功率半导体器件关断动态应力的评估方法、装置及电子设备与流程

本发明涉及功率半导体器件状态监测与驱动保护，特别涉及一种功率半导体器件关断动态应力的评估方法、装置及电子设备。

背景技术：

1、在高压大功率电力电子装备中，功率半导体器件在关断过程中会承受集电极-发射极电压过冲、电流变化率、电压变化率及关断损耗等动态应力，上述动态应力直接影响器件是否处于安全工作区以及系统运行的可靠性。现有技术对关断动态应力的评估通常依赖于对集电极-发射极电压和集电极电流的直接测量。对于高电压、大电流以及多芯片并联的压接式功率半导体器件，该测量方式对传感器的绝缘性能、带宽、共模抑制能力及安装位置要求较高，并且容易受到换相回路寄生参数和电磁干扰的影响，因而难以直接应用于实际装备中的长期在线监测。

2、已有研究利用栅极电压与主功率回路之间的耦合关系进行过电流检测。例如，li等在论文"indirect igbt over-current detection technique via gate voltagemonitoring and analysis"中提出通过监测栅极电压间接识别igbt过电流，并根据检测结果触发保护。该类方案通常以栅极电压阈值或特征点作为判断依据，能够实现过流或短路状态识别，但主要输出离散的状态判断结果，难以进一步获得电压过冲、电流变化率、电压变化率及关断损耗等关断动态应力参数的定量评估值，也难以据此确定器件相对于安全边界的剩余裕度。

3、在实际运行过程中，功率半导体器件可能因负载突变、故障穿越或短时过载而出现超过额定电流的瞬态工作点。额定电流通常用于表征器件的连续运行能力，不能单独反映特定直流母线电压、器件温度和栅极驱动条件下的瞬态关断安全性。若仅以关断电流是否超过额定值作为保护依据，可能导致保护策略过于保守，也可能在直流母线电压升高、器件温度变化或栅极驱动参数不匹配时低估实际关断风险。因此，有必要利用易于在驱动侧获取的栅极电压特征，特别是关断米勒平台阶段的电压特征，并结合直流母线电压、器件温度和栅极驱动参数等工况信息，对功率半导体器件的关断动态应力及安全工作裕度进行评估，从而为栅极驱动参数调节、保护阈值整定和分级保护提供依据。

技术实现思路

1、本发明的目的在于，提供一种功率半导体器件关断动态应力的评估方法、装置及电子设备，通过低压侧栅极信号间接量化评估高压侧关断应力，避免了高压侧直接测量难题，提升了过流工况下器件安全裕度评估的准确性和可靠性。

2、本发明技术方案如下：

3、一种功率半导体器件关断动态应力的评估方法，包括如下步骤：

4、步骤1，获取功率半导体器件在关断过程中的栅极电压波形；

5、步骤2，基于所述栅极电压波形确定关断米勒平台区间，并提取所述关断米勒平台区间对应的关断米勒平台电压特征值；

6、步骤3，基于所述关断米勒平台电压特征值以及与当前工况相对应的预设映射关系，确定至少一种关断动态应力参数的评估值；

7、步骤4，基于所述关断动态应力参数的评估值与相应安全限值，确定功率半导体器件的安全工作裕度；

8、步骤5，基于所述安全工作裕度生成栅极驱动参数调节指令或保护指令，以调节功率半导体器件的后续关断过程或触发保护动作；

9、其中，所述预设映射关系表征所述关断米勒平台电压特征值与所述关断动态应力参数之间的对应关系。

10、在采用上述技术方案的基础上，本发明还可采用以下进一步的技术方案，或对这些进一步的技术方案组合使用：

11、所述确定关断米勒平台区间并提取关断米勒平台电压特征值，包括：

12、基于所述栅极电压波形的电压变化率和预设识别条件，确定关断米勒平台区间的起始时刻和结束时刻；

13、对所述起始时刻与结束时刻之间的栅极-发射极电压进行平均处理，并将所得平均值作为关断米勒平台电压特征值。

14、进一步地，所述关断米勒平台电压特征值可表示为：

15、,

16、其中，vmp-off为关断米勒平台电压特征值，t1和t2分别为关断米勒平台区间的起始时刻和结束时刻，vge(t)为栅极-发射极电压波形。

17、所述关断米勒平台电压特征值与关断动态应力参数评估值之间的预设映射关系表示为：

18、，

19、其中，为第i个关断动态应力参数评估值，fk,i为第i个关断动态应力参数在第k种工况下对应的预设映射函数，k为不同工况对应的映射关系编号。

20、所述关断动态应力参数包括过电压幅值、电流变化率、电压变化率和关断损耗中的至少一种。

21、进一步地，所述预设映射关系通过以下方式建立：

22、在多个直流母线电压和多个关断电流工况下，对功率半导体器件执行关断测试，所述多个关断电流工况至少包括过流关断工况；

23、采集各测试工况下的栅极电压波形、集电极-发射极电压波形和集电极电流波形；

24、基于所述栅极电压波形提取关断米勒平台电压特征值，并基于所述集电极-发射极电压波形和集电极电流波形确定对应的关断动态应力参数实测值；

25、基于各测试工况下的关断米勒平台电压特征值与对应的关断动态应力参数实测值，建立所述预设映射关系。

26、在一种实施方式中，所述预设映射函数采用线性模型表示为：

27、,

28、其中，ak,i和bk,i为第i个关断动态应力参数在第k种工况下对应的模型系数，所述模型系数基于对应测试工况预先标定获得。

29、进一步地，针对过流关断工况确定关断动态应力参数评估值，包括：

30、将当前关断电流与额定电流阈值进行比较；

31、当所述当前关断电流大于所述额定电流阈值时，确定功率半导体器件处于过流关断工况；

32、基于当前直流母线电压，确定与所述过流关断工况相对应的预设映射函数或模型系数；

33、将所述关断米勒平台电压特征值输入相应的预设映射函数，得到关断动态应力参数评估值。

34、所述额定电流阈值用于识别过流关断工况及选择对应的预设映射函数，不直接作为功率半导体器件发生故障的判定条件。

35、基于所述关断动态应力参数评估值确定安全工作裕度，包括：

36、将第i个关断动态应力参数评估值与对应安全限值进行比较，确定第i个关断动态应力参数的单项安全裕度；

37、基于各单项安全裕度中的最小值确定综合安全工作裕度。

38、所述单项安全裕度和综合安全工作裕度分别表示为：

39、

40、

41、其中，mi为第i个关断动态应力参数的单项安全裕度，si,lim为第i个关断动态应力参数对应的安全限值，m为综合安全工作裕度。

42、基于所述综合安全工作裕度生成栅极驱动参数调节指令或保护指令，包括：

43、当所述综合安全工作裕度低于预设调节阈值时，生成栅极驱动参数调节指令；

44、当所述综合安全工作裕度低于预设保护阈值时，生成报警信号、保护触发信号和故障锁定信号中的至少一种。

45、所述栅极驱动参数调节指令用于调节关断栅极电阻、切换多级关断策略或实施软关断；所述保护指令用于封锁驱动脉冲、触发保护关断或执行故障锁定。

46、所述功率半导体器件为压接式绝缘栅双极型晶体管模块。

47、本发明还提供了一种功率半导体器件关断动态应力的评估装置，包括波形获取模块、特征提取模块、应力评估模块、裕度计算模块以及驱动调节与保护模块。

48、所述波形获取模块用于获取功率半导体器件在关断过程中的栅极电压波形。

49、所述特征提取模块用于基于所述栅极电压波形确定关断米勒平台区间，并提取关断米勒平台电压特征值。

50、所述应力评估模块用于基于所述关断米勒平台电压特征值以及与当前工况相对应的预设映射关系，确定关断动态应力参数评估值。

51、所述裕度计算模块用于基于所述关断动态应力参数评估值与相应安全限值，确定综合安全工作裕度。

52、所述驱动调节与保护模块用于基于所述综合安全工作裕度生成栅极驱动参数调节指令或保护指令，以调节功率半导体器件的后续关断过程或触发保护动作。

53、本发明还提供了一种电子设备，包括存储器和处理器。

54、所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，实现前述功率半导体器件关断动态应力的评估方法。

55、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

56、（1）本发明提取功率半导体器件关断过程中的关断米勒平台电压特征值，并基于所述特征值与关断动态应力参数之间的预设映射关系，获得过电压幅值、电流变化率、电压变化率和关断损耗中的至少一种评估值，从而利用驱动侧低压栅极信号间接评估高压侧关断动态应力，降低对高压高速电压、电流直接测量的依赖以及对传感器绝缘、带宽和抗干扰能力的要求。

57、（2）本发明采用关断米勒平台区间内栅极-发射极电压的平均值作为电压特征值，可减小瞬态振荡、采样偏差和测量噪声的影响；通过在多个直流母线电压和多个关断电流工况下标定预设映射关系，并针对过流关断工况调用相应的映射函数或模型系数，可提高关断动态应力评估的稳定性和工况适应性。

58、（3）本发明将关断动态应力参数评估值与相应安全限值进行比较，确定单项安全裕度和综合安全工作裕度，并基于所述综合安全工作裕度生成栅极驱动参数调节指令或保护指令。该方法不以关断电流是否超过额定值作为唯一故障判据，可为关断栅极电阻调节、多级关断、软关断、报警及保护动作提供量化依据，提高驱动保护策略对短时过载、负载突变和过流关断工况的适应性。