一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置与方法

技术领域

本发明涉及电力电子功率模块领域，尤其涉及一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置与方法。

背景技术

大功率功率器件已经成为标准组件，广泛地应用于大功率能源变换与输送场合，特别在轨道牵引、航天航空、电动汽车、智能电网和新能源发电等领域扮演者不可或缺的角色。有研究表明，电力电子变流器的故障有31％可以归因于功率器件的失效，而60％的器件失效故障是由于热应力引起的，器件工作结温越高，安全运行裕度越小；结温波动越大，热循环寿命越短。在正常工作温度范围内，器件结温每上升10℃，失效率将会翻倍，所以对功率器件进行结温预测以及可靠性状态监测是非常重要的。

目前。对于功率器件模块的在线可靠性状态检测研究尚在起步阶段。目前常用的功率器件结温预测方法有热传感器法、红外热成像法、RC热阻网络法以及热敏电参数法，其中热传感器法、红外热成像法需要将检测的传感器埋入器件模块内部或者打开功率器件进行测量，对变换器以及功率器件的工作造成影响，不适用于在线监测。而RC热阻网络法通过电力电子器件的外壳温度推算模块结温，受电力电子器件芯片封装材料和封装工艺及老化影响较大，估计的结温误差较大，并且受封装材料工艺、热阻、热容影响，造成检测延时较大。热敏电参数法将功率模块芯片本身作为热传感器，从器件的电气参数入手，通过建立器件电气参数与温度的对应关系来测量结温，使得功率模块结温在线监测成为可能，但是找到合适并且容易检测的热敏参数是一大难点，并且该热敏参数的获取需要不影响变换器以及功率器件的工作。因此，迫切需要开发一种功率器件结温预测以及可靠性状态检测的方法，并且可以不影响变换器以及功率器件的工作，可实现在线检测。

发明内容

为了解决现有技术问题，本发明的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置与方法。针对在线功率器件可靠性状态检测难的问题，本发明通过实时检测三相逆变器的外部数据，包括直流母线电压电流数据和三相输出端对母线地的电压、三相输出电流信息，在不影响逆变器的正常运行且不破坏逆变器和功率器件内部结构的情况下，实现每个功率器件的开关损耗的测量方案和计算方法。进而根据关断损耗以及电流来进行功率器件的可靠性状态检测。

为达到上述发明创造目的，本发明采用如下技术方案：

一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置，包括输入电压电流信息采集单元，用于采集三相逆变器母线上的电压电流信号；输出电压电流信息采集单元，用于采集三相逆变器三相输出对母线地电压以及三相输出电流；输入输出信息处理单元，用于处理电压电流信息；功率器件关断损耗计算单元，用于计算待测功率器件的关断损耗；功率器件可靠性状态判断单元，用于判断待测功率器件的可靠性状态；

其中，所述输入电压电流信息采集单元、所述输出电压电流信息采集单元分别与所述输入输出信息处理单元相连；所述输入输出信息处理单元与所述功率器件关断损耗计算单元相连，所述输入输出信息处理单元、所述功率器件关断损耗计算单元分别与所述功率器件可靠性状态判断单元相连。

优选地，逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，所述输入电压电流信息采集单元包括依次连接的电压电流传感器、电压电流调理电路、电压电流数据储存单元和输出单元，所述输出单元与所述输入输出信息处理单元相连接；其中：

优选地，所述电压电流传感器共有2个，用于采集三相逆变器的直流侧母线电流i

优选地，逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，所述输出电压电流信息采集单元包括依次连接的电压电流传感器、电压电流调理电路、电压电流数据储存单元和输出单元，所述输出单元与所述输入输出信息处理单元、器件关断损耗计算单元连接；其中：

所述电压电流传感器共有6个，用于采集三相逆变器输出对母线地电压信号(U

优选地，逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，所述输入输出信息处理单元用于处理输入输出的电压电流信息。包括待测功率器件电压电流信息处理单元、待测功率器件开关状态判断单元、待测功率器件关断损耗计算时间采集单元数据存储单元以及输出单元，其中：

待测功率器件电压电流信息处理单元可以根据三相逆变器输入输出电压电流信息得到待测功率器件关断过程内的集射极电压(V

优选地，逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，所述功率器件关断损耗计算单元包括器件关断损耗计算单元、数据储存单元以及关断损耗数据输出单元，其中：

所述器件关断损耗计算单元用于接收所述电流信息采集单元输出的电流信号、所述电压信息采集单元输出的电压信号以及所述器件开关状态判断单元采集的关断状态信号，并根据以下式计算待测功率器件的关断损耗；

其中：E

优选地，所述数据储存单元用于储存关断损耗计算单元计算的关断损耗；所述关断损耗数据输出单元用于将关断损耗数据传送给器件可靠性状态判断单元。

优选地，逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，所述功率器件可靠性状态判断单元包括关断损耗-电流-结温关系表单元、器件结温预测单元以及可靠性状态判断单元，其中：

关断损耗-电流-结温关系表单元用于储存关断损耗-电流-结温关系表，关断损耗-电流-结温关系表可事先由双脉冲实验标定得到；器件结温预测单元通过调取信息处理单元中的待测功率器件关断时刻电流以及功率器件关断损耗计算单元计算的关断损耗，与关断损耗-电流-结温关系表对比可得出待测功率器件的结温；可靠性状态判断单元可根据待测功率器件的当前结温判断其可靠性状态，当待测功率器件结温超过一定的阈值，即可判断当前功率器件发生故障，应该及时更换或维修；优选阈值为150℃。

优选地，逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，输入输出信息处理单元可根据输入电压电流信息采集单元和输出电压电流信息采集单元采集到的直流母线电压电流信息、三相输出端对母线地的电压、三相输出电流等8个信息，实现基于输入输出电压电流信息的逆变器中功率器件关断损耗计算；其中：

某相输出对母线地电压即为该相下管的V

优选地，逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，所述输入输出信息处理单元、所述功率器件关断损耗计算单元以及所述功率器件可靠性状态判断单元，可以放置在三相逆变器近端或者远端，放置在近端可以用于现场检测，放置在远端可以用与远程监控和监测。

可见，本发明通过实时检测三相逆变器的外部数据，包括直流母线电压电流数据和三相输出端对母线地的电压、三相输出电流等8个信息，在不影响逆变器的正常运行且不破坏逆变器和功率器件内部结构的情况下，实现每个功率器件的开关损耗的测量方案和计算方法。进而根据关断损耗以及电流来进行功率器件的可靠性状态检测。

一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法，采用上述装置进行操作，操作步骤如下：

步骤一，对变换器中的各个功率器件进行编号，以便于后续的信息采集及可靠性状态检测；

步骤二，所述输入电压电流信息采集单元和输出电压电流信息采集单元实时采集三相逆变器中的电压电流数据，并将数据传送给输入输出信息处理单元进行处理，得到各个待测功率器件的电压电流数据、开关状态以及关断损耗计算时间，并将数据传送给所述功率器件关断损耗计算单元以及所述功率器件可靠性状态判断单元；

步骤三，所述功率器件损耗计算单元根据各个待测功率器件的电压电流数据以及关断损耗计算时间数据，计算各个待测功率器件的关断损耗；

步骤四，所述器件可靠性状态判断单元获取所述输入输出信息处理单元的电流信息以及所述功率器件关断损耗计算单元计算的关断损耗信息，并调取关断损耗-电流-结温损耗单元中存储的事先标定的信息，进而判断待测功率器件的当前可靠性状态；

步骤五，重复执行步骤二到步骤五，循环检测三相逆变器中各个功率器件的关断损耗信息，从而判断其可靠性状态。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：

1.本发明逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法与装置，利用的是方便测量和观测的外部数据，不会影响逆变器和功率器件的正常运行，不会破坏逆变器及功率器件的内部结构，也不会对待测功率器件的安全性带来潜在威胁；而且，开关损耗计算公式简单，开关损耗计算单元的运行计算量小，容易实现在线实时检测，也不易出错；

2.本发明逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法与装置对于功率器件的在线可靠性状态检测的准确度高，从而能够实现在线的对功率器件可靠性状态实时检测；

3.本发明在不影响三相逆变器的正常运行且不破坏三相逆变器和功率器件内部结构的情况下，实现每个功率器件的开关损耗的测量方案和计算方法。根据关断损耗以及电流进行功率器件的可靠性状态检测，信息处理等单元可放在近端也可放在远端，放在远端可实现远程控制和监测，本发明具有逆变器无需改造且数据易采集等优点。

附图说明

图1为本发明一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法与装置的结构示意图。

图2为输入电压电流信息采集单元的结构示意图。

图3为输入输出信息处理单元的结构示意图。

图4为功率器件关断损耗计算单元的结构示意图。

图5为功率器件可靠性状态判断单元的结构示意图。

图6为示例关断损耗-电流-结温三维图。

图7为逆变器接入本发明的电压电流传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明，以便于理解本发明的技术方案，下面结合附图和优选实施例，对本发明作进一步详细说明。应理解，下述的实施实例仅用于说明本发明，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

以下结合具体的实施例子对上述方案做进一步说明，本发明的优选实施例详述如下：

实施例一：

在本实施例中，参见图1，一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置，包括：

输入电压电流信息采集单元1，用于采集三相逆变器母线上的电压电流信号；

输出电压电流信息采集单元2，用于采集三相逆变器三相输出对母线地电压以及三相输出电流；

输入输出信息处理单元3，用于处理采集到的电压电流信息；

功率器件关断损耗计算单元4，用于计算待测功率器件的关断损耗；

功率器件可靠性状态判断单元5，用于判断待测功率器件的可靠性状态；

其中，所述输入电压电流信息采集单元1、所述输出电压电流信息采集单元2分别与所述输入输出信息处理单元3相连；所述输入输出信息处理单元3与所述功率器件关断损耗计算单元4相连，所述输入输出信息处理单元3、所述功率器件关断损耗计算单元4分别与所述功率器件可靠性状态判断单元5相连。

本实施例逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置如图1所示，包括：输入电压电流信息采集单元1，输出电压电流信息采集单元2，输入输出信息处理单元3，功率器件关断损耗计算单元4，功率器件可靠性状态判断单元5。本实施例逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置与方法。针对在线功率器件可靠性状态检测难的问题，本发明通过实时检测三相逆变器的外部数据，包括直流母线电压电流数据和三相输出端对母线地的电压、三相输出电流信息，在不影响逆变器的正常运行且不破坏逆变器和功率器件内部结构的情况下，实现每个功率器件的开关损耗的测量方案和计算方法。进而根据关断损耗以及电流来进行功率器件的可靠性状态检测。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处在于：

在本实施例中，在逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，输入电压电流信息采集单元1，用于检测并采集三相逆变器的母线电压和母线电流。

输入电压电流信息采集单元1，如图2所示，包括依次连接的三个电压电流传感器11、电压电流调理电路12、数据储存单元13和输出单元14，输出单元14与输入输出信息处理单元3连接。

电压电流传感器11，用于采集三相逆变器的母线电压和母线电流，并获得相应的电压电流信息。为了便于精确计算功率器件的开关损耗，电压电流传感器11优先选用高精度、高保真、高带宽、高采样率的电压电流传感器。对于高精度的电压电流传感器11，电流检测误差一般应小于1％额定值。

电压电流调理电路12用于对电压电流传感器11所采集的电流信号进行处理，得到调理后的电压电流信号。同样，电压电流调理电路12也要求高精度，一般情况下，电压电流检测误差应小于1％额定值。

数据储存单元13用于接收和储存由电压电流调理电路12输出的调理后的电压电流信号。

输出单元14用于调取数据储存单13中储存的调理后的电流信号，并将调理后的电压电流信号传输到输入输出信息处理单元3。

上述一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，输出电压电流信息采集单元2，用于检测三相逆变器的三相输出对母线地的电压信号以及三相输出电流信号。

输出电压电流信息采集单元2，包括依次连接的6个电压电流传感器21、电压电流调理电路22、数据储存单元23和输出单元24，电压输出单元24与输入输出信息处理单元3连接。

电压电流传感器21用于采集待测功率器件的电压电流信号，并获得相应的电压电流信息。为了便于精确计算功率器件的开关损耗，电压电流传感器21优先选用高精度、高保真、高带宽、高采样率的电压电流传感器。对于高精度的电压电流传感器11，电压电流检测误差一般应小于1％额定值。

电压电流调理电路22用于对电压传感器21所采集的电压信号进行处理，得到调理后的电压信号。同样，电压电流调理电路22也要求高精度，一般情况下，电压电流检测误差应小于1％额定值。

数据储存单元23用于接收和储存由电压电流调理电路22输出的调理后的电压电流信号。

输出单元24用于调取电压电流数据储存单23中储存的调理后的电压电流信号，并将调理后的电压电流信号传输到输入输出信息处理单元3连接。

上述一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，输入输出信息处理单元3用于处理输入输出的电压电流信息。包括依次连接的待测功率器件电压电流信息处理单元31、待测功率器件开关状态判断单元32、待测功率器件关断损耗计算时间采集单元33、数据存储单元34以及输出单元35。

待测功率器件电压电流信息处理单元31用于对输入电压电流信息采集单元1、输出电压电流信息采集单元2采集的电压电流信息进行处理，得到具体的待测功率器件集射极电压V

待测功率器件开关状态判断单元32可根据三相输出电流信息判断该相是上管工作还是下管工作，当该相输出电流为正说明上管工作，该相输出电流为负说明下管工作；再根据待测功率器件电压电流信息处理单元得到的V

待测功率器件关断损耗计算时间采集单元33可根据V

数据储存单元34用于接收和储存由待测功率器件电压电流信息处理单元31、待测功率器件开关状态判断单元32、待测功率器件关断损耗计算时间采集单元33处理的V

输出单元35用于调取数据储存单元34中储存的信息，并将V

上述一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，功率器件关断损耗计算单元4包括器件关断损耗计算单元41、数据储存单元42以及关断损耗数据输出单元43，其中：

器件关断损耗计算单元用于接收所述输入输出信息处理单元处理得到的待测功率器件集射极电压V

其中：E

数据储存单元42用于储存关断损耗计算单元41计算的关断损耗；所述关断损耗数据输出单元43用于将关断损耗数据传送给所述功率器件可靠性状态判断单元5。

上述一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置中，功率器件可靠性状态判断单元5，包括：关断损耗-电流-结温关系表单元51、器件结温预测单元52以及可靠性状态判断单元53。

关断损耗-电流-结温关系表单元51用于储存关断损耗-电流-结温关系表，关断损耗-电流-结温关系表可事先由双脉冲实验标定得到；器件结温预测单元52通过调取信息处理单元3中的待测功率器件关断时刻电流以及功率器件关断损耗计算单元4计算的关断损耗，与关断损耗-电流-结温关系表对比可得出待测功率器件的结温；可靠性状态判断单元53可根据待测功率器件的当前结温判断其可靠性状态，当待测功率器件结温超过一定的阈值，如阈值设定为150℃，即可判断当前功率器件发生故障，应该及时更换或维修。

在三相逆变器的实际工作中，输入电压电流信息采集单元1、输出电压电流信息采集单元2对三相逆变器的直流侧母线电压电流信息、三相输出电流、三相输出端对母线地的电压进行实时检测和采集。这些信号在线传输给输入输出信息处理单元3，由输入输出信息处理单元3将测得到直流侧母线电压电流信息、三相输出电流、三相输出端对母线地的电压处理成待测功率器件的集射极电压V

为了帮助更好地理解上述一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法与装置的结构以及工作原理，以下将以图7所示的一个典型的三相逆变器为例进行具体的说明。

如图7中所示，VT1～VT6代表的是三相逆变器的6个主功率器件，VD1～VD6分别是各功率器件的反并联二极管，构成六组开关器件；每一相都有上下两组开关器件，接在直流母线两端；并且每一相上的两组开关器件不会同时工作。A、B、C为三相输出端，这是常规的三相逆变器电路。

如图7中所示，TV

由于三相逆变的工作原理，同一时刻同一相上只有一个功率器件处于工作状态，某相输出对母线地电压即为该相下管的V

由以上所述，通过输入输出信息处理单元3可以得到各个待测功率器件在开关过程中的电压电流信息，并根据电压电流信息确定待测功率器件的关断(开通)损耗计算时间；由功率器件关断损耗计算单元4可以计算出待测功率器件的关断损耗。

下面以图7中A相上下管功率器件(VT1与VT4)为例进行说明。当A输出电流大于零时，A相上管功率器件(VT1)工作，测得的A相电压上升沿对应于上管功率器件(VT1)开通过程，测得的A相电压下降沿对应于上管功率器件(VT1)关断过程；母线电压减去A相输出对母线地电压即为VT1的集射极电压；并且在当A输出电流大于零时，存在1/6周期三个上管只有VT1工作，在这1/6个周期内，VT1的开通过程电流和关断过程电流与直流侧母线电流i

其余两相上的功率器件与A相类似，据此可以得到各个待测功率器件在开关过程中的电压电流数据，由这些数据可以计算出对应功率器件的关断损耗。

在使用上述一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测装置之前，还需要进行关断损耗-电流-结温关系表的标定，可由相应的电路拓扑或者双脉冲测试电路进行标定。

所用电路仍为图7中的三相逆变电路，这里以VT1和VT6构成双脉冲测试中的上下两管，VT6为待检测功率器件管为例进行说明。在保持功率器件健康的情况下，将感性负载与VT1并联，通过控制待检测功率器件管VT6的栅极触发信号产生一定直流负载电流i，即，某一测试电流。保证其余功率器件管(VT1、VT2、VT3、VT4、VT5)处于关断状态，此时双脉冲测试电路上管不工作，只用到其反并联的二极管，然后对VT6施加双脉冲，获取待检测功率器件管VT6的电压电流信息。

通过选择不同宽度的功率器件栅极脉冲，使不同大小的测试电流流过待检测功率器件管VT6，重复上述过程进行电流扫描；将健康的功率器件加热到不同的温度进行扫描，实现温度扫描，并计算关断损耗，由此获得待检测功率器件管VT6的关断损耗-电流-结温关系表。

本实施装置能得到关断损耗-电流-结温三维数据，以及在线获得待测功率器件的开通损耗以及关断损耗。功率器件可靠性状态判断单元5通过调取待测功率器件的关断损耗信息和此时的电流信息与关断损耗-电流-结温三维数据对比可以得到待测功率器件的结温状态。当待测功率器件结温超过一定的阈值，如150℃，即可判断当前功率器件发生故障，应该及时更换或维修。

本发明一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法与装置，利用的是方便测量和观测的外部数据，不会影响逆变器和功率器件的正常运行，不会破坏逆变器及功率器件的内部结构，也不会对待测功率器件的安全性带来潜在威胁；而且，开关损耗计算公式简单，开关损耗计算单元的运行计算量小，容易实现在线实时检测，也不易出错。本发明一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法与装置对于功率器件的在线可靠性状态检测的准确度高，从而能够实现在线的对功率器件可靠性状态实时检测。

实施例三：

一种逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法，采用上述装置进行操作，操作步骤如下：

步骤一，对变换器中的各个功率器件进行编号，以便于后续的信息采集及可靠性状态检测；

步骤二，所述输入电压电流信息采集单元和输出电压电流信息采集单元实时采集三相逆变器中的电压电流数据，并将数据传送给输入输出信息处理单元进行处理，得到各个待测功率器件的电压电流数据、开关状态以及关断损耗计算时间，并将数据传送给所述功率器件关断损耗计算单元以及所述功率器件可靠性状态判断单元；

步骤三，所述功率器件损耗计算单元根据各个待测功率器件的电压电流数据以及关断损耗计算时间数据，计算各个待测功率器件的关断损耗；

步骤四，所述器件可靠性状态判断单元获取所述输入输出信息处理单元的电流信息以及所述功率器件关断损耗计算单元计算的关断损耗信息，并调取关断损耗-电流-结温损耗单元中存储的事先标定的信息，进而判断待测功率器件的当前可靠性状态；

步骤五，重复执行步骤二到步骤五，循环检测三相逆变器中各个功率器件的关断损耗信息，从而判断其可靠性状态。

本实施例逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法，利用的是方便测量和观测的外部数据，不会影响逆变器和功率器件的正常运行，不会破坏逆变器及功率器件的内部结构，也不会对待测功率器件的安全性带来潜在威胁；而且，开关损耗计算公式简单，开关损耗计算单元的运行计算量小，容易实现在线实时检测，也不易出错。本实施例逆变器功率器件在线可靠性状态监测方法对于功率器件的在线可靠性状态检测的准确度高，从而能够实现在线的对功率器件可靠性状态实时检测。

上面对本发明实施例结合附图进行了说明，但本发明不限于上述实施例，还可以根据本发明的发明创造的目的做出多种变化，凡依据本发明技术方案的精神实质和原理下做的改变、修饰、替代、组合或简化，均应为等效的置换方式，只要符合本发明的发明目的，只要不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。