CN104365021B

CN104365021B - 用于电源开关健康监测的设备和方法

Info

Publication number: CN104365021B
Application number: CN201380030660.8A
Authority: CN
Inventors: T.A.策尔斯; A.J.M.库尔韦洛
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2012-06-11
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2018-02-16
Anticipated expiration: 2033-05-09
Also published as: AU2013274854A1; CL2014003143A1; JP2015526932A; WO2013188023A1; AU2013274854B2; DE112013002881T5; US8957723B2; US20130328596A1; JP6405303B2; CN104365021A

Abstract

一种方法包括得到电源开关的特性的标准值，并且经由连接到电源开关的栅极端子的栅极驱动单元来得到特性的测量值。该方法还包括通过比较特性的测量值与标准值，来确定电源开关的健康状态。

Description

用于电源开关健康监测的设备和方法

技术领域

一般来说，本发明的实施例涉及电源转换器。其他实施例涉及电源开关健康监测。

背景技术

列车通常包含由机车推动或拉动的多个车厢。机车具有与轨道接合的牵引轮。在现代设计中，电动轮电动机驱动牵引轮。电动轮电动机经由来自机车中包含的一个或多个发动机驱动发电机的电力分配来供电。牵引轮和车轮电动机能够可逆地配置成还充当用于使机车减速的制动器。

类似地，在采矿业，越野车辆(“OHV”)通常将电动轮用于推进或减慢车辆。具体来说，OHV通常包括与交流发电机相结合的大马力柴油发动机、主牵引逆变器以及车辆的后胎中包含的一对车轮驱动组合件。柴油发动机与交流发电机直接关联，使得柴油发动机驱动交流发电机。交流发电机向主牵引逆变器供电，其中半导体电源开关使交流发电机输出电流换向，以便向两个车轮驱动组合件的电驱动电动机提供电力。

在机车和OHV两种应用中，固态电源转换器用来把来自发电机或交流发电机的高压电流提供给车轮电动机。这类电源转换器包括降低电压的电感线圈以及使电流换向的半导体电源开关。虽然上述应用是典型的，但是将会理解，电源转换器能够用于许多其他环境中。

一般来说，电源转换器的操作通过经由对应栅极驱动单元向单独半导体电源开关交替地施加两个不同栅电压来实现。已知的问题是，功率半导体器件、即“电源开关”经受循环热应力。虽然经过正向偏压，但是各半导体以跨装置的较小电压降来传导大电流。尽管跨正向偏压半导体的较低电压，但是电阻发热仍然发生。当去除正向偏置或者栅电压时，各半导体停止导通。因此，在没有过量泄漏电流的情况下，非栅控电源开关应当朝环境温度冷却。

虽然耐用性是半导体设计中的考虑因素，但是电设计约束需要电源开关的各种层由具有不同的热性质、具体来说是不同的热膨胀系数的材料来制作。相应地，随时间推移，热应力能够导致机械故障，例如脱层、端子的剥离或者疲劳裂纹。热应力还能够导致电化学故障，例如电流成丝和柯肯德尔空洞形成。

操作刺激、例如热循环因经过剥离或脱层引起的开关健康的降级而限制电源开关的有用使用期限。如果没有准确了解开关使用期限，则将会过早更换它(这导致不必要的成本以及对预期操作的干扰)或者在操作中的故障之后过迟更换它。在没有测量信息的情况下，开关的实际剩余使用期限难以预测。通常，用于预测使用期限的测量仅在安装了电源开关的电子系统、例如电源转换器的关机或维护周期期间进行。将会理解，关机或维护循环干扰预期操作。

因此，期望准确地确定操作中的电源开关的剩余使用期限。

发明内容

在一个实施例中，一种方法包括得到电源开关的特性的标准值，并且经由连接到电源开关的栅极端子的栅极驱动单元来得到特性的测量值。该方法还包括基于特性的测量值与标准值的比较，来确定电源开关的健康状态。在另一个实施例中，周期地确定健康状态，传送健康监测信号(包含健康状态的信息)供控制电源开关中使用，生成(向操作员或者以其他方式)指示应当更换电源开关等的信号。

在本发明的另一个实施例中，栅极驱动单元包括：输出级，配置成向电源开关传递栅电压；传感器模块，配置成得到电源开关的特性的测量值；以及控制器，配置成基于特性的测量值与标准值的比较，来确定电源开关的健康状态。在另一个实施例中，控制器配置成周期地确定健康状态，并且还可配置成基于健康状态来控制电源开关，传送指示(或者以其他方式用于确定)应当更换开关等的健康监测信号(包含健康状态的信息)。

本发明的另一个实施例是电源转换器。电源转换器包括多个电源开关和多个栅极驱动单元。栅极驱动单元包括相应输出级，其经连接以向多个电源开关传递栅电压。栅极驱动单元的一个或多个还包括相应传感器模块，其经连接以在电源转换器的操作期间得到对应电源开关的至少一个特性的测量值。电源转换器还包括至少一个控制器，其配置成基于多个测量值与至少一个标准值的比较，来确定电源开关的健康状态。在实施例中，所确定的健康状态用于控制电源开关，作为用于生成指示应当更换开关的一个或多个等的信号的基础。

“健康状态”在本文中用来表示电源开关的状态或条件，其提供关于开关是否可需要更换(例如开关是否出故障或者在所指定时间阈值之内可能出故障)的指示。

附图说明

通过阅读以下参照附图的非限制性实施例的描述，将会更好地了解本发明，附图包括：

图1是包括与按照本发明的一实施例的健康监测系统和方法配合使用的三相半导体电源转换器的柴油电力牵引系统的示意图。

图2是图1的电源转换器的开关设备以及按照本发明的一实施例的健康监测系统的示意图。

图3是图2的开关设备的外部的透视图。

图4是图2的健康监测系统的示意图。

图5示出按照本发明的一实施例的健康监测等式。

图6和图7是示出电源开关内部电容一栅电压的相关性的图表。

图8是处于良好健康的状态的电源开关内部的等效电路的示意图。

图9示出对于特定类型的电源开关的导通电压与结温度的示范关系。

具体实施方式

下面将详细参照本发明的示范实施例，在附图中示出其示例。在可能的情况下，附图中通篇使用的相同参考标号表示相同或相似部件。虽然针对电源转换器来描述本发明的示范实施例，但是本发明的实施例也可一般适用于与功率半导体配合使用。

本发明的方面涉及用于直接在关联栅极驱动单元监测电源开关的健康的方法。本发明的实施例涉及健康监测栅极驱动单元，其监测关联电源开关的特性，并且将所监测特性与基准值进行比较。

在实施例中，电源转换器和电源开关特性直接在电源转换器的栅极驱动器、与数字栅极驱动平台结合使用相对少许附加硬件组件(与没有这种功能性的电源转换器相比)来监测。作为补充或替代，栅极驱动器与中央控制器之间的数字通信允许健康状态的分布式测量以及在中央控制器的所有信息的集中收集。按照这种方式的健康监测实现电源开关的更好利用，降低操作中的故障的风险，并且简化电源转换器的服务和维护的计划安排。

图1以示意图示出柴油电力牵引系统100，其可与发明健康监测设备和方法的一实施例配合使用。如所示，在牵引系统100中，内燃机102驱动三相发电机104。由发电机104所产生的AC电压由三相二极管阵列106来整流，三相二极管阵列106经由DC环节107将电压Vdc传递给电容器108和电源转换器110。电源逆变器包括开关设备或“模块”111、112、113、114、115、116，其共同使Vdc换向，以经由输出引线120向牵引电动机130传递三相电力。各开关设备由关联栅极驱动单元来控制，如下面参照图4进一步论述。

将会理解，本发明并不受限于形成电源逆变器110的开关设备111、112等的特定布置。本发明而是同样可适用于其他实施例，包括例如用于电力转换的单个开关模块或者开关模块的阵列。因此，本发明的实施例可适用于电源逆变器(例如图1所示)或其他电源转换器，一般表示配置成按照所指定方式将一种功率波形转换成另一种的装置。

图2以示意图示出开关模块112，而图3以透视图示出开关模块112的壳体320。如图2所示，开关模块112在其壳体320中包括电压控制半导体电源开关220和续流二极管221。电源开关220具有通过结224来接合的集电极222和发射极223。在结224，栅极225经连接以从关联栅极驱动单元402来接收栅电压Vg和栅电流Ige。续流二极管221反并联连接到电源开关220，换言之，续流二极管的阳极连接到电源开关发射极223，而续流二极管的阴极连接到半导体集电极222。

虽然图2具体示出电源开关是隔离栅双极晶体管(IGBT)的示范实施例，但是本发明也可适用于其他电压控制半导体器件，作为非限制性示例包括双模隔离栅晶体管、反向导通IGBT、MOSFET或JFET。另外，虽然图2示出续流二极管，但是将会理解，其他装置或结构可代以引导反向电流。虽然图2示出封装电源开关和续流二极管的开关模块，但是这些组件可分开封装。作为非限制性示例，若干电源开关可共同封装在开关模块中，而关联二极管可共同封装在二极管模块中。

在开关模块112的外部，集电极222连接到输出引线120以及经由开关模块壳体320中包含的集电极端子322连接到电气相邻开关模块113。发射极223经由开关模块壳体320中包含的发射极端子323、在电容器108和整流器106的低压侧连接到DC环节107。

在一实施例中，栅极驱动单元402分别经由感测端子324、325和控制端子326连接到电源开关集电极222、发射极223和栅极225，如下面参照图2-4进一步论述。栅极驱动单元402也连接到热敏电阻327，其安装到开关模块壳体320。

参照图3，热敏电阻327定位成感测接近电源开关结224(图2)的开关模块壳体320处的温度Tc。另外，电源开关结温度的第一值Tj1能够使用“虚拟温度传感器”来感测，“虚拟温度传感器”把来自栅极驱动单元402的电流提供到电源开关中，并且在电源开关的接通时按照Vgeth=f(Tj1, Ige)来测量所产生的阈值电压Vgeth。下面进一步论述Vgeth和Tj。

基于壳体温度Tc，与Vce和Ice的取样相结合，电源开关结温度的第二估计Tj2能够按照Tj2=Tc+Pload(Vce, Ice)×Rth来得到。通过比较Tj1与Tj2，有可能估计从电源开关结224到开关模块壳体320的热阻Rth；能够跟踪这个估计热阻，以识别电源开关半导体结构的降级、例如脱层。

在一些方面，栅极驱动单元402能够配置成按照Rth = Rth,jc + Rth,chs进一步估计中间热阻Rth,jc和Rth,chs。在这类方面，将Rth,jc与Zth,jc(热阻抗)加以区分，其中在后者中，(芯片、焊料层等的)热电容的效应较大。Rth,jc的变化指示脱层。Rth,chs的变化反映电源开关112与开关模块壳体320之间的热界面材料的变化/老化。通过以比结-壳体热回路的时间常数要大的时间间隔来监测对(Vce, Tc)，则能够得到Rth,jc。例如，大(>1000A)IGBT的适当时间间隔可能为大约500 ms。

图4以示意图示出与开关模块112连接的示范栅极驱动单元402，其配置用于按照本发明的一实施例的健康监测。健康监测栅极驱动单元402包括可编程逻辑控制器(PLC)，其在一个实施例中能够是FPGA 420(现场可编程门阵列)。栅极驱动单元402还包括DC电源421、信号转换器422、复用(MUX)ADC(模数转换器)424、存储器426和若干信号连接。具体来说，控制/数据信号连接428接收和传送包括操作员控制信号OC1、OC2等的数据，而PLC 420经由ADC 424从传感器信号连接430、432和434直接接收Vf、Tj和Ve的测量值。

在与电源开关220连接的健康监测栅极驱动单元402，能够测量多个特性的一个或多个，以用于确定电源转换器和/或电源开关的健康状态。健康状态能够通过周期地确定健康状态来监测。按照本发明的一个方面，将这些特性与标准值进行比较，标准值在转换器的第一次操作时(在调试或者预调试期间)确定、在调试之后不久的另一个时间(例如在煲机周期之后或者在除了调试之外的台架测试期间)确定或者由制造商给出。按照图4所示的实施例，测量特性和/或标准值存储在存储器426(其结合到健康监测栅极驱动器402中)中。备选地，测量特性和/或标准值能够存储在中央控制器490的存储器中，其经由控制/数据连接428来与健康监测栅极驱动器402通信连接(“中央”表示至少不是栅极驱动器的一部分，例如控制转换器的多个栅极驱动器的控制器)。

在本发明的方面，电源开关的任何测量特性偏离其标准值的变化能够用作用于确定电源开关的健康状态的基础，例如能够用来预测开关在不久的将来会出故障(例如，电源开关在所指定时间阈值之内多半可能出故障)的电源开关损坏的指示。在另一方面，能够类似地使用电源开关的任何测量特性偏离其标准值的漂移(漂移表示例如超过所指定阈值的随时间的变化)。在任一种或两种情况下，将这种信息传送给电源转换器的中央控制器490，其然后通知操作员或另一实体关于系统要求维护，并且甚至能够报告电源转换器的多个电源开关的哪一个具体电源开关需要更换或维修。这要求中央控制器490与FPGA 420之间经由控制/数据连接428的通信。

若干测量特性及其测量点在图2中示出。从测量特性，能够得出或估计其他更为描述性的特性，如下面进行论述。

描述转换器健康的一种特性(以及更一般来说，其能够用来确定电源开关的健康状态)是换向电感Lcom。Lcom是在开/关功率半导体时整个换向通路的杂散电感。在汇流条脱层、连接的松动或者电容器损坏的情况下，Lcom增加。Lcom跨各电源开关在导通时在电感电压降中反映，以及在截止时在电压过冲中反映。对于在截止时的电压过冲，可考虑二极管正向恢复。在栅极驱动器测量Vce和dIce/dt，以及换向电感按照关系Lcom=deltaVce/dIce/dt来计算。

能够描述单独电源开关的健康状态的其他特性包括正向电压(Vf)、阈值电压(Vgeth)、输入电容(Cge)和米勒电容(Ccg)、模块电感(Lmod)以及结与壳体之间的热阻(Rthjc)。

能够通过在已知电流变化期间、在电源开关的辅助和功率发射极端子之间进行测量以得到跨模块电感的电压降Vlmod来估计Lmod。模块电感然后能够按照Lmod = Vlmod /dIce/dt来确定。增加的Lmod可指示半导体器件端子的剥离。

正向电压Vf是在电源开关传导电流时跨电源开关的电压降。一般关系是Vf=f(Ice, Tj, Vge)。在导通模式，Ice等于相输出电流，其通常由于控制原因而被测量。因此，Ice的值在中央控制器是可用的，使得Tj能够从Vf来计算。

在一个实施例中，如图2所示，Vf采用经过阻塞二极管228连接到集电极222的电流源227来测量。阻塞二极管228在电源开关关断时阻塞高DC环节电压。在通态，电流源与阻塞二极管的连接之间的电压Vf跟随电源开关的集电极-发射极电压。上升到高于其基准值的Vf可指示电源开关的脱层或其他损坏。

Vgeth是电源开关开始传导电流时的栅电压阈值，具有一般关系Vgeth=Vgeth(Tj)=Vg(Ice≈0A)。函数Vgeth(Tj)对负斜率一般是线性的，并且特定函数参数能够通过在单独电源开关的调试时的台架测试来建立。在一个实施例中，栅电压采用ADC连续取样，以及在电流传导开始时的样本取作Vgeth。在另一个实施例中，栅电压在电源开关开始传导电流时取样一次。电源开关开始传导电流的时间能够通过电源开关电流测量或估计来检测。例如，Vgeth能够在电源电流首次超过某个预定义电平时的导通事件期间来取样。

在另一个实施例中，电源电流的压摆率能够被测量并且与某个预定义电平进行比较，以检测电源开关开始导通的时间。当电源开关开始导通时，电流压摆率上升。例如，电源开关压摆率能够作为跨电源开关模块内部杂散电感的电压降来测量。Vgeth的测量能够用于建立Tj，以及还用于检测半导体层的脱层或者栅极端子的剥离。

栅极与发射极之间的输入电容(Cge)以及米勒电容(Cmiller或Ccg)在电源开关的每次开/关事件时均经过栅极来充电和放电。图5、图6和图7示出输入和米勒电容与电气参数的一般关系。电容从调试(标准或基准)值的变化能够用于检测脱层或电流沟道效应。例如，接通或关断期间的栅电流Ige的积分(参见图5)将给出栅极处的电荷的估计，从其中能够得到Cge。Cge呈现滞后或过程相关性；因此，与各种瞬变对应的Cge的若干基准值能够存储在非易失性存储器(存储器426等)中。以后，当特定瞬变在正常操作中重复进行时，Cge能够再次被估计并且与那个瞬变的基准值进行比较。Cge随时间的变化则指示(开关半导体的层之间的)电源开关的电容的过程相关变化。使用阻抗谱，故障位置能够诊断为电源开关中的特定层或界面。

图8示出用于电源开关的所选内部电感、电阻和电容的示范等效电路。图8中，可在栅极驱动器输出测量栅电压Vg。

如图5所示，当电源开关接通或关断时的栅电流的时间积分给出米勒和输入电容的总电荷。栅电压电平Vge_on和Vge_off跨整个操作范围是恒定的，并且在栅极驱动单元402中测量。Vgc_off等于DC环节107上的电压，其能够易于测量。对于图2和图4所示的布线，Vgc_on = Vge_on - Vf。相同操作条件的栅电流积分的比较给出与电源开关健康状态有关的信息。在一个实施例中，仅取栅电流积分的一小部分，其中只有一个电容被充电。

Rthjc、即从半导体器件结到开关模块壳体的热阻是用于监测电源开关健康状态的另一个有用特性。如果电源开关的层开始脱层(其能够导致装置的热过载)，则Rthjc增加。基本关系是Rthjc=(Tj-Tc)/Ploss，其中Ploss在导通模式中确定为Ploss=Ice×Vce。

Tj能够基于在电源开关调试时建立的经验关系、例如Tj=Tj(Vgeth)来估计，其中Vgeth表征为结温度的一般线性递减函数。Vgeth函数参数取决于单独电源开关的氧化物层和沟道结构。为了避免因氧化物层结构的变化(例如脱层)而引入Tj误差，Tj也能够通过在互锁(零电流)周期期间使用电流源驱动Vgeth来测量。图9示出2.5 kV阻塞电压和1200 A标称电流的Hitachi类型IGBT的示范Vgeth(Tj)分布。在示例中，通过2000 mA驱动电流(＝2A)所限定的Vgeth在25℃为6.4 V以及在125℃为5.6 V，因而示出Vgeth与Tj的负关系。

对于所测量或者所得出的特性的任一个，要求基准/标准值以准许健康监测的比较。在一个实施例中，监测特性的标准值在预调试台架测试期间来得到。标准值然后存储在栅极驱动单元402的存储器426中和/或远离栅极驱动单元的控制器490的存储器中。在另一个实施例中，一个或多个基准/标准值在转换器被加电或者处于空闲状态时进行的例行测试期间来建立。在例行测试的一个方面，电源开关按照预定义时间表来切换，以及测量和/或计算电源开关和整个转换器的特性。与标准(例如运行调试)值的比较给出与转换器和电源开关的健康状态有关的信息并且用来确定转换器和电源开关的健康状态。在操作期间，在实施例中，所选特性的连续或周期测量然后与基准值进行比较，以用于监测电源转换器和电源开关的健康。比较能够在栅极驱动单元(例如PLC 420)的控制器中或者在中央控制器490进行。

在本发明的一个实施例中，电源开关的健康状态通过下列步骤来确定：得到电源开关的特性的标准值(例如从存储器得到)；经由经连接以向电源开关提供栅电压的栅极驱动单元来得到特性的测量值；以及将测量值与特性的标准值进行比较。测量值可与栅极驱动单元中或者与栅极驱动单元分离的控制器中的标准值进行比较。在某些方面，栅极驱动单元可周期地向与栅极驱动单元分离的中央控制器传送健康监测信号，例如包含如周期确定的健康状态的信息的健康监测信号。在一些实施例中，测量特性包括Lcom(与电源开关接通或关断时的电源开关关联的换向通路的杂散电感)，其能够用于检测端子剥离。在一些实施例中，测量特性可包括Rthjc(从电源开关结到电源开关壳体的热传递的估计热阻)，其能够用于检测半导体脱层。在一些实施例中，测量特性可包括Vf(当电源开关导通的同时跨电源开关的电压降)和/或Vgeth(当电源开关开始导通时的栅电压阈值电平)，其能够用于检测栅极氧化物降级。在一些实施例中，测量特性可包括Cmiller、Ccg或Cge(能够用来隔离电源开关中的故障位置的电容)。在一些实施例中，测量特性可包括描述经过电源开关的电流的时间函数的参数、例如开关电流转换。因此，在某些实施例中，故障位置可基于在功率瞬变序列期间、特性的测量值与特性的标准值的重复比较来报告。

按照一个实施例，栅极驱动单元包括：输出级，配置成向电源开关传递栅电压；以及传感器模块，配置成得到电源开关的特性的测量值。另外，控制器配置成基于特性的测量值与标准值的比较，来确定电源开关的健康状态。例如，特性可包括Lcom、Rthjc、Vf、Vgeth、Cmiller、Ccg、电流变化率或Cge中的任一个。控制器可结合到栅极驱动单元中。备选地，控制器可与栅极驱动单元分离，并且配置成与其他栅极驱动单元进行通信。在某些实施例中，栅极驱动单元可配置成周期地向与栅极驱动单元分离的中央控制器传送健康监测信号，例如包含如周期确定的健康状态的信息的健康监测信号。

按照另一个实施例，电源转换器包括多个电源开关和多个栅极驱动单元。栅极驱动单元包括：相应输出级，经连接以向多个电源开关传递栅电压；以及传感器模块，经连接以在电源转换器的操作期间得到电源开关的一个或多个特性的测量值。例如，一个或多个特性可以是Lcom、Rthjc、Vf、Vgeth、Cmiller、Ccg、电流变化率或Cge中的任一个或多个。电源转换器还包括至少一个控制器，其配置成基于多个测量值与至少一个标准值的比较，来确定电源开关的相应健康状态。在某些实施例中，可提供多个控制器，各控制器结合到多个栅极驱动单元之一中。在一些实施例中，至少一个控制器配置成基于所确定的健康状态来报告电源开关故障的风险。在其他实施例中，转换器总体的健康状态按照电源开关的健康状态的周期确定来监测。

在另一个实施例中，一种方法包括监测电源转换器中的多个电源开关的相应健康状态，并且向远离电源转换器的接收方传递健康状态的信息(远程表示控制器或接收方不在电源转换器中，例如不在转换器的外壳中)。监测健康状态的步骤包括从存储器单元得到电源开关的一个或多个特性的一个或多个相应标准值，在电源转换器的操作期间周期地得到电源开关的一个或多个特性的测量值，并且基于测量值与标准值的比较来周期地确定健康状态。传递给远程接收方的信息可识别将要维修或更换的多个电源开关的一个或多个。

如将会易于理解，在本发明的方面，一个或多个电源开关的健康状态能够在操作期间连续监测。(虽然健康状态的各确定花费离散时间量，但是尽可能快地重新确定健康状态或者相对于预计电源开关瞬变以较短间隔重新确定健康状态引起实际上连续监测。)因此，有可能检测故障条件的临近开始，以及主动更换处于故障危险的装置。同时，有可能避免不必要的设备关机以供健康装置的检验或计划更换。因此，操作和维护的成本能够降低。

要理解，预计以上描述是说明性而不是限制性的。例如，上述实施例(和/或其方面)可相互结合使用。另外，可对本发明的理论进行多种修改以使具体情况或材料适合本发明的理论，而没有背离其范围。虽然本文所述的尺寸和类型预计定义本发明的参数，但是它们完全不是限制性的，而只是示范实施例。通过阅读以上描述，许多其它实施例将是本领域的技术人员显而易见的。因此，本发明的范围应当参照所附权利要求连同这类权利要求涵盖的完整等效范围共同确定。在所附权利要求书中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包含”和“其中”的普通语言等效体。此外，在以下权利要求书中，诸如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“底部”、“顶部”等的术语只用作标号，而不是意在对其对象施加数字或位置要求。此外，以下权利要求书的限制并不是按照部件加功能格式编写的，并且不是意在基于35U.S.C.§ 122第六节来解释，除非这类权利要求限制明确使用词语用于“…的部件”加上没有其它结构的功能的陈述。

本书面描述使用示例来公开包括最佳模式的本发明的若干实施例，并且还使本领域的技术人员能够实施本发明的实施例，包括制作和使用任何装置或系统，以及执行任何结合方法。本发明的专利范围由权利要求书来定义，并且可包括本领域的技术人员想到的其它示例。如果这类其它示例具有与权利要求书的文字语言完全相同的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的文字语言的非实质差异的等效结构元件，则它们意在落入权利要求书的范围之内。

本文所使用的、以单数形式所述并且具有数量词“一”或“一个”的元件或步骤应该被理解为不排除多个所述元件或步骤的情况，除非明确说明了这种排除情况。此外，本发明的“一个实施例”的说法不是要被理解为排除同样结合了所述特征的其它实施例的存在。此外，除非相反的明确说明，否则，“包括”、“包含”或“具有”带特定性质的元件或多个元件的实施例可包括没有那种性质的附加的这类元件。

由于在用于电源开关健康监测的上述设备和方法中可进行某些变更而没有背离本文所涉及的本发明的精神和范围，所以预期以上描述以及附图所示的主题的全部只被理解为示出本文的发明概念的示例，而不是被理解为限制本发明。

Claims

1.一种用于电源开关健康监测的方法，包括：

得到电源开关的结到壳体的热阻的标准值；

在中央控制器和/或通信连接在所述电源开关的栅极端子和所述中央控制器之间的栅极驱动单元中存储所述标准值；

在所述电源开关操作期间，在所述栅极驱动单元得到相同的电源开关的所述结到壳体的热阻的测量值；以及

在所述栅极驱动单元中或在中央控制器中监测基于所述结到壳体的热阻的所述测量值与所述标准值的比较而确定的所述电源开关的健康状态；

其中所述结到壳体的热阻的测量值是通过栅电压阈值与栅极-发射极电流的比较以及通过集电极-发射极电压与集电极-发射极电流的比较获得的。

2.如权利要求1所述的方法，其中，所述栅极驱动单元向与所述栅极驱动单元分离的中央控制器周期地传送健康监测信号，并且所述健康监测信号包括所述健康状态的信息。

3.如权利要求1所述的方法，其中，与所述栅极驱动单元分离的中央控制器还将所述测量值与其中存储的所述标准值进行比较。

4.如权利要求1所述的方法，还包括基于在功率瞬变序列期间的所述结到壳体的热阻的所述测量值与所述结到壳体的热阻的所述标准值的重复比较来报告在所述电源开关内的故障位置。

5.如权利要求1所述的方法，还包括基于电源开关的所确定的健康状态来推荐所述电源开关的更换。

6.如权利要求1所述的方法，还包括：估计中间热阻；并且基于中间热阻从基准值的变化而诊断所述电源开关的健康状态变化的原因。

7.一种用于电源开关健康监测的系统，包括：

栅极驱动单元，其连接至所述电源开关，包括：

输出级，配置成向所述电源开关传递栅电压和/或栅电流；以及

传感器模块，配置成在所述电源开关操作期间得到所述电源开关的结到壳体的热阻的测量值；以及

控制器，配置成基于所述结到壳体的热阻的所述测量值与先前存储在所述栅极驱动单元和/或控制器中的结到壳体的热阻的标准值的比较，来确定所述电源开关的健康状态；

8.如权利要求7所述的系统，其中，所述控制器与所述栅极驱动单元分离，并且配置成与其他栅极驱动单元进行通信。

9.如权利要求7所述的系统，其中，所述控制器配置成向不同控制器周期地传送健康监测信号，并且所述健康监测信号包括所述健康状态的信息。

10.如权利要求7所述的系统，所述控制器还构造成：估计中间热阻；并且基于中间热阻从基准值的变化而诊断所述电源开关的健康状态变化的原因。

11.一种电源转换器，包括：

多个电源开关；

多个栅极驱动单元，包括：输出级，经连接以向所述多个电源开关传递栅电压和/或栅电流；以及传感器模块，经连接以在所述电源转换器的操作期间得到所述多个电源开关中每一个的结到壳体的热阻的测量值；以及

至少一个控制器，配置成基于多个结到壳体的热阻的测量值与先前存储在所述栅极驱动单元和/或控制器中的结到壳体的热阻的标准值的比较，来确定所述多个电源开关的健康状态；

12.如权利要求11所述的电源转换器，其中，所述至少一个控制器还构造成：估计中间热阻；并且基于中间热阻从基准值的变化而诊断所述多个电源开关的健康状态变化的原因。

13.如权利要求11所述的电源转换器，其中，所述至少一个控制器配置成基于所确定的健康状态来报告电源开关故障的风险。

14.一种用于电源开关健康监测的方法，包括：

监测电源转换器中的多个电源开关的相应健康状态；以及

向远离所述电源转换器的接收方传递所述健康状态的信息；

其中在通信连接到电源开关的栅极端子的栅极驱动单元中和/或在通信连接到所述栅极驱动单元的中央控制器中，监测所述健康状态的所述步骤包括：

从存储器单元得到所述电源开关的结到壳体的热阻的的一个或多个相应标准值；

在所述电源转换器操作期间得到所述电源开关的结到壳体的热阻的测量值；以及

基于所述测量值与所述标准值的比较来确定所述健康状态；

15.如权利要求14所述的方法，其中，所述方法还包括：估计中间热阻；并且基于中间热阻从基准值的变化而诊断所述电源开关的健康状态变化的原因。