一种功率元器件老化诊断方法

技术领域

本发明涉及元器件老化诊断技术领域，尤其是涉及一种功率元器件老化诊断方法。

背景技术

随着功率元器件的使用，不可避免的产生老化。老化将引起功率元器件的损耗增加以及传热性能变差，将加剧功率元器件的失效。当前，行业内认为20％热性能变化，可以认为功率元器件发生了老化失效。

在电机控制器中，有50％的电力电子器件失效是由于功率元器件热失效引起的。特别的，对于电动汽车，由于安装位置受限，控制器散热能力较差，且不可避免的会工作在重载坡起、堵转、急加速等极端工况下，无疑增加了功率元器件的过温风险。由于无法直接测量功率元器件的晶圆处的温度，当前通常采用热模型的方法实时估算功率元器件的结温，以避免功率元器件发生热失效。

目前，主要有两种方法诊断功率元器件的老化。一是基于热模型实时诊断功率元器件的老化程度，二是基于累积损伤的方式实时计算。热模型的方法受到冷却条件的影响，但是对于电动汽车这种应用环境，其冷却条件通常都是不可知或者不准确的，很难应用。基于累积损伤实时计算功率元器件的老化，一般为十分复杂的经验公式，需要大量的标定才能相对准确的确定其系数，且需要实时计算占用运行时内存。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种功率元器件老化诊断方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种功率元器件老化诊断方法，所述方法用于诊断电机控制器上功率元器件老化，所述方法包括以下步骤：

步骤一：在特定的工况下，标定功率元器件在不同电流下，损耗与温差的对应关系，所述温差为结温和NTC之间温差；

步骤二：判断是否处于上电状态；

步骤三：判断控制器是否满足诊断条件；

步骤四：如满足诊断条件，控制器给定d轴电流；

步骤五：功率元器件温度稳定后，计算功率元器件的损耗以及温差；

步骤六：根据步骤一的标定结果和步骤五计算的损耗以及温差，计算老化系数；

步骤七：根据老化系数，判断功率元器件是否发生老化。

进一步的，所述步骤一中特定工况为堵转工况，在所述堵转工况下，电机处于脉宽调制，电机转速为零，电机的三相电流为直流电流，整个标定过程中电机的各相电流保持恒定。

进一步的，在所述堵转工况下，设定控制器进入电流环控制，给定设定的d轴电流，

功率元器件在不同电流下，记录功率元器件温度稳定后的结温T

P

P

P

P

式中，P为功率元器件的损耗，P

制作损耗和温差表格LUT(P,T

进一步的，所述步骤二中判断是否处于上电状态为：

电机控制器直接读取上电信号，如果检测到上电，进入步骤三。

进一步的，所述步骤三中诊断条件包括电机转速是否为零以及控制器是否存在故障。

进一步的，所述步骤四中控制器给定d轴电流为，控制器通过电流环直接给定设定的d轴电流，在持续设定时长后退出电流环控制。

进一步的，所述步骤五中功率元器件温度稳定后，计算功率元器件的损耗以及温差为：

记录功率元器件稳定后一段时间的电流以及温差，记为实际的温差；同时，控制器根据采集到的母线电压、电流、占空比，结温、开关频率信号，计算这一时刻的损耗P(t)。

进一步的，当功率元器件在t0时刻通入电流后，t1时刻温差达到稳定，t2时刻退出电流环，控制器计算t1到t2时刻的平均损耗P

式中，t

进一步的，所述步骤六中根据标定结果和计算的损耗以及温差，计算老化系数为：

根据步骤五计算的损耗，查询步骤一得到损耗与温差的标定结果，确定该损耗下参考温差，根据步骤五计算的温差与参考温差，计算老化系数f

f

式中f

进一步的，所述步骤七中判断是否发生老化为：当老化系数大于设定值，诊断功率元器件发生了老化。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

一)本发明提供的功率元器件老化诊断方法预先标定功率元器件损耗与结温和NTC的温差，在逆变器工作时通过记录流入功率元器件的电流I、母线电压V、占空比D和开关频率F

二)本发明提供的功率元器件老化诊断方法不占用运行时内存：仅在上电时候做出诊断，不在正常运行时诊断，不占用正常运行时内存。

三)本发明提供的功率元器件老化诊断方法精度高、模型简单。传统的基于传统的累积损伤—反应论模型，需要实时计算，且多为经验公式，具有计算量大，且模型精度不高等缺点，本专利提出的老化诊断方法可以有效的解决这两个缺点。

附图说明

图1为实施例中的控制器功率元器件的结构示意图；

图2为实施例中的控制器功率元器件的温升过程示意图；

图3为实施例中的控制器功率元器件的热模型示意图；

图4为本发明一种功率元器件老化诊断方法的流程示意图；

图中标号所示：

1、功率元器件的芯片，2、功率元器件的绑定线，3、铜，4、温度传感器，5、焊接层，6、功率元器件封装部分，7、功率元器件散热部分。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

作为本发明的其中一种实施方式，提供一种功率元器件老化诊断方法，其主要用于功率元器件的老化诊断，特别的本发明专利主要用于新能源汽车主驱电机控制器的功率元器件的老化诊断，如图4所示其主要步骤为：

步骤一，标定特定工况下，不同电流下，功率元器件结温和控制器温度传感器(NTC)的温差。电机转速为零时，脉宽调制下，电机的三相电流为直流电流。这种情况下，设定电控进入电流环控制，给定d轴电流，此时功率元器件的温度将逐渐升高。功率元器件温度稳定后，记录稳定后的结温，NTC的温度和各相电流，电压和占空比。根据记录的电压，占空比和开关频率计算功率元器件的损耗，并制作损耗—结温和温差表格，表格的自变量为功率元器件损耗，表格的因变量为结温和NTC之间的温差。

步骤二：判断是否处于上电状态。电机控制器可以直接读取上电信号，如果检测到上电后，会进行诊断功能的判断。

步骤三：判断控制器是否满足诊断条件，包括电机转速是否为零以及控制器是否存在故障，如满足诊断条件进入步骤四。

步骤四：控制器给定d轴电流，控制器通过电流环直接给定设定的d轴电流。

步骤五：计算功率元器件的损耗、结温和NTC的温差。通入特定电流后，功率元器件结温和NTC之间的温差，通常很快稳定，软件通过时间设定，记录稳定后一段时间的的电流以及结温和NTC之间的温差,记为实际的结温和NTC之间的温差。同时，控制器会计算根据采集到的母线电压、电流、占空比，结温、开关频率等信号，计算这一时刻的损耗。

步骤六：计算老化系数。根据步骤一的标定结果和步骤五计算的损耗以及结温和NTC之间的温差，计算老化系数。根据步骤五计算的损耗，查步骤一得到的损耗-结温和NTC温差表格，确定该损耗下参考结温和NTC之间的温差。老化系数为步骤五计算的结温和NTC之间的温差除以参考结温和NTC温差。

步骤七：判断是否发生老化。当老化系数大于设定值，即认为功率元器件发生了老化。

图1为所研究的控制器功率元器件的示意图，图中1为功率元器件的芯片，2为功率元器件的绑定线，3为铜，4为温度传感器(Negative Temperature Coefficient，NTC)，5为焊接层，6为功率元器件封装部分，7为功率元器件散热部分。NTC主要用于采集电机控制器的温度，该温度并不是结温。本应用场景下，结温可以通过采集功率源极和漏极之间的电压，通过标定的不同电流下的电压和温度的关系，查表得出结温。

当功率元器件通入电流后，不可避免的将产生损耗，损耗通过芯片到功率元器件的封装结构，最终通过散热部分散热，整个过程中将引起部件的温度上升。

图2描述了通入固定电流后，功率元器件结温和温度传感器的温升过程。有图可知在t0时刻通入固定电流后，结温和NTC的温度将升高，t1时刻结温和NTC的温度将达到恒定值，即进入稳定状态。

功率元器件在通入电流时，且电流的有效值通常都是变化的，使得控制器里面的温度交替变化，不可避免的产生热应力。热应力对于功率元器件的损伤主要集中在以下两个方面，一是绑定线的损伤，一是焊接层的损伤。且随着持续使用，绑定线和焊接层损耗将持续增大，当达到一定程度下，认为功率元器件已经发生老化失效。绑定线的损伤将引起损耗的加大，焊接层的损伤将引起热阻的增大，将引起结温的升高，即老化将以一定的热形式表现出来。

为了描述功率元器件的温升过程，通常可用热网络模型，即将模型抽象为损耗(P)，热阻(R)，热容(C)，其中C主要是瞬态模型。本发明专利，应用稳定的结温和NTC之间的温差，不考虑瞬态模型，所以将模型抽象为PR模型，如图3所示。

图3中P为功率元器件的损耗，T

其中结温可以用以下公式表示：

T

其中NTC的温度可以用下式表示：

T

其中结温到NTC之间的温度可以用下式表示：

T

其中P为功率元器件的损耗，可以用下式计算：

P＝f(I,V,D,F

上式中I为流入功率元器件的电流，V是母线电压,D为占空比,F

式3，描述了T

图4描述了一种功率元器件老化诊断原理，包括以下步骤：

步骤一，标定特定工况下的T

本发明的特定工况为堵转(电机转速为0)工况，即此时脉宽调制处于固定角度，电机的相电流电流值恒定，整个标定过程种电机各相电流都是恒定的。标定时，记录图2种t1时刻到t2时刻的平均温差。同时，根据采集到的相电流，占空比，母线电压，Tj计算t1到t2时刻的损耗，制成表格LUT(P,T

T

步骤二：判断电控是否处于上电状态。

一般的，电机控制器可以直接读取上电状态，当电控上电时，将进入步骤三。

步骤三：是否满足老化诊断条件。

上电状态时候，将根据电机控制器状态判断判断是否能够进入诊断，一是电机的转速是否为0，二是电机是否处于故障状态。如果电机处于0转速状态且无故障，将进入老化诊断环节。

步骤四：给定d轴电流。

诊断前设定特定的d轴电流，电控将通过电流环直接给定d轴电流，持续时间为t2秒，之后退出电流环控制。

步骤五：记录损耗，结温和NTC的温差。

当功率元器件在t0时刻通入电流后，t1时刻结温和NTC之间的温差达到稳定，t2时刻退出电流环。控制器将计算t1到t2时刻，平均损耗P

式中t

步骤六：计算老化系数。

根据步骤一标定的结果和步骤五的测试结果，计算功率元器件的老化系数，老化系数可用下式表示：

f

式中f

步骤七：判断老化状态。

根据步骤六计算的老化系数判断功率元器件是否老化方法为，当计算的功率元器件老化系数大于设定值时，即认为已经发生老化。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。