一种基于FPGA 进位延迟链的IGBT 栅极电压米勒时延的高精度测量.PDF

第３４卷 第１１期 电工 电能新 技 术 Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．１１ ２０１５年１１月 Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｎｏｖ． ２０１５ 一种基于ＦＰＧＡ进位延迟链的ＩＧＢＴ栅极电压 米勒时延的高精度测量方法研究 １，２ ２ ２ ２ １，２ 方化潮 ，郑利兵 ，方光荣 ，韩　 立 ，王春雷 （１． 中国科学院大学，北京 １００１９０；２． 中国科学院电工研究所，北京 １００１９０） 摘要：ＩＧＢＴ栅极电压的米勒平台时延与结温有着密切的关系，是ＩＧＢＴ失效的一种重要表征量，因 此精确测量ＩＧＢＴ栅极电压米勒时延对于ＩＧＢＴ模块的失效监测有着重要的意义，基于此本文设计 了完整的米勒时延测量系统。 首先设计实现了栅极电压米勒平台的微分提取电路，将米勒平台转 换为数字双脉冲，然后研究了利用ＦＰＧＡ 内部特殊结构———进位连线组成时间内插延迟链，实现了 高精度的时间内插测量。 经实验验证，本文所设计的系统能够实现米勒时延亚纳秒级测量精度，为 进一步定量探索ＩＧＢＴ模块失效与米勒时延的关系提供了保障。 关键词：ＩＧＢＴ；栅极电压；米勒平台；ＦＰＧＡ；进位链；延迟线 中图分类号：Ｆ４１６６　 　 　 　 　 文献标识码：Ａ　 　 　 文章编号：１００３⁃３０７６（２０１５）１１⁃００７５⁃０６ 米勒平台的时延可以通过测量这两个数字脉冲之间 １　 引言 的时间间隔来实现。 绝缘栅双极型晶体管（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ ２　 ＩＧＢＴ 栅极米勒平台形成原理及数字脉 Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）已经广泛应用在新能源发电、轨道 ［１］ 冲转换实现 交通、航空航天和高压直流输电等众多领域中 ， ＩＧＢＴ模块的可靠性直接关系到电网及机车运行的 　 　 在实际应用中，由于集电极多为感性负载，负载 稳定安全，因此 ＩＧＢＴ 模块的失效在线监测技术逐 电流在关断瞬间内仍保持恒定，故此时Ｖ 应保持不 ｇｅ 渐成为研究热点。 其中结温是一项重要的状态参 变，栅射极电容Ｃ 不能放电，仅通过栅漏电容Ｃ 放 ｇｅ ｇｃ 数，ＩＧＢＴ模块失效很多情况下是由于热失效引起 电以建立 Ｖ ，此时的栅极电压不变，有一小段平台， ｃｅ ［２⁃４］ 的 ，因此失效在线监测问题可以转化为结温的 如图 １所示，米勒平台效应即在这一阶段形成，这 在线测量问题。 然而由于ＩＧＢＴ芯片封装在模块内 样使得门极电压呈现明显的三阶段特性，这种效应 部，很难直接测得ＩＧＢＴ芯片的结温。 由文献［５］可 ［６］ 称为米勒平台效应 。 知，ＩＧＢＴ是一种温敏器件，即ＩＧＢＴ 的端部电气参数 根据栅极电压的三阶段特性，可以利用微分电 与结温呈现一定的相关性，因此可以通过端部电气 路将米勒平台的前后下降沿转换为两个负脉冲信 参数与结温的相关性进行结温测量。 号，然后利用高速比较器与设定阈值比较，将