基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测方法及电路
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，具体涉及IGBT模块内部支路缺陷监测方法，尤其是一种基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测方法及电路。
背景技术
电力电子装置在新能源发电、交通牵引、航空航天等领域得到了广泛运用，提高电力电子装置的可靠性能满足更严格的安全和成本需求。绝缘栅双极型晶体管(insulatedgate bipolar transistor，IGBT)模块作为一款通用的功率半导体器件，广泛应用于宽功率等级的电力电子装置中。为提高功率模块的通流能力和降低使用成本，键合线封装的IGBT模块被认为是提高功率模块容量的一种有前途的解决方案。然而，复杂恶劣的工况和交变的热-机械应力使得IGBT 模块也成为电力电子装置中易老化损坏的器件之一。由功率模块老化引起的不可预见的故障会带来昂贵的代价，对含缺陷的IGBT模块的状态监测也成为了提高大功率电力电子系统可靠性的一种经济有效的方法。
键合线疲劳会使得IGBT模块的可靠性降低，是IGBT模块常见的封装失效故障之一，现有的对IGBT模块内部键合线状态监测的方法主要有非电气量监测和电气量监测。其中非电气量监测主要有X光检测、涡流脉冲成像等技术，这些技术更多运用于故障后IGBT模块的失效分析，不适用于工业现场对IGBT模块内部芯片支路状态进行监测。电气量监测的方法主要有IGBT饱和压降、短路电流和门极开关信号等方法；IGBT饱和压降的方法是利用键合线脱落后IGBT模块两端等效寄生电阻增大，通过注入一定量的电流来监测IGBT模块键合线的健康状态，由于IGBT饱和压降受到芯片结温的影响。对多芯片IGBT模块而言，由于各个芯片的温度不一致，导致这种在监测中需要保证恒定电流且同时需要获取监测过程中模块结温的方法对IGBT模块的键合线缺陷监测有一定的局限性；短路电流的方法是利用IGBT模块转移特性中各温度点有一个相同的短路电流，该短路电流随IGBT模块键合线缺陷的增大而减小，且不受温度的影响，但短路电流无论是对IGBT模块还是电力电子设备的潜在危害性是比较大的；门极开关信号可用来监测多芯片IGBT模块键合线的缺陷状态，但这些开关特征量很容易受到噪声的影响，并且要求采样设备具有很高的采样频率，不利于工业现场实际应用。
因此，提高模块和系统的可靠性成为了急需解决的技术问题。本发明提供了一种便捷的状态监测的方法，适用于监测IGBT模块健康状态，特别是多芯片IGBT模块内部芯片支路缺陷，能在不拆卸的情况下方便地进行监测，确保IGBT模块在正常工作下实现对其健康状态准确评估。
发明内容
针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种在不拆卸IGBT模块的情况下能方便地进行监测，同时又能确保在IGBT模块正常工作下就能实现对其健康状态的准确评估，提高模块和系统的可靠性的基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测方法。
另外，本申请还提供一种基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路，在使得在不拆卸IGBT模块的情况下能方便地进行监测，同时又能确保在IGBT模块正常工作下就能实现对其健康状态的准确评估，提高模块和系统的可靠性。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测方法，基于IGBT模块在开关过程中的门极电信号会受到因IGBT模块老化导致其内部参数变化的影响的特点，通过监测IGBT模块在开关过程中的门极电信号来评估当期IGBT模块的健康状态。
这样，由于运行过程中的IGBT模块在受到内部应力和外部复杂工况的影响下，IGBT模块内部参数或结构会发生变化，模块发生老化、安全可靠性降低,这使得IGBT模块在开关过程中的门极电信号发生变化，从而为IGBT模块的健康状态监测提供条件。由于本方案是对IGBT模块开关过程中的门极电信号进行采集处理，故本方案能在不拆卸IGBT模块的情况下方便地进行监测，同时又能确保在IGBT模块正常工作下就能实现对其健康状态的准确评估，提高模块和系统的可靠性。
优选的，以IGBT模块门极电荷为监测对象，通过监测运行过程中IGBT模块门极电荷的变化来评估当前IGBT模块的内部缺陷情况。
优选的，基于IGBT模块内部参数的变化会改变IGBT模块开通和关断过程中门极电流属性的特点，通过对一个开关周期下开通和关断过程中IGBT模块的门极电流进行积分以获得门极电荷信息，以使得得到的门极电荷信息包含了IGBT模块开通和关断过程中的门极电流变化的信息，实现对IGBT模块内部缺陷的监测。
这样，由于老化后的IGBT模块内部参数或结构的变化会改变IGBT模块开通和关断时门极电流的形状、大小等属性，因此以IGBT模块门极电荷为监测对象，对运行过程中IGBT模块的门极电流进行积分以获得门极电荷信息，不同健康状态下的门极电荷的偏差就包含了IGBT模块门极电流波形属性变化的信息，由此就可实现对IGBT模块内部缺陷进行监测的目的。
优选的，通过连续对多个开关周期下获得的门极电荷信息进行累积，以放大IGBT模块内部的缺陷。
这样，由于当IGBT模块内部缺陷较小时，每次获得的门极电荷信息与健康状态时获得的门极电荷信息之间的偏差较小，通过多个开关周期，将每个开关周期的门极电荷偏差进行累积放大，进而达到放大IGBT模块内部缺陷的效应，以便更有效地评估运行过程中IGBT模块的健康状态。
一种实现上述基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测方法的监测电路，包括驱动电路、电流采样器和积分电路，所述驱动电路用于控制IGBT模块的开通和关断，所述电流采样器用于获得IGBT模块在开通和关断过程中的门极电流信息，所述积分电路用于对所述电流采样器获得的门极电流信息进行积分，以获得门极电荷信息。
这样，驱动电路用于控制IGBT模块的开通和关断，电流采样器则在IGBT模块的开通和关断过程中对其门极电流信息进行采集，积分电路再进一步对门极电流信息进行积分，可以获得门极电荷信息，根据门极电荷信息则可以用来评估当前IGBT模块的内部缺陷情况。
优选的，还包括用于产生输入控制信号Sel的微处理器，所述积分电路接收输入控制信号Sel，并在输入控制信号Sel为高电平时对所述电流采样器获得的门极电流信息进行积分以获得门极电荷信息，在输入控制信号Sel为低电平时复位，输入控制信号Sel在多个开关周期下维持为高电平时，所述积分电路还能实现对门极电荷信息的累积。
这样，利用输入控制信号Sel来控制是否对IGBT模块的门极电流进行积分，以便根据监测需要对IGBT模块的内部缺陷情况进行监测，同时通过将输入控制信号Sel在多个开关周期下保持为高电平，则使得积分电路对多个开关周期的门极电流进行积分，实现门极电荷信息的累积，以达到放大IGBT模块内部缺陷状态的目的。
所述微处理器还用于产生输入控制信号Sv，用于控制IGBT模块正常开通和关断。所述驱动电路接收输入控制信号Sv，并在输入控制信号Sv为高电平时控制IGBT模块开通，在输入控制信号Sv为低电平时控制IGBT模块关断。
优选的，还包括隔离电源电路：
所述隔离电源电路的输出端分别与所述驱动电路和所述积分电路连接，并用于向所述驱动电路和所述积分电路供电；
所述电流采样器集成在所述驱动电路中，所述电流采样器将获得的门极电流转换为同步变化的电压信号后输出给所述积分电路；
所述积分电路包括信号切换组件、信号运算组件、压流转换组件和信息提取组件，所述信号切换组件与所述电流采样器的输出端连接，并用于将所述电流采样器输出的电压信号或地端信号输出给所述信号运算组件；所述信号运算组件用于接收所述信号切换组件输出的电压信号或地端信号，并在接收到电压信号时将该电压信号进行运算处理后输出给所述压流转换组件；所述压流转换组件用于接收所述信号运算组件输出的电压信号，并将该电压信号转换为同步变化的电流信号输出给所述信息提取组件；所述信息提取组件用于接收所述压流转换组件输出的电流信号，并将该电流信号注入到电容Cs中以使得电容Cs两端的电压UCs同步变化，且所述信息提取组件在所述信号切换组件输出地端信号时将复位电容Cs的电荷。
这样，本发明的监测电路在具体使用时，驱动电路控制IGBT模块开通，此时电流采样器将输出与门极电流同步变化的电压信号到积分电路；积分电路中的信号切换组件接收电流采样器输出的电压信号，并将该电压信号输出给信号运算组件，信号运算组件将接收到的电压信号进行运算处理后输出给压流转换组件，压流转换组件将接收到的信号运算组件输出的电压信号转换成电流信号后输出给信息提取组件，信息提取组件接收压流转换组件输出的电流信号，并将该电流信号注入到电容Cs中；注入到电容Cs中的电流信号进一步转换为电容Cs两端的电压UCs，由于电流采样器输出的电压信号是跟随门极电流同步变化的，而门极电流包含了IGBT模块内部芯片支路缺陷的信息，故最终注入到电容Cs中的电流也包含了IGBT模块内部芯片支路缺陷的信息，因此利用该电容Cs两端的电压UCs可以来表征IGBT模块芯片支路的缺陷。
本发明的监测电路既能保证IGBT模块的正常应用，又能在IGBT模块不拆卸的情况下进行测试，而且具有实时在线监测的潜能，同时该监测电路的集成度高，监测的方法易于实施，对IGBT模块老化状态的评估准确，由此提高IGBT模块和具有该IGBT模块系统的可靠性，具有实际应用的价值。同时采用本发明的监测电路在进行监测时，通过实验验证该方法不受芯片结温的影响，具有实时在线监测的能力。
优选的，所述微处理器内设有AD采样器；
所述积分电路中的信号切换组件接收所述微处理器发出的输入控制信号Sel，并能够在输入控制信号Sel为高电平时向所述信号运算组件输出与门极电流同步变化的电压信号，该电压信号经所述压流转换组件后转换为同步变化的电流信号输出给所述信息提取组件，所述信息提取组件将该电流信号注入到电容Cs中，进入状态监测过程；且所述积分电路中的信号切换组件在输入控制信号Sel为低电平时向所述信号运算组件输出地端信号，所述信息提取组件复位电容Cs的电荷，状态监测结束；
所述积分电路中的信息提取组件还将电容Cs两端的电压UCs输出到所述微处理器的AD采样器内。
这样，在进行监测时，微处理器发出输入控制信号Sel为高电平。微处理器发出的输入控制信号Sv为高电平时，驱动电路将控制IGBT模块开通。积分电路中的信号切换组件将接收到的电流采样器输出的电压信号进一步输出给信号运算组件，且信息提取组件将电流信号注入到电容Cs中；将电容Cs两端的电压UCs输出到微处理器的AD采样器中，利用AD采样器对电容Cs两端的电压UCs进行采集以便根据电容Cs两端的电压UCs来表征IGBT模块内部的缺陷状态。
优选的，所述隔离电源单元具有一个输入接口和多个输出接口，所述隔离电源单元的输入接口用于与外部电源连接，所述隔离电源单元的输出接口分别与所述驱动电路和所述积分电路连接，其中所述隔离电源单元与所述积分电路的输出接口能够输出Ec和Vr两个电压值，且所述隔离电源单元将Ec电压值输出到所述压流转换组件和所述信号运算组件，所述隔离电源单元还将Vr电压值输出到所述信息提取组件。
这样，利用隔离电源单元输出多个不同的电压值，以满足驱动电路和积分电路对电压值的不同需求。
优选的，所述隔离电源单元包括参考电压芯片Ref、精密比例电阻FR3、精密比例电阻FR4、运算放大器OP3和运算放大器OP4，所述参考电压芯片Ref的Ref+接5V电源，所述参考电压芯片Ref的Ref-接地，所述参考电压芯片Ref的输出端同时与所述运算放大器OP3的正向输入端和所述精密比例电阻FR4的第一引脚连接，所述精密比例电阻FR4的第二引脚与所述运算放大器OP4的反向输入端连接，所述精密比例电阻FR4的第三引脚与所述运算放大器OP4的输出端连接，且所述运算放大器OP4的输出端用于输出Vr电压值，所述运算放大器OP4的同相输入端接地，所述运算放大器OP3的反向输入端与所述精密比例电阻FR3的第一引脚连接，所述精密比例电阻FR3的第二引脚接地，所述精密比例电阻FR3的第三引脚与所述运算放大器OP3的输出端连接，且所述运算放大器OP3的输出端用于输出Ec电压值。
这样，参考电压芯片Ref用于产生参考电压，参考电压进一步经精密比例电阻FR3和运算放大器OP3后输出Ec电压值，参考电压进一步经精密比例电阻FR4和运算放大器OP4后输出Vr电压值，在本方案中，Ec电压值需要引入到压流转换组件，而压流转换组件向电容Cs注入电流，通过采用精密比例电阻FR3，可以提高压流转换组件转换后得到的电流精度，从而提高注入到电容Cs中的电流的精度，保证了监测电路的监测精度和使用效果。
优选的，所述驱动电路包括IGBT门极驱动器Drv、电阻Rg、电阻Rge、双向稳压管TVS、肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、电阻R1和电阻R2，所述IGBT门极驱动器Drv的输入端与所述微处理器的输入控制信号Sv连接，所述IGBT门极驱动器Drv的输出端与所述电阻Rg的一端连接，所述电阻Rg的另一端同时与IGBT模块的门极和所述电阻Rge的一端连接，所述电阻Rge的另一端同时与IGBT模块的发射极、所述肖特基二极管D1的阳极和所述肖特基二极管D2的阴极连接，所述双向稳压管TVS与所述电阻Rge并联连接，所述肖特基二极管D1的阴极同时与所述电阻R1的一端和所述信号切换组件的输入端连接，所述电阻R1的另一端接地，所述肖特基二极管D2的阳极与所述电阻R2的一端连接，所述电阻R2的另一端接地，所述电阻R1和所述肖特基二极管D1形成所述电流采样器。
这样，当输入控制信号Sv为高电平时，IGBT门极驱动器Drv输出门极电流ig，该电流即为开通门极电流igon，该电流igon注入到IGBT模块内使其导通，并经又肖特基二极管D1和电阻R串联形成的电流采样器后流回IGBT门极驱动器Drv，此时肖特基二极管D1和电阻R1连接点处的电压即为电阻R1两端的电压R1*igon，并将该电压作为电流采样器的输出电压进一步输出到积分电路的信号切换组件中；当输入控制信号Sv为低电平时，IGBT门极驱动器Drv输出方向相反的门极电流-ig，此时该电流为关断门极电流，该经由肖特基二极管D2和电阻R2构成的串联电路，以及IGBT模块流回IGBT门极驱动器Drv，使得IGBT模块关断。
优选的，所述信号切换组件包括单刀双掷模拟开关ST，所述单刀双掷模拟开关ST的输入端与所述微处理器的输入控制信号Sel连接，且所述单刀双掷模拟开关ST在所述输入控制信号Sel为高电平时将所述电流采样器输出的电压信号进一步输出给所述信号运算组件，所述单刀双掷模拟开关ST在所述输入控制信号Sel为低电平时将地端信号输出给所述信号运算组件；
所述信号运算组件包括运算放大器OP1、精密比例电阻FR1和精密比例电阻FR2，所述精密比例电阻FR1的第一引脚与所述信号切换组件的输出端连接，所述精密比例电阻FR1的第二引脚与所述运算放大器OP1的反向输入端连接，所述精密比例电阻FR1的第三引脚与所述运算放大器OP1的输出端连接，所述精密比例电阻FR2的第一引脚与所述隔离电源单元中用于输出Ec电压值的输出端连接，所述精密比例电阻FR2的第二引脚与所述运算放大器OP1的同相输入端连接，所述精密比例电阻FR2的第三引脚接地，所述运算放大器OP1的输出端还与所述压流转换组件的输入端连接；
所述压流转换组件包括电阻Rs、电阻R4、PNP型三极管Q1和运算放大器OP2，所述运算放大器OP2的同相输入端与所述信号运算组件的输出端连接，所述运算放大器OP2的反相输入端同时与所述电阻Rs的一端和所述PNP型三极管Q1的发射极连接，所述电阻Rs的另一端与所述隔离电源单元中用于输出Ec电压值的输出端连接，所述运算放大器OP2的输出端与所述电阻R4的一端连接，所述电阻R4的另一端与所述PNP型三极管Q1的基极连接，所述PNP型三极管Q1的集电极作为所述压流转换组件的输出端与所述信息提取组件的输入端连接；
所述信息提取组件包括肖特基二极管D3、电容Cs、电阻R3和N沟道增强型MOSFET，所述N沟道增强型MOSFET的栅极通过反向器与所述微处理的输入控制信号Sel连接，所述N沟道增强型MOSFET的源极与所述隔离电压单元中用于输出Vr电压值的输出端和所述电容Cs的一端连接，所述电容Cs的另一端同时与所述电阻R3的一端和所述肖特基二极管D3的阴极连接，所述肖特基二极管D3的阳极与所述压流转换组件的输出端连接，所述电阻R3的另一端与所述N沟道增强型MOSFET的漏极连接。
这样，通过设置单刀双掷模拟开关ST，单刀双掷模拟开关ST可以实现两条通路的切换，使得在输入控制信号Sel为高电平时，将电流采样器输出的电压信号进一步输出给信号运算组件，在输入控制信号Sel为低电平时，将地端信号输出给信号运算组件；当输入控制信号Sel为高电平使得电流采样器输出的电压信号进一步输出到信号运算组件时，信号运算组件利用精密比例电阻FR1、精密比例电阻FR2和运算放大器OP1对该电压信号进行运算处理后进一步输出给压流转换组件，压流转换组件利用运算放大器OP2、电阻Rs、电阻R4和PNP型三极管Q1将得到的电压信号转换为具有较高精度的与门极电流成比例的电流信号进一步输入到信息提取组件的电容Cs中，电容Cs两端的电压Ucs随着注入到电容Cs中的电流而积分增大，也即随注入IGBT模块门极电荷的增大而增大；在输入控制信号Sel维持k个开关周期，电容Cs两端的电压Ucs累计增大，采集到包含门极电荷信息的电压信号Ucs，通过判断当前运行IGBT模块下的电压Ucs较健康模块运行下的电压Ucs的变化来评估当前模块的健康状态。在完成采样处理后，输入控制信号Sel置为低电平，此时电容Cs上的电荷将通过N沟道增强型MOSFET进行释放，从而为下一次的状态监测过程做准备。
本发明的监测方法和监测电路具有一定的通用性，不仅适用于IGBT模块，也适用门极为电压控型的场效应半导体模块，特别是对多芯片模块内部芯片支路缺陷的监测。
附图说明
图1为本发明基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路的原理框图；
图2为本发明基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路的结构框图；
图3为本发明基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路中隔离电源单元的电路原理图；
图4为本发明基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路中驱动电路的电路原理图；
图5为本发明基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路中积分电路的电路原理图；
图6为本发明基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路的电路原理图；
图7为本发明基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路在进行监测时的时序图；
图8为以Mitsubishi Electric产两芯片并联支路的CM150DY-34A模块为例，采用本发明基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路进行监测得到的实验波形图。
附图标记说明：信号切换组件1、信号运算组件2、压流转换组件3、信息提取组件4、驱动模块5。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测方法，基于IGBT模块在开关过程中的门极电信号会受到因IGBT模块老化导致其内部参数变化的影响的特点，通过监测IGBT模块在开关过程中的门极电信号来评估当期IGBT模块的健康状态。
这样，由于运行过程中的IGBT模块在受到内部应力和外部复杂工况的影响下，IGBT模块内部参数或结构会发生变化，模块发生老化、安全可靠性降低,这使得IGBT模块在开关过程中的门极电信号发生变化，从而为IGBT模块的健康状态监测提供条件。由于本方案是对IGBT模块开关过程中的门极电信号进行采集处理，故本方案能在不拆卸IGBT模块的情况下方便地进行监测，同时又能确保在IGBT模块正常工作下就能实现对其健康状态的准确评估，提高模块和系统的可靠性。
在本实施例中，以IGBT模块门极电荷为监测对象，通过监测运行过程中IGBT模块门极电荷的变化来评估当前IGBT模块的内部缺陷情况。
在本实施例中，基于IGBT模块内部参数的变化会改变IGBT模块开通和关断过程中门极电流属性的特点，通过对一个开关周期下开通和关断过程中IGBT模块的门极电流进行积分以获得门极电荷信息，以使得得到的门极电荷信息包含了IGBT模块开通和关断过程中的门极电流变化的信息，实现对IGBT模块内部缺陷的监测。
这样，由于老化后的IGBT模块内部参数或结构的变化会改变IGBT模块开通和关断时门极电流的形状、大小等属性，因此以IGBT模块门极电荷为监测对象，对运行过程中IGBT模块的门极电流进行积分以获得门极电荷信息，不同健康状态下的门极电荷的偏差就包含了IGBT模块门极电流波形属性变化的信息，由此就可实现对IGBT模块内部缺陷进行监测的目的。
在本实施例中，通过连续对多个开关周期下获得的门极电荷信息进行累积，以放大IGBT模块内部的缺陷。
这样，由于当IGBT模块内部缺陷较小时，每次获得的门极电荷信息与健康状态时获得的门极电荷信息之间的偏差较小，通过多个开关周期，将每个开关周期的门极电荷偏差进行累积放大，进而达到放大IGBT模块内部缺陷的效应，以便更有效地评估运行过程中IGBT模块的健康状态。
一种实现上述基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测方法的监测电路，包括驱动电路、电流采样器和积分电路，驱动电路用于控制IGBT模块的开通和关断，电流采样器用于获得IGBT模块在开通和关断过程中的门极电流信息，积分电路用于对电流采样器获得的门极电流信息进行积分，以获得门极电荷信息。
这样，驱动电路用于控制IGBT模块的开通和关断，电流采样器则在IGBT模块的开通和关断过程中对其门极电流信息进行采集，积分电路再进一步对门极电流信息进行积分，可以获得门极电荷信息，根据门极电荷信息则可以用来评估当前IGBT模块的内部缺陷情况。
在本实施例中，还包括用于产生输入控制信号Sel的微处理器，积分电路接收输入控制信号Sel，并在输入控制信号Sel为高电平时对电流采样器获得的门极电流信息进行积分以获得门极电荷信息，在输入控制信号Sel为低电平时复位，输入控制信号Sel在多个开关周期下维持为高电平时，积分电路还能实现对门极电荷信息的累积。
这样，利用输入控制信号Sel来控制是否对IGBT模块的门极电流进行积分，以便根据监测需要对IGBT模块的内部缺陷情况进行监测，同时通过将输入控制信号Sel在多个开关周期下保持为高电平，则使得积分电路对多个开关周期的门极电流进行积分，实现门极电荷信息的累积，以达到放大IGBT模块内部缺陷状态的目的。
微处理器还用于产生输入控制信号Sv，用于控制IGBT模块正常开通和关断。驱动电路接收输入控制信号Sv，并在输入控制信号Sv为高电平时控制IGBT模块开通，在输入控制信号Sv为低电平时控制IGBT模块关断。
在本实施例中，还包括隔离电源电路：隔离电源电路、驱动电路、电流采样器和积分电路共同形成驱动模块5；
隔离电源电路的输出端分别与驱动电路和积分电路连接，并用于向驱动电路和积分电路供电；
电流采样器集成在驱动电路中，电流采样器将获得的门极电流转换为同步变化的电压信号后输出给积分电路；
积分电路包括信号切换组件1、信号运算组件2、压流转换组件3和信息提取组件4，信号切换组件1与电流采样器的输出端连接，并用于将电流采样器输出的电压信号或地端信号输出给信号运算组件2；信号运算组件2用于接收信号切换组件1输出的电压信号或地端信号，并在接收到电压信号时将该电压信号进行运算处理后输出给压流转换组件3；压流转换组件3用于接收信号运算组件2输出的电压信号，并将该电压信号转换为同步变化的电流信号输出给信息提取组件4；信息提取组件4用于接收压流转换组件3输出的电流信号，并将该电流信号注入到电容Cs中以使得电容Cs两端的电压UCs同步变化，且信息提取组件4在信号切换组件1输出地端信号时将复位电容Cs的电荷。
这样，本发明的监测电路在具体使用时，驱动电路控制IGBT模块开通，此时电流采样器将输出与门极电流同步变化的电压信号到积分电路；积分电路中的信号切换组件1接收电流采样器输出的电压信号，并将该电压信号输出给信号运算组件2，信号运算组件2将接收到的电压信号进行运算处理后输出给压流转换组件3，压流转换组件3将接收到的信号运算组件2输出的电压信号转换成电流信号后输出给信息提取组件4，信息提取组件4接收压流转换组件3输出的电流信号，并将该电流信号注入到电容Cs中；注入到电容Cs中的电流信号进一步转换为电容Cs两端的电压UCs，由于电流采样器输出的电压信号是跟随门极电流同步变化的，而门极电流包含了IGBT模块内部芯片支路缺陷的信息，故最终注入到电容Cs中的电流也包含了IGBT模块内部芯片支路缺陷的信息，因此利用该电容Cs两端的电压UCs可以来表征IGBT模块芯片支路的缺陷。
本发明的监测电路既能保证IGBT模块的正常应用，又能在IGBT模块不拆卸的情况下进行测试，而且具有实时在线监测的潜能，同时该监测电路的集成度高，监测的方法易于实施，对IGBT模块老化状态的评估准确，由此提高IGBT模块和具有该IGBT模块系统的可靠性，具有实际应用的价值。同时采用本发明的监测电路在进行监测时，通过实验验证该方法不受芯片结温的影响，具有实时在线监测的能力。
在本实施例中，微处理器内设有AD采样器；
积分电路中的信号切换组件1接收微处理器发出的输入控制信号Sel，并能够在输入控制信号Sel为高电平时向信号运算组件2输出与门极电流同步变化的电压信号，该电压信号经压流转换组件3后转换为同步变化的电流信号输出给信息提取组件4，信息提取组件4将该电流信号注入到电容Cs中，进入状态监测过程；且积分电路中的信号切换组件1在输入控制信号Sel为低电平时向信号运算组件2输出地端信号，信息提取组件4复位电容Cs的电荷，状态监测结束；
积分电路中的信息提取组件4还将电容Cs两端的电压UCs输出到微处理器的AD采样器内。
这样，微处理器向驱动模块5发出作为驱动模块5的输入控制信号Sv为高电平时，驱动电路将控制IGBT模块开通。在进行监测时，微处理器向驱动模块5发出作为驱动模块5的输入控制信号Sel为高电平时，积分电路中的信号切换组件1将接收到的电流采样器输出的电压信号进一步输出给信号运算组件2，且信息提取组件4将电流信号注入到电容Cs中；将电容Cs两端的电压UCs输出到微处理器的AD采样器中，利用AD采样器对电容Cs两端的电压UCs进行采集以便根据电容Cs两端的电压UCs来表征IGBT模块内部的缺陷状态。
在本实施例中，隔离电源单元具有一个输入接口和多个输出接口，隔离电源单元的输入接口用于与外部电源连接，隔离电源单元的输出接口分别与驱动电路和积分电路连接，其中隔离电源单元与积分电路的输出接口能够输出Ec和Vr两个电压值，且隔离电源单元将Ec电压值输出到压流转换组件3和信号运算组件2，隔离电源单元还将Vr电压值输出到信息提取组件4。
这样，利用隔离电源单元输出多个不同的电压值，以满足驱动电路和积分电路对电压值的不同需求。
在本实施例中，隔离电源单元包括参考电压芯片Ref、精密比例电阻FR3、精密比例电阻FR4、运算放大器OP3和运算放大器OP4，参考电压芯片Ref的Ref+接5V电源，参考电压芯片Ref的Ref-接地，参考电压芯片Ref的输出端同时与运算放大器OP3的正向输入端和精密比例电阻FR4的第一引脚连接，精密比例电阻FR4的第二引脚与运算放大器OP4的反向输入端连接，精密比例电阻FR4的第三引脚与运算放大器OP4的输出端连接，且运算放大器OP4的输出端用于输出Vr电压值，运算放大器OP4的同相输入端接地，运算放大器OP3的反向输入端与精密比例电阻FR3的第一引脚连接，精密比例电阻FR3的第二引脚接地，精密比例电阻FR3的第三引脚与运算放大器OP3的输出端连接，且运算放大器OP3的输出端用于输出Ec电压值。
这样，参考电压芯片Ref用于产生参考电压，参考电压进一步经精密比例电阻FR3和运算放大器OP3后输出Ec电压值，参考电压进一步经精密比例电阻FR4和运算放大器OP4后输出Vr电压值，在本方案中，Ec电压值需要引入到压流转换组件3，而压流转换组件3向电容Cs注入电流，通过采用精密比例电阻FR3，可以提高压流转换组件3转换后得到的电流精度，从而提高注入到电容Cs中的电流的精度，保证了监测电路的监测精度和使用效果。
在本实施例中，驱动电路包括IGBT门极驱动器Drv、电阻Rg、电阻Rge、双向稳压管TVS、肖特基二极管D1、肖特基二极管D2、电阻R1和电阻R2，IGBT门极驱动器Drv的输入端与微处理器的输入控制信号Sv连接，IGBT门极驱动器Drv的输出端与电阻Rg的一端连接，电阻Rg的另一端同时与IGBT模块的门极和电阻Rge的一端连接，电阻Rge的另一端同时与IGBT模块的发射极、肖特基二极管D1的阳极和肖特基二极管D2的阴极连接，双向稳压管TVS与电阻Rge并联连接，肖特基二极管D1的阴极同时与电阻R1的一端和信号切换组件1的输入端连接，电阻R1的另一端接地，肖特基二极管D2的阳极与电阻R2的一端连接，电阻R2的另一端接地，电阻R1和肖特基二极管D1形成电流采样器。
这样，当输入控制信号Sv为高电平时，IGBT门极驱动器Drv输出门极电流ig，该电流即为开通门极电流igon，该电流igon注入到IGBT模块内使其导通，并经又肖特基二极管D1和电阻R串联形成的电流采样器后流回IGBT门极驱动器Drv，此时肖特基二极管D1和电阻R1连接点处的电压即为电阻R1两端的电压R1*igon，并将该电压作为电流采样器的输出电压进一步输出到积分电路的信号切换组件1中；当输入控制信号Sv为低电平时，IGBT门极驱动器Drv输出方向相反的门极电流-ig，此时该电流为关断门极电流，该经由肖特基二极管D2和电阻R2构成的串联电路，以及IGBT模块流回IGBT门极驱动器Drv，使得IGBT模块关断。
在本实施例中，信号切换组件1包括单刀双掷模拟开关ST，单刀双掷模拟开关ST的输入端与微处理器的输入控制信号Sel连接，且单刀双掷模拟开关ST在输入控制信号Sel为高电平时将电流采样器输出的电压信号进一步输出给信号运算组件2，单刀双掷模拟开关ST在输入控制信号Sel为低电平时将地端信号输出给信号运算组件2；
信号运算组件2包括运算放大器OP1、精密比例电阻FR1和精密比例电阻FR2，精密比例电阻FR1的第一引脚与信号切换组件1的输出端连接，精密比例电阻FR1的第二引脚与运算放大器OP1的反向输入端连接，精密比例电阻FR1的第三引脚与运算放大器OP1的输出端连接，精密比例电阻FR2的第一引脚与隔离电源单元中用于输出Ec电压值的输出端连接，精密比例电阻FR2的第二引脚与运算放大器OP1的同相输入端连接，精密比例电阻FR2的第三引脚接地，运算放大器OP1的输出端还与压流转换组件3的输入端连接；
压流转换组件3包括电阻Rs、电阻R4、PNP型三极管Q1和运算放大器OP2，运算放大器OP2的同相输入端与信号运算组件2的输出端连接，运算放大器OP2的反相输入端同时与电阻Rs的一端和PNP型三极管Q1的发射极连接，电阻Rs的另一端与隔离电源单元中用于输出Ec电压值的输出端连接，运算放大器OP2的输出端与电阻R4的一端连接，电阻R4的另一端与PNP型三极管Q1的基极连接，PNP型三极管Q1的集电极作为压流转换组件3的输出端与信息提取组件4的输入端连接；
信息提取组件4包括肖特基二极管D3、电容Cs、电阻R3和N沟道增强型MOSFET，N沟道增强型MOSFET的栅极通过反向器与微处理的输入控制信号Sel连接，N沟道增强型MOSFET的源极与隔离电压单元中用于输出Vr电压值的输出端和电容Cs的一端连接，电容Cs的另一端同时与电阻R3的一端和肖特基二极管D3的阴极连接，肖特基二极管D3的阳极与压流转换组件3的输出端连接，电阻R3的另一端与N沟道增强型MOSFET的漏极连接。
这样，通过设置单刀双掷模拟开关ST，单刀双掷模拟开关ST可以实现两条通路的切换，使得在输入控制信号Sel为高电平时，将电流采样器输出的电压信号进一步输出给信号运算组件2，在输入控制信号Sel为低电平时，将地端信号输出给信号运算组件2；当输入控制信号Sel为高电平使得电流采样器输出的电压信号进一步输出到信号运算组件2时，信号运算组件2利用精密比例电阻FR1、精密比例电阻FR2和运算放大器OP1对该电压信号进行运算处理后进一步输出给压流转换组件3，压流转换组件3利用运算放大器OP2、电阻Rs、电阻R4和PNP型三极管Q1将得到的电压信号转换为具有较高精度的与门极电流成比例的电流信号进一步输入到信息提取组件4的电容Cs中，电容Cs两端的电压Ucs随着注入到电容Cs中的电流而积分增大，也即随注入IGBT模块门极电荷的增大而增大；在输入控制信号Sel维持k个开关周期，电容Cs两端的电压Ucs累计增大，采集到包含门极电荷信息的电压信号Ucs，通过判断当前运行IGBT模块下的电压Ucs较健康模块运行下的电压Ucs的变化来评估当前模块的健康状态。在完成采样处理后，输入控制信号Sel置为低电平，此时电容Cs上的电荷将通过N沟道增强型MOSFET进行释放，从而为下一次的状态监测过程做准备。
本发明的监测方法和监测电路具有一定的通用性，不仅适用于IGBT模块，也适用门极为电压控型的场效应半导体模块，特别是对多芯片IGBT模块内部芯片支路缺陷的监测。以多芯片IGBT模块内部芯片支路缺陷监测为例，由于多芯片IGBT模块是由多条并联连接的芯片支路组成，而每条芯片支路是由IGBT支路和与其连接的键合线构成。在多芯片IGBT模块开通过程中，驱动电路需要为每条芯片支路的IGBT芯片提供门极充电电荷，以门极电流的方式注入到IGBT芯片门极等效输入电容内部。当其中一个或多个芯片支路内的IGBT键合线全部断裂后，多芯片IGBT模块所需门极充电电荷减小，对应的门极电流也就减小，驱动电路输出到积分电路的与门极开通电流同步变化的电压信号也减小，进而将使得注入到电容Cs中的电流减小，电容Cs两端的电压UCs也减小，电容Cs两端电压UCs在多芯片IGBT模块DUT内部芯片支路发生缺陷失效时会减小，因此通过提取电容Cs两端电压UCs即可表征IGBT模块多芯片DUT内部芯片支路缺陷的状态。
下面，结合图6和图7，具体说明采样基于门极电荷变化的IGBT模块内部缺陷监测电路在对IGBT模块内部缺陷进行监测时的具体步骤：
步骤1）在t0时刻，输入控制信号Sel由低电平变为高电平，积分电路中N沟道增强型MOSFET关断，积分电路启动，监测开始；当输入控制信号Sv由低电平变为高电平时，此时记为第一个开关周期，IGBT模块由关断状态切换为开通状态，在IGBT模块DUT开通过程中，IGBT门极驱动器Drv产生的门极电流ig，即为开通门极电流igon，该电流注入到IGBT模块使其导通，并经由肖特基二极管D1和电阻R1构成的串联电路流回IGBT门极驱动器Drv，此时在电阻R1一端产生与开通门极电流igon成比例的电压R1*igon，当IGBT模块DUT完全导通后，IGBT门极驱动器Drv不再输出门极电流；
由于输入控制信号Sel为高电平，电阻R1上的电压输入到积分电路的信号切换组件11中，并进一步经信号运算组件22的运算处理后注入到压流转换组件33中，压流转换组件33中的PNP型三极管Q1的集电极再进一步将向电容Cs注入与开通门极电流成比例的电流，电容Cs两端的电压Ucs为电流的积分，随着注入到电容Cs中的电流而积分增大，当IGBT模块完全导通，由于IGBT门极驱动器Drv不输出门极电流，电容Cs两端的电压Ucs保持不变；
步骤2）维持输入控制信号Sel为高电平，在输入控制信号Sv在第k个开关周期时，此时电容Cs两端电压Ucs会因注入k个开关过程的电流而累积增加，电容Cs两端电压Ucs对开通门极电流的多个周期的累积积分，该电压信息包含了IGBT模块的健康状态，而且通过累计积分进一步放大模块缺陷的效应，由于IGBT完全导通或关断状态下，电容Cs两端电压Ucs保持不变，易于采集，这样可以通过判断当前运行IGBT模块下电压Ucs较健康模块运行下的电压Ucs的变化来评估当前模块的健康状态；
步骤3）在t1时刻，由于信息提取完后，输入控制信号Sel置为低电平，电容Cs累计电荷会经N沟道增强型MOSFET释放，为下一次状态监测过程做准备。
图8为是Mitsubishi Electric产两芯片并联支路的CM150DY-34A模块为例，其中k值设为5。其中vge为IGBT模块DUT门极驱动波形，ic为流过IGBT模块DUT的集电极电流。Health表示IGBT模块DUT为健康状态；Wires liftoff 表示IGBT模块DUT某一芯片支路存在部分键合线脱落；Branch failure表示IGBT模块DUT某一芯片支路的键合线全部脱落，该芯片支路失效。
CM150DY-34A模块中每个开关为两芯片并联支路，每条芯片支路上有16根键合线，如图7所示，在某一条芯片支路存在部分键合线脱落时，电容Cs在经过5个开过过程后的压降Ucs与健康的模块下测得的是一致的，当该芯片支路上键合线全部脱落，芯片支路失效时，电容Cs在经过5个开关过程后的压降Ucs较健康的模块下测得的发生显著减小。
本专利所提监测方法是在IGBT模块DUT正常工作状态下进行监测的，实验验证该方法不受芯片结温的影响，具有实时在线监测的能力。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
