DCB基片B和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片C温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A和IGBT芯片B均发生故障，IGBT管B的IGBT芯片D发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“ 1110”时，DCB
基片A、DCB基片B和DCB基片C的温度高于理想温度值，DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A和IGBT芯片B均发生故障，IGBT管B的IGBT芯片C发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“ 1111”时，DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度均高于理想温度值，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A和IGBT管B均是完全故障状态。本发明的工作原理IGBT功率半导体模块内部键接线故障诊断的思路IGBT功率半导体模块是全封闭的结构，内部的故障信息无法从外观或者表面直接辨别出来。本发明从IGBT模块外部的可用电信号和温度信息两个角度相互配合的思路来完成对其内部键接线故障的实时诊断，具体包括首先，利用IGBT功率半导体模块底板处的温度信息来辨别其内部发生故障的DCB基片，从而初步判定该模块内部哪一个IGBT管的哪个IGBT芯片发生了故障。但是到底发生了何种故障？仅从这一温度信息中还是无法得知；其次，利用IGBT功率半导体模块内部键接线的连接规律，可发现键接线故障与模块的外部端子间的等效电容和寄生电感的大小直接相关。而等效电容和寄生电感又直接影响着IGBT功率半导体模块的极间电压和电流波形，故通过极间电压和电流的波形信息可以判断已经发生故障的IGBT芯片是不是属于键接线故障。在键接线故障已判定的前提下，本发明还要求判断出其故障的严重程度，即故障的键接线数量；再次，为了确定IGBT功率半导体模块内部键接线的故障数量，需研究不同键接线数量对IGBT功率半导体模块极间电压和电流，尤其是集电极和射极之间的电压和电流的影响。而极间电压和电流与键接线数量的影响关系是通过两极之间的寄生电感建立的；最后，基于上述二方面的研究思路，可以精确地判定IGBT功率半导体模块内部键接线故障的位置和程度，以便于给出相应的维护和处理措施。IGBT功率半导体模块内部键接线故障的相关理论及方法主要研究IGBT功率半导体模块内部键接线故障对极间等效电容和寄生电感的影响，具体包括首先，本发明研究键接线故障对门极与射极之间的集射极间等效电容的影响。提出将IGBT功率半导体模块内部键接线故障对门射极间等效电容的影响用于监测键接线故障。研究不同程度的键接线故障对极间等效电容的影响。构建不同键接线数量与故障程度的直接关系；其次，本发明研究键接线故障对门极与集电极之间的门集等效电容的影响。门集等效电容与键接线故障的关系与门射等效电容的机理类似，区别仅在于电信号表现形式上的差异。门集等效电容对PWM调制策略下的功率器件的门极电信号影响更易于检测到；最后，本发明研究键接线故障对集电极与射极之间的寄生电感的影响。本发明提出利用寄生电感来间接评估键接线的故障数量，即当不同数量的键接线故障时，集射极间的寄生电感会发生相应地变化，如果同时测取集射极间的电流，则可利用相关公式推断出键接线的故障数量。集射电压的测量是在IGBT功率半导体器件导通的时候测量的，因而需要设置一个继电器来控制检测电路的通断，继电器的控制信号由控制器发出。当继电器闭合时，集射电压通过信号调理模块I与控制器中的模数转换模块I相连接。集电极流过电流的测量需要在射极设置一个电阻值较小的电流取样电阻Rs，集电极电流流过取样电阻Rs时，会产生一个电压信号。这个表征电流值的电压信号经过信号调理模块I后接入控制器的模数转换模块I。门极电压的测量是实时测取门极电压信号，该信号经门极电压监测电路、信号调理模块II与控制器的模数转换模块II相连接。为了提高门极电压的测量精度，需要考虑射极寄生电感Le的影响。在IGBT功率半导体模块射极下方接入小电感Ly该电感量与射极寄生电感Le相等。将门极电压和Les两端的电压在门极电压监测电路内进行比较，以得到真实的门极电压信号。其中Les输出电压经光电隔离单元D与具有可调增益的运算放大器相连，目的为了调节Les两端的电压信号的幅值，使得Les的电压刚好补偿射极寄生电感Le产生的电压降。经过上述处理后，所得到实际的门极电压，经信号调理模块II送入控制器的模数转换模块I。信号调理模块I和信号调理模块II主要完成电平变换、信号隔离等工作任务。信号调理模块I主要完成信号隔离和电平变换功能。信号调理模块II主要完成电平变换功倉泛。模数转换模块I和模数转换模块II主要将模拟信号转换成数字信号。模数转换模块I用于将所检测的门极电压、集射电压和集电极电流转换为对应的数字信号。模数转换模块II用来将IGBT功率半导体模块的温度信号转换为相对应的数字信号。故障诊断模块是通过不同数据采集模块获得的信息，根据信息汇总后判别得出发生故障的部位。该模块是通过控制器的软件编程来实现的。本发明的优越性在于①是一种基于IGBT功率半导体模块外部可测电信号的、快速的、准确的故障监测方法可以对IGBT功率半导体模块内部键接线故障进行实时监测；③以IGBT功率半导体模块外部可测的电信号为监测对象，充分利用电信号的快速性，通过研究键接线故障对外部可测电信号的影响，实现对键接线故障的程度进行实时监测；④准确度较高，可以将其与现有的驱动板融合在一起，具有可商业化利用的前景该监测方案是以PWM控制策略为基础的，对于开关控制的功率半导体器件具有通用性。

图1为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的整体结构框图；图2-a、图2-b、图2_c为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中IGBT功率半导体模块底板温度测量及温度传感器布置示意图(其中，图2-a为开启外封装的IGBT模块内部结构俯视图；图2-b为开启外封装的IGBT模块内部结构侧视图；图2_c为IGBT模块测量底板温度的传感器布置位置图)；图3为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中集射电压和电流监测单元的电路结构示意图；图4为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中门极电压监测单元的电路结构不意图；图5为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中底板温度采集单元的电路结构不意图；图6为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的三相PWM整流器为例的IGBT功率半导体模块内部键接线故障监测系统结构原理图；图7为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统中IGBT功率半导体模块中IGBT芯片内部结构电容的分布示意图；图8为本发明所涉一种IGBT模块内部键接线故障监测系统在IkHz开关频率下的IGBT功率半导体模块的关断瞬间的Vm电压变化曲线示意图。其中，I为DCB基片A ;2为DCB基片B ;3为DCB基片C ;4为DCB基片D ；5为二极管芯片A ；6为二极管芯片B ；7为二极管芯片C ；8为二极管芯片D ;9为IGBT芯片A ; 10为IGBT芯片B ;11为IGBT芯片C ;12为IGBT芯片D ;13为IGBT管A;14为IGBT管B ;15为铜底板；16为散热器；17为热电阻Rtl ;18为热电阻Rt2 ;19为热电阻Rt3 ;20为热电阻Rt4;21为耗尽层边界；22为N-漂移区；23为N+缓冲层；24为P+射极；25为射极镀铝层；26为多晶硅；27为氧化物。
具体实施例方式实施例一种IGBT模块内部键接线故障监测系统(见图1)，包括IGBT功率半导体模块，其特征在于它是包括门极驱动及保护电路单元、集射电压和电流监测单元、门极电压监测单元、底板温度采集单元、控制器单元和人机界面显示单元；其中，所述集射电压和电流监测单元的输入端、门极电压监测单元的输入端和底板温度采集单元的输入端分别采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号、门极电压信号以及底板温度信号，它们的输出端连接控制器单元的输入端；所述控制器单元的输出端分别连接集射电压和电流监测单元的输入端、门极驱动及保护电路单元的输入端以及人机界面显示单元的输入端。
所述IGBT功率半导体模块(见图2)是基于PWM调制策略的IGBT功率半导体模块；所述IGBT功率半导体模块底部有铜底板15，铜底板15上安装有测温传感器17 20，与IGBT功率半导体模块内部的DCB (Direct Copper Bonded——直接覆铜技术)基片Al相对应；所述底板温度监测模块的输入端监测所述IGBT功率半导体模块铜底板15上对应的不同DCB基片位置处的温度信息；所述底板温度采集单元是将安装在不同位置处的测温传感器测量的温度信号，通过温度信号变送、转换，从而使得控制器单元可以获得温度信号。所述测温传感器(见图2)是热电阻温度传感器17 20 ;所述热电阻传感器17 20直接贴在铜底板15上，所述铜底板下方有散热器16，散热器16的上面有放置热电阻传感器17 20的位置。所述IGBT功率半导体模块(见图2)是双管封装共有4个DCB基片的IGBT功率半导体模块，它包括IGBT芯片Α9、IGBT芯片BIO、IGBT芯片Cll和IGBT芯片D12 ;其中，由IGBT芯片Α9和IGBT芯片BlO构成IGBT管Α13, IGBT芯片Cll和IGBT芯片D12构成IGBT管 Β14。·所述控制器单元(见图1)包括模数转换模块I、数据接口和故障诊断模块；其中，所述模数转换模块I的输入端分别连接集射电压和电流监测单元的输出端以及门极电压监测单元的输出端，同时与数据接口呈双向连接；所述数据接口与故障诊断模块呈双向连接的同时，其输入端还接收由底板温度采集单元输出的信号，其输出端将反馈信号回馈给集射电压和电流监测单元和门极驱动及保护电路单元。所述控制器单元采用芯片DSP TMS3202812 (见图3、图4、图5)。所述集射电压和电流监测单元(见图1、图3)是由集射电压和电流采集电路和信号调理模块I构成；其中集射电压和电流采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号以及接收控制器单元的反馈信号，其输出端连接信号调理模块I的输入端；所述信号调理模块I的输出端连接控制器单元的输入端。所述集射电压和电流采集电路(见图3)是完成对IGBT功率半导体模块集电极和射极之间的电压、以及集电极电流的测量任务的电路模块；它是由集射电流的取样电阻Rs和继电器构成；所述信号调理模块I是由光电隔离单元Α、光电隔离单元B、电阻R1、电阻R5、可变电阻R2、可变电阻R3、可变电阻R4、可变电阻R6、可变电阻R7、可变电阻R8、运算放大器Α、运算放大器B、运算放大器C和运算放大器D组成；所述IGBT功率半导体模块的集电极和射极之间的电压信号经继电器与信号调理模块II中的光电隔离单兀A的一个输入端连接；所述IGBT功率半导体模块中集电极和射极之间流过的电流则通过取样电阻Rs取样后，作为集射极间电压和电流监测电路的输出信号，接入信号调理模块I中的光电隔离单元B的光电耦合单元2的输入端以及光电隔离单元A的另一个输入端；所述光电隔离单元A的输出端经电阻Rl与运算放大器A的反向输入端连接；所述运算放大器A的反向端经可变电路R3与运算放大器A的输出端以及运算放大器B的反向输入端连接；所述运算放大器A的同向输入端则经可变电阻R2接地；所述运算放大器B的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经可变电阻R4接地；其输出端输出经过调理后的IGBT集射极间电压信号，该信号作为信号调理模块I的输出信号输入到控制器单元中的模数转换器2的输入端；所述光电隔离单元B的输出端经电阻R5与运算放大器C的反向输入端连接；所述运算放大器C的反向输入端经可变电阻R7与其输出相连接，其同向输入端经可变电阻R6接地；其输出端连接运算放大器D的反向输入端；所述运算放大器D的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经过可变电阻R8接地，其输出端输出信号为表征集电极与射极流过的电流信号大小的电压信号，该电压为信号调理模块I的另一个输出信号输入到控制器单元中的模数转换模块I的输入端，并通过数据接口模块传送到故障诊断模块。所述光电隔离单元A和光电隔离单元B采用HCPL7840 (见图3)。所述运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C和运算放大器D选用AD844(见图3)。所述门极电压监测单元(见图1、图4)是由门极电压采集电路和信号调理模块II构成；其中，所述门极电压采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的门极电压信号，其输出端连接信号调理模块II的输入端；所述信号调理模块II的输出端连接控制器单元的输入端。所述门极电压采集电路(见图4)是实时测取IGBT功率半导体模块门极电压的电路，它是由电感Les、光电隔离单元C、光电隔离单元D、运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G、可变电阻R9组成；其中，所述电感Les —端连接IGBT功率半导体模块的射极同时连接光电隔离单元D的一个输入端；所述电感Les另一端连接光电隔离单元D的另一个输入端，同时接地；所述光电隔离单元C的一个输入端与IGBT功率半导体模块的门极连接，同时连接门极驱动及保护电路的输出端，其另一个输入端接地；所述光电隔离单元C的两个输出端分别连接运算放大器E的同向输入端和反向输入端；所述光电隔离单元D的两个输出端分别连接运算放大器F的同向输入端和反向输入端；所述运算放大器F的反向输入端经可变电阻R9与其输出端连接，其输出端连接运算放大器G的反向输入端；所述运算放大器G的正向输入端连接运算放大器E的输出端，其输出端连接信号调理模块I的输入端。所述信号调理模块II (见图4)是由电阻R10、电阻R12、可变电阻Rll和运算放大器H构成；其中，所述运算放大器H的反向输入端经电阻RlO与运算放大器G的输出端连接，同时经可变电阻Rll与其输出端连接，其正向输入端则经电阻R12接地，其输出端连接控制器单元的模数转换模块I的输入端。所述光电隔离单元C和光电隔离单元D采用HCPL7840 (见图4)。所述运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G和运算放大器H选用AD844(见图4)。所述底板温度采集单元(见图1、图5)是由底板温度采集电路、温度变送模块、多路模拟信号选择开关和模数转换模块II构成；其中，所述底板温度采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的底板温度信号，其输出端连接温度变送模块的输入端；所述多路模拟信号选择开关的输入端接收温度变送模块送出的温度信号，将其输出到模数转换模块II中；所述模数转换模块II的输出端连接控制器单元的输入端。所述底板温度采集电路(见图5)是由热电阻Rtl、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4构成；所述温度变送模块是由与4个热电阻相对应的4个温度变送器构成；所述多路模拟信号选择开关是由多路模拟信号选择开关芯片构成，它包括管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚348、管脚40、管脚41、管脚42、管脚EN、管脚DB、管脚DA、管脚GND、管脚Vss ;所述模数转换模块II是由电容Cl、电容C2、AD转化器芯片和AD转化器构成；所述AD转化器芯片有管脚Vin ( + )A、管脚Vin ( + )B、管脚Vin (-)A、管脚Vin (-)B、管脚Vref、管脚AGND、管脚DGND、管脚DBO、管脚DB1、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8、管脚DB9 ;其中，所述IGBT功率半导体模块底板不同位置的温度由四个热电阻采集；所述热电阻Rtl、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4采用三线制接法分别接入与其对应的温度变送模块中的温度变送器中，所述温度变送器采用24V的直流电源供电；所述温度变送器输出的信号分别接入多路模拟信号选择开关芯片的管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚S4B ;所述多路模拟信号选择开关芯片采用12V的直流电源供电，其管脚A0、管脚Al、管脚A2和管脚EN连接控制器单元的数据接口模块，用于接收控制器单元发出的选择模拟信号通道的指令，其管脚GND与管脚Vss短接并接地；所述管脚DA、管脚DB作为多路模拟信号选择开关的输出端连接模数转换器芯片的输入端，即管脚Vin ( + )A、管脚Vin ( + )B、管脚Vin (-)A与管脚Vin (-)B;所述管脚Vin ( + )A和管脚Vin ( + ) B短接；所述管脚Vin (-)A和管脚Vin (-) B短接；所述AD转换器芯片的管脚AGND和管脚DGND短接并接地；所述管脚Vref与AD转化器的AD-E端连接，所述AD转化器的的AD+E端接+5V直流电压；所述AD转化器的AD-E端与地之间分别接电容Cl和电容C2 ;所述AD转换器芯片的管脚DB0、管脚DB1、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8以及管脚DB9连接控制器单元的数据接口模块的输入端，将温度数据传送到故障诊断模块；所述故障诊断模块经数据接口模块输出对AD转换器芯片和多路模拟信号选择开关芯片的控制指令。所述多路模拟信号选择开关芯片采用芯片ADG507A (见图5)。所述AD转换器芯片采用芯片AD7580 (见图5 )。所述AD转换器采用AD580 (见图5)。所述电容Cl是电容量为10 μ F的有极性电容；所述电容C2是电容量为O.1yF的无极性电容(见图5)。一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤(I)通过底板温度采集单元测量诊断IGBT功率半导体模块的DCB基片温度是否超温来判断模块中发生故障的DCB基片；①由底板温度采集单元对IGBT功率半导体模块中与每个IGBT管所在的DCB基片对应的温度传感器进行监测，将采集的底板温度信号通过温度变送模块、多路模拟信号选择开关输送到模数转换模块II中，将信号转换为控制器单元可以接受的信号，传送给控制器单元内置数据接口模块；②数模装换模块2则将实时监测到的IGBT功率半导体模块的不同DCB基片对应的温度信号进行数模转换，并将模拟信号转化成数字信号，输出给控制器单元的数据接口模块，经过控制内的故障诊断模块，对故障进行分析和判别；③当实测底板温度与理想温度值相比过高时，证明与该DCB基片对应的IGBT芯片发生故障；④基于温度传感器热电阻Rtl (17)、热电阻Rt2 (18)、热电阻Rt3 (19)和热电阻Rt4(20)所测量的温度值，结合步骤③判断的的故障模式，由于热电阻Rtl( 17)、热电阻Rt2(18)、热电阻Rt3(19)和热电阻Rt4(20)的布置位置为IGBT芯片所在的DCB基片下方对应的铜底板15处，故较易于判断出发生故障的IGBT芯片所在的位置，可以初步判定IGBT功率半导体模块内部发生故障的IGBT管及IGBT管包含的故障的IGBT芯片。(2)通过采用门极和射极之间的电压测量信号诊断IGBT功率半导体模块内部发生故障的IGBT芯片是否为键接线落故障；①由门极电压监测单元对IGBT功率半导体模块内的IGBT的门极电压进行监测，并将该电压信号进行经光电信号调理模块II中的隔离和电平变换后，输出给控制器单元内部的模数转换模块I;②IGBT功率半导体模块射极外接小电感Les用于抵消IGBT功率半导体模块内部电感L6对门极电压信号测量精度的影响，两个小电感上的电压经过运放组成的差分输入电路后，得到精确的门极电压信号；③当实测门极电压信号与理想门极电压信号相比，其平台期持续时间减小时，证明该IGBT芯片为键接线脱落故障；如果平台持续时间不变，则需要通过步骤(3)的方法进一步判断；④只有当某一 IGBT芯片上的键接线全部脱落时，门极电压的平台期才会发生变化，故该步骤是用于键接线故障较严重的情况；如果键接线故障较轻微，则需要采用步骤
(3)来进一步判别；(3)通过采用集电极和射极之间的电压和电流测量信号诊断IGBT功率半导体模块内部发生故障的芯片是否为键接线脱落故障；①由集射电压和电流监测单元对IGBT功率半导体模块的集射集电压和电流进行监测；②测量集射极间电压是在IGBT管导通时进行的，并通过继电器控制IGBT管的开通和关断来控制电压信号接通和断开；继电器的控制信号和IGBT管的门极PWM控制信号是一致的；当继电器闭合时，集射极间电压通过信号调理模块I接入控制器单元的模数转换模块I ;反之，如果继电器断开，集射电压不进行测量；③集射极流过的电流通过接入电路中的小阻值的取样电阻Rs将其变为电压形式，经信号隔离电路进行信号隔离，通过运放运算放大器构建的电路实现电平转换，最后接入控制的模数转换模块I中；④通过测量获得的集射电压和电流可以计算出实时的集电极与射极之间的寄生电感的数值，将该数值与健康的IGBT功率半导体模块的集电极和射极之间的寄生电感进行比较，可以判断出IGBT功率半导体模块内部的IGBT芯片故障类型是否为键接线故障；⑤为了确定IGBT功率半导体模块内部键接线故障的严重程度，即掌握键接线故障的数量，可以通过④步计算出的寄生电感量与每根键接线故障后的标定电感量相比对，从而计算出故障的键接线数量。所述步骤(I)的第③步中判别IGBT芯片故障的模式包括以下16种，设定当温度传感器所测温度值高于理想温度值时，定义为状态“I”；反之，定义为状态“O”；则当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0000”时，DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度均低于理想温度值时，此时IGBT功率半导体模块工作状态正常；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0001”时，
DCB基片D4的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B14的IGBT芯片D12故障，IGBT管A13工作正常；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0010”时，
DCB基片C3的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B14的IGBT芯片Cll故障，IGBT管A13工作正常；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0011”时，
DCB基片C3和DCB基片D4的温度均高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B14的IGBT芯片Cll和IGBT芯片D12均故障，IGBT管A13工作
正常；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0100”时，
DCB基片B2的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片BlO故障，IGBT管B14工作正常；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0101”时，DCB基片B2和DCB基片D4的温度高于理想温度值，DCB基片Al和DCB基片C3温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片BIO、IGBT管B14的IGBT芯片D12均发生故障；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0110”时，DCB基片B2和DCB基片C3的温度高于理想温度值，DCB基片Al和DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片BIO、IGBT管B14的IGBT芯片D12
发生故障；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“0111”时，DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度均高于理想温度值，DCB基片Al的温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片BlO发生故障，IGBT管B14的IGBT芯片Cll和IGBT芯片D12均发生故障；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“ 1000”时，DCB基片Al的温度高于理想温度值，DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9发生故障，IGBT管B14工作正常；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“ 1001”时，DCB基片Al和DCB基片D4的温度高于理想温度值，DCB基片B2和DCB基片C3温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9、IGBT管B14的IGBT芯片D12均发生故障；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“ 1010”时，
DCB基片Al和DCB基片C3的温度高于理想温度值，DCB基片B2和DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9、IGBT管B14的IGBT芯片Cll均
发生故障；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“ 1011”时，DCB基片Al、DCB基片C3和DCB基片D4的温度高于理想温度值，DCB基片B2温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9发生故障，IGBT管B14的IGBT芯片Cll和IGBT芯片D12均发生故障；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“ 1100”时，DCB基片Al和DCB基片B2的温度高于理想温度值，DCB基片C3和DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9和IGBT芯片BlO均发生故障，IGBT管B14工作正常；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“ 1101”时，DCB基片Al、DCB基片B2和DCB基片D4的温度高于理想温度值，DCB基片C3温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9和IGBT芯片BlO均发生故障，IGBT管B14的IGBT芯片D12发生故障；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“ 1110”时，DCB基片Al、DCB基片B2和DCB基片C3的温度高于理想温度值，DCB基片D4温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13的IGBT芯片A9和IGBT芯片BlO均发生故障，IGBT管B14的IGBT芯片Cll发生故障；当DCB基片A1、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度状态为“ 1111”时，DCB基片Al、DCB基片B2、DCB基片C3和DCB基片D4的温度均高于理想温度值，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A13和IGBT管B14均是完全故障状态。下面结合附图和实例对本发明做进一步介绍本发明实例为面向电力电子系统中功率半导体器件的故障诊断方法及其系统的实现，该诊断方法需要四个步骤来完成。该系统是由图1的各部分模块所构成。第一步诊断IGBT功率半导体模块的发生故障的IGBT芯片。图2给出了某种型号的IGBT功率半导体模块内部结构图。该模块是双管封装的，共有4块DCB基片。每块DCB基片上面焊有一片IGBT芯片和一片二极管芯片，IGBT芯片A9和IGBT芯片BlO构成IGBT管A13, IGBT芯片Cll和IGBT芯片D12构成IGBT管B14。IGBT功率半导体模块内部IGBT芯片故障诊断的策略是温度是否超温，其测量方案如图2所示。在IGBT功率半导体模块内部DCB基片对应的底板下方布置了 4个测温传感器Rtl-Rt4，这四个温度传感器实时测取底板温度，并送入故障处理模块，在模块中与正常工作时的理想温度值比较，如果温度过高，则证明该IGBT芯片故障。具体的测温电路如图5所示。在此步骤，需要理论计算IGBT功率半导体模块的理想温度值。其计算方法为1)构建IGBT功率半导体模块的传热模型；2)计算IGBT功率半导体模块内部热源的生热量；
3)计算IGBT功率半导体模块底板的理想温度。第二步诊断IGBT功率半导体模块底板温度异常的故障类型。前述温度测量方案只能判定IGBT功率半导体模块内部哪一个IGBT芯片处于故障状态，至于是不是键接线故障，尚不能确定。为了进一步确定温度异常升高是键接线故障，可以采用门射和门集之间的极间等效电容来判断。IGBT芯片的内部结构如图7所示。从图7中可看出，门射等效电容Cge是由两大部分组成，一部分是由于门极多晶硅26和N+区域形成的结构电容ICms和结构电容2CS ;另一部分是门极多晶硅26和P阱区域的的边缘形成的结构电容3C·和结构电容4C。。结构电容2 Cs和结构电容4 C。是分别由门极下的N+区域和P阱形成的耗尽区域电容。四个与Cge相关的内部结构电容的具体形式和结构如图7所示。依据图7，门射等效电容Cge可以通过下式计算
权利要求
1.一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，包括IGBT功率半导体模块，其特征在于它是包括门极驱动及保护电路单元、集射电压和电流监测单元、门极电压监测单元、底板温度采集单元、控制器单元和人机界面显示单元；其中，所述集射电压和电流监测单元的输入端、门极电压监测单元的输入端和底板温度采集单元的输入端分别采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号、门极电压信号以及底板温度信号，它们的输出端连接控制器单元的输入端；所述控制器单元的输出端分别连接集射电压和电流监测单元的输入端、门极驱动及保护电路单元的输入端以及人机界面显示单元的输入端。
2.根据权利要求I所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述IGBT功率半导体模块是基于PWM调制策略的IGBT功率半导体模块；所述IGBT功率半导体模块底部有铜底板，铜底板上安装有测温传感器，与IGBT功率半导体模块内部的DCB基片相对应；所述底板温度监测模块的输入端监测所述IGBT功率半导体模块铜底板上对应的不同DCB基片位置处的温度信息；所述底板温度采集单元是将安装在不同位置处的测温传感器测量的温度信号，通过温度信号变送、转换，从而使得控制器单元可以获得温度信号。
3.根据权利要求2所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述测温传感器是热电阻温度传感器；所述热电阻传感器直接贴在铜底板上，所述铜底板下方有散热器，散热器的上面有放置热电阻传感器的位置。
4.根据权利要求I所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述IGBT功率半导体模块是双管封装共有4个DCB基片的IGBT功率半导体模块，它包括IGBT芯片A、IGBT芯片B、IGBT芯片C和IGBT芯片D ;其中，由IGBT芯片A和IGBT芯片B构成IGBT管A，IGBT芯片C和IGBT芯片D构成IGBT管B。
5.根据权利要求I所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述控制器单元包括模数转换模块I、数据接口模块和故障诊断模块；其中，所述模数转换模块I的输入端分别连接集射电压和电流监测单元的输出端以及门极电压监测单元的输出端，同时与数据接口模块呈双向连接；所述数据接口模块与故障诊断模块呈双向连接的同时，其输入端还接收由底板温度采集单元输出的信号，其输出端将反馈信号回馈给集射电压和电流监测单元和门极驱动及保护电路单元。
6.根据权利要求I所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述集射电压和电流监测单元是由集射电压和电流采集电路和信号调理模块I构成；其中集射电压和电流采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的集射极电压电流信号以及接收控制器单元的反馈信号，其输出端连接信号调理模块I的输入端；所述信号调理模块I的输出端连接控制器单元的输入端；所述集射电压和电流采集电路是完成对IGBT功率半导体模块集电极和射极之间的电压、以及集电极电流的测量任务的电路模块；它是由集射电流的取样电阻Rs和继电器构成；所述信号调理模块I是由光电隔离单元A、光电隔离单元B、电阻R1、电阻R5、可变电阻R2、可变电阻R3、可变电阻R4、可变电阻R6、可变电阻R7、可变电阻R8、运算放大器A、运算放大器B、运算放大器C和运算放大器D组成；所述IGBT功率半导体模块的集电极和射极之间的电压信号经继电器与信号调理模块I中的光电隔离单元A的一个输入端连接；所述IGBT功率半导体模块中集电极和射极之间流过的电流则通过取样电阻Rs取样后，作为集射极间电压和电流监测电路的输出信号，接入信号调理模块I中的光电隔离单元B的输入端以及光电隔离单元A的另一个输入端；所述光电隔离单元A的输出端经电阻Rl与运算放大器A的反向输入端连接；所述运算放大器A的反向端经可变电路R3与运算放大器A的输出端以及运算放大器B的反向输入端连接；所述运算放大器A的同向输入端则经可变电阻R2接地；所述运算放大器B的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经可变电阻R4接地；其输出端输出经过调理后的IGBT集射极间电压信号，该信号作为信号调理模块I的输出信号输入到控制器单元中的模数转换模块I的输入端；所述光电隔离单元B的输出端经电阻R5与运算放大器C的反向输入端连接；所述运算放大器C的反向输入端经可变电阻R7 与其输出相连接，其同向输入端经可变电阻R6接地；其输出端连接运算放大器D的反向输入端；所述运算放大器D的反向输入端与输出端短接，其同向输入端经过可变电阻R8接地，其输出端输出信号为表征集电极与射极流过的电流信号大小的电压信号，该电压为信号调理模块I的另一个输出信号输入到控制器单元中的模数转换模块I的输入端，并通过数据接口模块传送到故障诊断模块。
7.根据权利要求I所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于门极电压监测单元是由门极电压采集电路和信号调理模块II构成；其中，所述门极电压采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的门极电压信号，其输出端连接信号调理模块II的输入端；所述信号调理模块II的输出端连接控制器单元的输入端；所述门极电压采集电路是实时测取IGBT功率半导体模块门极电压的电路，它是由电感Les、光电隔离单元C、光电隔离单元D、运算放大器E、运算放大器F、运算放大器G、可变电阻R9组成；其中，所述电感Les —端连接IGBT功率半导体模块的射极同时连接光电隔离单元D的一个输入端；所述电感Les另一端连接光电隔离单元D的另一个输入端，同时接地；所述光电隔离单元C的一个输入端与IGBT功率半导体模块的门极连接，同时连接门极驱动及保护电路的输出端，其另一个输入端接地；所述光电隔离单元C的两个输出端分别连接运算放大器E的同向输入端和反向输入端；所述光电隔离单元D的两个输出端分别连接运算放大器F的同向输入端和反向输入端；所述运算放大器F的反向输入端经可变电阻R9与其输出端连接，其输出端连接运算放大器G的反向输入端；所述运算放大器G的正向输入端连接运算放大器E的输出端，其输出端连接信号调理模块II的输入端；所述信号调理模块II是由电阻R10、电阻R12、可变电阻Rll和运算放大器H构成；其中，所述运算放大器H的反向输入端经电阻RlO与运算放大器G的输出端连接，同时经可变电阻Rll与其输出端连接，其正向输入端则经电阻R12接地，其输出端连接控制器单元的模数转换模块I的输入端。
8.根据权利要求I所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于所述底板温度采集单元是由底板温度采集电路、温度变送模块、多路模拟信号选择开关和模数转换模块II构成；其中，所述底板温度采集电路的输入端采集IGBT功率半导体模块的底板温度信号，其输出端连接温度变送模块的输入端；所述多路模拟信号选择开关的输入端接收温度变送模块送出的温度信号，将其输出到模数转换模块II中；所述模数转换模块II的输出端连接控制器单元的输入端；所述底板温度采集电路是由热电阻Rtl、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4构成；所述温度变送模块是由与4个热电阻相对应的4个温度变送器构成；所述多路模拟信号选择开关是由多路模拟信号选择开关芯片构成，它包括管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚S4B、管脚AO、管脚Al、管脚A2、管脚EN、管脚DB、管脚DA、管脚GND、管脚Vss ;所述模数转换模块II是由电容Cl、电容C2、AD转化器芯片和AD转化器构成；所述AD转化器芯片有管脚Vin ( + )A、管脚Vin ( + )B、管脚Vin (-)A、管脚Vin (-)B、管脚Vref、管脚AGND、管脚DGND、管脚DB0、管脚DB1、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8、管脚DB9 ;其中，所述IGBT功率半导体模块底板不同位置的温度由四个热电阻采集；所述热电阻Rt I、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4采用三线制接法分别接入与其对应的温度变送模块中的温度变送器中，所述温度变送器采用24V的直流电源供电；所述温度变送器输出的信号分别接入多路模拟信号选择开关芯片的管脚S1A、管脚S1B、管脚S2A、管脚S2B、管脚S3A、管脚S3B、管脚S4A、管脚S4B ;所述多路模拟信号选择开关芯片采用12V的直流电源供电，其管脚A0、管脚Al、管脚A2和管脚EN连接控制器单元的数据接口模块，用于接收控制器单元发出的选择模拟信号通道的指令，其管脚GND与管脚Vss短接并接地；所述管脚DA、管脚DB作为多路模拟信号选择开关的输出端连接模数转换器芯片的输入端，即管脚Vin ( + )A、管脚Vin ( + )B、管脚Vin (-)A与管脚Vin (-)B;所述管脚Vin ( + )A和管脚Vin ( + )B短接；所述管脚Vin (-)A和管脚Vin (_)B短接；所述AD转换器芯片的管脚AGND和管脚DGND短接并接地；所述管脚Vref与AD转化器的AD-E端连接，所述AD转化器的的AD+E端接+5V直流电压；所述AD转化器的AD-E端与地之间分别接电容Cl和电容C2 ;所述AD转换器芯片的管脚DB0、管脚DB1、管脚DB2、管脚DB3、管脚DB4、管脚DB5、管脚DB6、管脚DB7、管脚DB8以及管脚DB9连接控制器单元的数据接口模块的输入端，将温度数据传送到故障诊断模块；所述故障诊断模块经数据接口模块输出对AD转换器芯片和多路模拟信号选择开关芯片的控制指令。
9.一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的工作方法，其特征在于它包括以下步骤 (1)通过底板温度采集单元测量诊断IGBT功率半导体模块的DCB基片温度是否超温来判断模块中发生故障的DCB基片； ①由底板温度采集单元对IGBT功率半导体模块中与每个IGBT管所在的DCB基片对应的温度传感器进行监测，将采集的底板温度信号通过温度变送模块、多路模拟信号选择开关输送到模数转换模块II中，将信号转换为控制器单元可以接受的信号，传送给控制器单元内置数据接口模块； ②数模装换模块2则将实时监测到的IGBT功率半导体模块的不同DCB基片对应的温度信号进行数模转换，并将模拟信号转化成数字信号，输出给控制器单元的数据接口模块，经过控制内的故障诊断模块，对故障进行分析和判别； ③当实测底板温度与理想温度值相比过高时，证明与该DCB基片对应的IGBT芯片发生故障； ④基于温度传感器热电阻Rtl、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4所测量的温度值，结合步骤③判断的的故障模式，由于热电阻Rtl、热电阻Rt2、热电阻Rt3和热电阻Rt4的布置位置为IGBT芯片所在的DCB基片下方对应的底板处，故较易于判断出发生故障的IGBT芯片所在的位置，可以初步判定IGBT功率半导体模块内部发生故障的IGBT管及IGBT管包含的故障的IGBT芯片。
(2)通过采用门极和射极之间的电压测量信号诊断IGBT功率半导体模块内部发生故障的IGBT芯片是否为键接线落故障；①由门极电压监测单元对IGBT功率半导体模块内的IGBT的门极电压进行监测，并将该电压信号进行经光电信号调理模块II中的隔离和电平变换后，输出给控制器单元内部的模数转换模块I ;②IGBT功率半导体模块射极外接小电感Les用于抵消IGBT功率半导体模块内部电感L6对门极电压信号测量精度的影响，两个小电感上的电压经过运放组成的差分输入电路后，得到精确的门极电压信号；③当实测门极电压信号与理想门极电压信号相比，其平台期持续时间减小时，证明该 IGBT芯片为键接线脱落故障；如果平台持续时间不变，则需要通过步骤(3)的方法进一步判断；④只有当某一IGBT芯片上的键接线全部脱落时，门极电压的平台期才会发生变化，故该步骤是用于键接线故障较严重的情况；如果键接线故障较轻微，则需要采用步骤(3)来进一步判别；(3)通过采用集电极和射极之间的电压和电流测量信号诊断IGBT功率半导体模块内部发生故障的芯片是否为键接线脱落故障；①由集射电压和电流监测单元对IGBT功率半导体模块的集射集电压和电流进行监测；②测量集射极间电压是在IGBT管导通时进行的，并通过继电器控制IGBT管的开通和关断来控制电压信号接通和断开；继电器的控制信号和IGBT管的门极PWM控制信号是一致的；当继电器闭合时，集射极间电压通过信号调理模块I接入控制器单元的模数转换模块 I ;反之，如果继电器断开，集射电压不进行测量；③集射极流过的电流通过接入电路中的小阻值的取样电阻Rs将其变为电压形式，经信号隔离电路进行信号隔离，通过运放运算放大器构建的电路实现电平转换，最后接入控制的模数转换模块I中；④通过测量获得的集射电压和电流可以计算出实时的集电极与射极之间的寄生电感的数值，将该数值与健康的IGBT功率半导体模块的集电极和射极之间的寄生电感进行比较，可以判断出IGBT功率半导体模块内部的IGBT芯片故障类型是否为键接线故障；⑤为了确定IGBT功率半导体模块内部键接线故障的严重程度，即掌握键接线故障的数量，可以通过④步计算出的寄生电感量与每根键接线故障后的标定电感量相比对，从而计算出故障的键接线数量。
10.根据权利要求9所述一种IGBT模块内部键接线故障监测系统的工作方法，其特征在于所述步骤(I)的第③步中判别IGBT芯片故障的模式包括以下16种，设定当温度传感器所测温度值高于理想温度值时，定义为状态“I”；反之，定义为状态“O”;则当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0000”时，DCB基片 A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度均低于理想温度值时，此时IGBT功率半导体模块工作状态正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0001”时，DCB基片 D的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B 的IGBT芯片D故障，IGBT管A工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0010”时，DCB基片C的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B的IGBT芯片C故障，IGBT管A工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0011”时，DCB基片C和DCB基片D的温度均高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管B的IGBT芯片C和IGBT芯片D均故障，IGBT管A工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0100”时，DCB基片B的温度高于理想温度值，其他DCB基片温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B故障，IGBT管B工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0101”时，DCB基片B和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片A和DCB基片C温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B、IGBT管B的IGBT芯片D均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0110”时，DCB基片B和DCB基片C的温度高于理想温度值，DCB基片A和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B、IGBT管B的IGBT芯片D发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“0111”时，DCB基片B,DCB基片C和DCB基片D的温度均高于理想温度值，DCB基片A的温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片B发生故障，IGBT管B的IGBT芯片C和IGBT芯片D均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“ 1000”时，DCB基片A的温度高于理想温度值，DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A发生故障，IGBT管B工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1001”时，DCB基片A和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片B和DCB基片C温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A、IGBT管B的IGBT芯片D均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1010”时，DCB基片A和DCB基片C的温度高于理想温度值，DCB基片B和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A、IGBT管B的IGBT芯片C均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1011”时，DCB基片A、DCB基片C和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片B温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A发生故障，IGBT管B的IGBT芯片C和IGBT芯片D均发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1100”时，DCB基片A和DCB基片B的温度高于理想温度值，DCB基片C和DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A和IGBT芯片B均发生故障，IGBT管B工作正常；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1101”时，DCB基片A、DCB基片B和DCB基片D的温度高于理想温度值，DCB基片C温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A和IGBT芯片B均发生故障，IGBT管B的IGBT芯片D发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1110”时，DCB基片A,DCB基片B和DCB基片C的温度高于理想温度值，DCB基片D温度正常，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A的IGBT芯片A和IGBT芯片B均发生故障，IGBT管B的IGBT芯片C发生故障；当DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度状态为“1111”时，DCB基片A、DCB基片B、DCB基片C和DCB基片D的温度均高于理想温度值，此时IGBT功率半导体模块内IGBT管A和IGBT管B均是完全故障状态。
全文摘要
一种IGBT模块内部键接线故障监测系统，其特征在于它是包括门极驱动及保护电路单元、集射电压和电流监测单元、门极电压监测单元、底板温度采集单元、控制器单元和人机界面显示单元；其工作方法为采集信号、信号调理、信号转换、故障诊断和人机交换；其优越性在于①故障监测方法快速准确；②实时监测IGBT内部键接线故障；③监测快速性及实时性好；④准确度较高，具有可商业化利用的前景；⑤对于开关控制的功率半导体器件具有通用性。
文档编号G01K7/16GK102981098SQ20121052866
公开日2013年3月20日申请日期2012年12月6日优先权日2012年12月6日
发明者杜明星, 魏克新, 岳有军, 谢琳琳, 胡震申请人:天津理工大学