[發明專利]一種基于器件開關損耗的電力電子在線可靠性狀態檢測裝置與方法

在審

• 申請號: 202011024348.6
• 申請日: 2020-09-25
• 公開（公告）號: CN112067967A
• 公開（公告）日: 2020-12-11
• 發明（設計）人: 徐國卿;魏偉偉
• 申請（專利權）人: 上海大學
• 主分類號: G01R31/26
• 分類號: G01R31/26
• 代理公司: 上海上大專利事務所(普通合伙) 31205
• 代理人: 何文欣

本發明公開了一種基于器件開關損耗的電力電子在線可靠性狀態檢測裝置與方法，包括電流信息采集單元、電壓信息采集單元、器件開關狀態判斷單元、器件開通損耗計算單元、器件關斷損耗計算單元、器件狀態?電流?開關損耗關系表單元和器件可靠性狀態判斷單元。本發明通過實時檢測待測IGBT的外部數據，包括直流電壓和三相輸出端對母線地的電壓、三相輸出電流信息，在不影響IGBT的正常運行且不破壞IGBT內部結構的情況下，實現每個IGBT的總損耗、二級管損耗、IGBT凈損耗的測量方案和計算方法，且通過IGBT狀態計算損耗，無需計算出具體地開關時間。進而根據開關損耗以及電流來進行IGBT芯片的可靠性狀態檢測，本發明具有傳感器少、逆變器無需改造且數據易采集優點。

技術領域

本發明涉及電力電子功率模塊領域，尤其涉及一種基于器件開關損耗的電力電子在線可靠性狀態檢測裝置與方法。

背景技術

絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)自20世紀80年代來發展迅速，已經成為標準組件廣泛地應用于大功率能源變換與輸送場合，特別在軌道牽引、航天航空、電動汽車、智能電網和新能源發電等領域扮演者不可或缺的角色。由于其復雜的工作環境導致其面臨的工況也越來越嚴苛，且功率模塊等級和溫度耐受能力的要求均逐步提升。然而更高的功率等級以及工作溫度將會帶來更大的失效風險，且模塊內部在長時間承受高溫以及大應力時極易發生老化、疲勞，模塊損耗以及系統穩定程度將受到很大的影響，并且在實際中的一些參數難以測量，所以對IGBT模塊的在線可靠性狀態檢測一直是電力電子領域的研究熱點和難點。

目前。對于IGBT模塊的在線可靠性狀態檢測研究尚在起步階段。由于熱是引發模塊失效的最主要原因，因此大量的研究側重于IGBT模塊的結溫提取，采用熱阻網絡模型、熱敏電參數以及有限元分析等手段計算和預測IGBT芯片結溫，從而能夠發現異常結溫工作情況并報警。結溫提取技術僅能夠預警芯片過熱失效的損壞情況，屬于瞬態保護，但無法探查結溫處于允許運行范圍內的模塊是否發生老化(如IGBT門氧層發生老化)，從而無法對已經處于老化狀態的模塊進行保護。讓其繼續承受和正常模塊相同的大電流、高電壓，將加快其失效的進程。進而威脅到整個變換器系統的工作和運行。而IGBT的門氧層是一層實現柵極與發射集電氣絕緣的二氧化硅薄膜，且門氧層很薄擊穿電壓較低，是IGBT芯片中相對薄弱的環節。因此，迫切需要開發一種可以同時檢測IGBT老化以及結溫的方法，方并且可以實現在線檢測。

發明內容

鑒于上述情況，本發明提出了一種基于器件開關損耗的電力電子在線可靠性狀態檢測裝置與方法。針對在線IGBT可靠性狀態檢測難的問題，本發明通過實時檢測待測IGBT的外部數據，包括直流電壓和三相輸出端對母線地的電壓、三相輸出電流信息，在不影響IGBT的正常運行且不破壞IGBT內部結構的情況下，實現每個IGBT的總損耗、二級管損耗、IGBT凈損耗的測量方案和計算方法。進而根據開關損耗以及電流來進行IGBT芯片的可靠性狀態檢測。

為達到上述目的，本發明采用下述技術方案：

一種基于器件開關損耗的電力電子在線可靠性狀態檢測裝置與方法，包括：電流信息采集單元，用于采集待測IGBT的電流信號；電壓信息采集單元，用于采集待測IGBT的電壓信號；器件開關狀態判斷單元，用于判斷IGBT開關狀態以及采集待測IGBT開關過程時間信號；器件開通損耗計算單元，用于計算待測IGBT的開通損耗；器件關斷損耗計算單元，用于計算待測IGBT的關斷損耗；器件狀態-電流-開關損耗關系表單元，用于存儲預先獲得的待測IGBT的器件狀態-電流-開關損耗三維表；器件可靠性狀態判斷單元，用于判斷待測IGBT的可靠性狀態。