CN105337523B - Npc型三电平逆变器可靠性在线监测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种在线监测三电平逆变器中功率开关器件的系统及方法。该系统及方法包括：通过对NPC逆变器中电流流通路径判断出三相桥臂中十二个功率开关器件的开关状态，在每周期内微调PWM波形，以供选择合适测量时间段，在正常工况下进行检测工作；外部辅助电源单元，在上述检测时段内对被测器件注入两种幅值的电流，同时数据采集单元分别测得IGBT功率器件和其反并联二极管通态压降；分析可靠性单元将测得电压作为温敏电气参数，生成导通压降和结温关系图作校准曲线，将获得的结温和通态压降做成基准查阅表。在线监测高电流下器件导通压降增幅超过阈值，即可认定该IGBT器件内部发生键合引线失效。依次获取各器件健康状态，得到整个逆变器可靠性检测结果。

Description

NPC型三电平逆变器可靠性在线监测系统及方法
技术领域
本发明属于功率器件在线健康监测领域，特别涉及一种针对三电平NPC型逆变器拓扑的可靠性监测系统及方法。
背景技术
相对于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电平数增加、更好的谐波频谱、器件所承受的电压应力小等优势，但是由于多电平电路使用了数量较多的开关器件，导致电路的可靠性相应降低，任何一个器件故障都有可能导致整个电路停止工作，甚至会影响到其他电路的安全，造成不可估量的经济损失。
器件结温是衡量IGBT功率器件热可靠性的主要因素之一。目前对功率器件在热冲击下的性能劣化和可靠性衰退的机理研究较少，对失效进程的认识和把握不足，缺少能表征器件失效进程的特征量；对功率器件及并网变流装置的离线概率可靠性评估也因器件基础可靠性指标(如平均寿命、老化失效率、不可用率)的缺失，其深入开展受到限制。因此，提出围绕功率器件(以NPC型三电平逆变器中常用的IGBT为对象)的可靠性在线监测。
文献1发明专利申请《一种NPC三电平逆变器故障冗余控制方法》(公布号CN103378759A)；通过对NPC三电平逆变器进行器件故障实时监测，当检测到IGBT器件端电压始终为零时，认定该管发生短路故障；端电压始终为非零值时，认定该管发生开路故障，这样只能在器件发生故障后得到IGBT功率器件的可靠性的检测结果。因此对逆变器应用中在线监测方面，是不可行的。
文献2《A Fault Detection and Protection Scheme for Three-Level DC–DCConverters Based on Monitoring Flying Capacitor Voltage》2012IEEERANSACTIONSON POWER ELECTRONICS.(《基于监测飞跨电容电压的三电平直流-直流变换器的故障检测和保护方案》，2010IEEE电力电子学会刊)通过提取基于器件失效后造成开关管两端不平衡的电压应力，通过飞跨电容电压的监测，分析故障位置，提出保护策略并采取补救措施。但该方法只能够快速识别器件失效后带来的主电路电压变化，不能实现器件失效前的诊断和预测。
现有专利中，测量结温时使用接触式或非接触式直接测量法均不能实现针对逆变器运行状态下的在线实时监测。通过选择合适的温敏电气参数，提高推算结温的精度是判断器件健康状态的关键因素。
发明内容
本发明是针对多电平逆变电路容易出现故障的问题，提出一种NPC型三电平逆变器可靠性监测系统，该系统能在不同的开关周期依次检测NPC三电平逆变器三相桥臂中共六个IGBT器件/反并联二极管(每相桥臂中间两个器件)是否发生故障，并在容错控制PWM驱动波形后保持三相平衡工作，不降低电路的输出功率。由于每相桥臂首尾两个器件在工况下，导通状态不满足测试条件，因此只能依据导通次序相似的器件，即已测的六个IGBT器件/反并联二极管，估计其健康程度。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种NPC型三电平逆变器可靠性在线监测系统，其特征在于，包括PWM驱动调整单元(10)、辅助电源单元(20)、继电器单元(30)、数据采集单元(40)、分析可靠性单元(50)和NPC型三电平逆变器主电路(60)；
其中所述NPC型三电平逆变器主电路(60)，包括十二个功率开关器件，器件中十二个IGBT分别为Ta1～Ta4、Tb1～Tb4、Tc1～Tc4，十二个与IGBT反并联的二极管分别为Da1～Da4、Db1～Db4、Dc1～Dc4；
其中所述PWM驱动调整单元(10)，输入端与分析可靠性单元(50)中控制器(501)连接，输出端与逆变器主电路(60)中十二个功率开关器件的驱动信号端相连；
所述辅助电源单元(20)，主要由幅值为I1和I2的两个电流源并联组成，通过继电器单元(30)与逆变器主电路(60)中待测功率开关器件(601)连接，其中待测功率开关器件(601)包括：Ta2、Ta3、Tb2、Tb3、Tc2、Tc3、Da2、Da3、Db2、Db3、Dc2、Dc3；
所述继电器单元(30)，包括三级连接，其中一级单元(301)包括DPDT1、DPDT2、DPDT3三个双刀双掷继电器，每个DPDT输出端四路引脚中间两路接通，引出三路连接线，共九路连接线，接至逆变器主电路(60)三相桥臂中六个待测功率开关器件(601)的两端共九个节点；二级单元(302)包括串联的DPDT4和DPDT5；一级单元(301)和二级单元(302)有六路连接，其中四路是一级单元(301)中两个DPDT的输入端和二级单元(302)中DPDT4的输出端，另两路是一级单元(301)中一个DPDT输入端和二级单元(302)中DPDT5输出端；三级单元(303)包括一个DPDT6，其输入端两路引脚和二级单元(302)中DPDT5输入端相连，输出端连接至辅助电源单元(20)；
所述数据采集单元(40)，包括高采样频率的数据采集卡，其测量电压信号的输入端连接至待测功率开关器件(601)两端，在上述PWM驱动调整单元(10)调整时段内，对待测功率开关器件(601)在被测时段的端电压进行测量，数据采集卡输出端连接至分析可靠性单元(50)存储；
所述分析可靠性单元(50)，其中控制器(501)的输入端与数据采集单元(40)相连，输出端分别连接至分析与监测单元(502)、PWM驱动调整单元(10)、辅助电源单元(20)和继电器单元(30)。
一种根据权利要求1所述的在线监测系统的实施方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤A、一个完整开关周期内，对NPC型三电平逆变器主电路(60)中三相桥臂共十二个IGBT器件的开关状态和电流路径做出分析，保持三相平衡工作，选取0.4ms时段调整逆变器开关管PWM驱动波形；
步骤B、通过控制继电器单元(30)中DPDT1至DPDT6的十二种开关状态，在辅助电流源(20)和待测功率开关器件(601)之间切换连接，按序循环选择每个待测IGBT器件的两端注入高低交替的电流脉冲序列；
步骤C、在步骤A做出调整的时段内，外部辅助电流源(20)与待测功率开关器件中当前被选的单个IGBT器件连接路径中导通两种幅值的电流，数据采集单元(40)测得健康状态下该IGBT器件的导通电压并存储；
步骤D、分析在初始健康状态下时，步骤C存储的IGBT导通电压数据，和通态电流、结温对应起来，生成导通电压和结温关系图作校准曲线，将获得的通态压降和结温对应成基准查阅表；
步骤E、在线条件下，获取待测功率开关器件(601)端电压值，与健康状态下步骤D生成的基准查阅表对比，若通态压降波动幅值小于阈值，则认定该器件处于健康状态，检测下个器件；若增长幅值大于阈值，即认定该器件存在故障或处于即将损坏状态，循环依次得到每个待测IGBT及反并联二极管的健康程度，进而完成对整个逆变器的可靠性监测。
本发明实施例提供的一种在线监测三电平逆变器中IGBT功率器件可靠性的方法，其有益效果如下：
1、本发明提供的NPC三电平逆变器可靠性在线监测方法，是基于主电路中器件角度，针对功率器件中IGBT和反并联二极管上键合引线的失效做出预测性判断。与以往需要停止对电路供电，打开器件检测结温分布不同，本发明实现在工况条件下的在线监测IGBT功率器件健康程度，进而判断可靠性。
2、本发明提供的在线监测逆变器中IGBT功率器件可靠性方法，首先对NPC型三电平逆变器中一个完整周期内，功率器件的导通关断状态和电流路径做出分析，创新性的提出了微调整其正常的PWM驱动波形，以供选择合适测量时间段，在正常工况下完成检测工作。
3、本发明提供的NPC三电平逆变器可靠性在线监测方法，亦可作为离线检测方法使用。不需要PWM驱动调整单元再对每周期内驱动波形进行调制，即可快速不受限地对整个逆变器中十二个IGBT器件/反并联二极管依次检测。通过对每个功率开关管的健康状态估算，做出整个逆变器系统可靠性的判断，对于电路安全具有重要的指导意义。
附图说明
图1为本发明实施基于NPC型三电平逆变器的在线监测总电路示意图；
图2为本发明实施在线监测系统中继电器单元内部连接示意图；
图3为本发明实施基于三电平逆变器可靠性在线监测方法流程图；
图4为本发明实施逆变器中A相桥臂四个开关管驱动调整示意图；
图5为本发明实施数据采集脉冲时段示意图；
图6为本发明实施PWM驱动调整后逆变器输出相电压；
图7为本发明实施PWM驱动调整后逆变器输出线电压；
图8为本发明实施PWM驱动调整后逆变器输出线电流；
图9为本发明实施PWM驱动调整后逆变器输出线电流FFT分析；
具体实施方式
本发明提供一种NPC型三电平逆变器可靠性在线监测系统，在线监测总电路示意图如图1所示，包括PWM驱动调整单元10、辅助电源单元20、继电器单元30、数据采集单元40、分析可靠性单元50和NPC型三电平逆变器主电路60。
图2给出了主电路及附加检测电路示意图。
其中PWM驱动调整单元，在工况条件下获取适合测量的时段，对被测器件，在不降低电路的输出功率的前提下，需要满足其导通注入电流后不影响主电路电流状态为准，以供后续外置恒定电流注入和电压数据采集时间。每相桥臂有‘P’、‘O’、‘N’三种输出状态，为了避免影响主电路电流路径，只有‘O’状态符合本发明测试条件；
表1三电平逆变器中A相桥臂四个开关管状态与对应的相电压
辅助电源单元，主要由幅值为I1和I2的两个电流源并联组成，通过继电器单元30与逆变器主电路60中待测功率开关器件601连接，其中待测功率开关器件601包括：Ta2、Ta3、Tb2、Tb3、Tc2、Tc3、Da2、Da3、Db2、Db3、Dc2、Dc3；在IGBT器件开通且未有电流流经时，提供两种幅值的恒定注入电流ICE，供数据采集卡获得两种幅值的正向导通压降VCE；
继电器单元，详细连接电路图如图2所示。在主电路的基础上，由六个双刀双掷继电器组成的继电器网络将每相桥臂的2、3号IGBT两端与外部电流源连接起来。包括三级连接，其中一级单元301包括DPDT1、DPDT2、DPDT3三个双刀双掷继电器，每个DPDT输出端四路引脚中间两路接通，引出三路连接线，共九路连接线，接至逆变器主电路60三相桥臂中六个待测功率开关器件601的两端共九个节点；二级单元302包括串联的DPDT4和DPDT5；一级单元301和二级单元302有六路连接，其中四路是一级单元301中两个DPDT的输入端和二级单元302中DPDT4的输出端，另两路是一级单元301中一个DPDT输入端和二级单元302中DPDT5输出端；三级单元303包括一个DPDT6，其输入端两路引脚和二级单元302中DPDT5输入端相连，输出端连接至辅助电源单元20。继电器单元在辅助电流源和逆变器电路中IGBT之间切换连接，控制测量时序和选择被测器件；
数据采集单元，包括高采样频率的数据采集卡，其测量电压信号的输入端连接至待测功率开关器件601两端，在上述PWM驱动调整单元10调整时段内，对IGBT器件在被测时段的端电压多次测量并存储，供后续分析使用；
分析可靠性单元，其中控制器501的输入端与数据采集单元40相连，输出端分别连接至分析与监测单元502、PWM驱动调整单元10、辅助电源单元20和继电器单元30。
本发明提供一种根据权利要求1所述的在线监测系统的实施方法，具体步骤见图3。
包括以下步骤：
步骤A、一个完整开关周期内，对NPC型三电平逆变器主电路60中三相桥臂共十二个IGBT器件的开关状态和电流路径做出分析，保持三相平衡工作，选取0.4ms调整逆变器开关管PWM驱动波形。其中以A相为例，容错控制逆变器开关管的PWM驱动波形，A相桥臂四个开关管驱动信号调整示意图如图4所示，其中A1、A2、A3分别为一个周期内A相驱动的三个调整时段，时长均为0.4ms，此时段内，A相输出相电压为0，输出状态为‘O’状态；
步骤B、通过控制继电器单元30中DPDT1至DPDT6的十二种开关状态，在辅助电流源20和待测功率开关器件601之间切换连接，按序循环选择每个待测IGBT器件的两端注入高低交替的电流脉冲序列。以测图2中的Ta2为例，控制继电器DPDT1、DPDT4、DPDT5关闭，继电器DPDT6开通，DPDT2和DPDT3开关均可，此时电流只流通Ta2，未流经逆变器的负载电路；
表2十二种继电器开关组合状态与被测器件对应表
步骤C、在步骤A做出调整的时刻，外部辅助电源20与待测功率开关器件中当前被选的单个IGBT器件连接路径中导通两种幅值的电流，数据采集单元40测得健康状态下该IGBT器件的导通电压并存储。被存储的通态电压数据分别为图2中I1和I2流通时的VCE。增加检测电路部分后(PWM驱动调整后)逆变器输出相电压、线电压、线电流分别见图6～8。以步骤A提到的A1时段和A2时段为例，A相桥臂相电压为0，此时线电流方向为正向，Ta2中有主电路电流流通，Ta3中无主电路电流流通，则Ta3即为当前被测器件；
步骤D、分析在初始健康状态下时，步骤C存储的IGBT导通电压数据，和通态电流、结温对应起来，生成导通电压和结温关系图作校准曲线，将获得的高电流I1下通态压降和结温对应并存储为电压-结温基准查阅表。在线测得的低电流下导通电压通过步骤C得到的校准曲线估算得器件内部结温Tj。
IGBT器件端电压计算如下所示：
VCE(Tj,ICE)＝[VO-k1(Tj-TjO)]+[RO-k2(Tj-TjO)]×ICE
式中VCE、Tj和ICE是正向压降、结温和负载电流；V0和R0代表结温为参考点Tj0处的通态压降和金属氧化物半导体电阻；k1和k2代表V和R的温度系数；
被测器件有微电流I2流通时，上式后半部分数值可忽略不计，VCE(L)和Tj为线性关系，用来估算结温。即高电流I1测试前，在控制温度和空气流动的恒温箱内，使用微电流I2流通IGBT器件，建立健康状态下IGBT器件通态电压VCE(L)(被选为温敏电气参数)和结温Tj之间的线性关系曲线，在此只需要测得两对电压-结温数据即可作出校准曲线。
被测器件有高电流I1流通时，由于电压采集间隔时间短，结温认定为恒定，即微电流I2生成的校准曲线估算得到的结温Tj对应高电流I1时的通态电压VCE(H)，将多组Tj-VCE(H)数据存储，建立电压-结温基准查阅表；
步骤E、在线条件下，获取待测功率开关器件(601)端电压值，与健康状态下步骤D生成的基准查阅表对比，若通态压降波动幅值小于阈值，说明功率开关器件结温处于正常范围，则认定该器件处于健康状态，检测下个器件；若增长幅值大于阈值，说明功率开关器件结温超出正常范围，即认定该器件存在故障或处于即将损坏状态，循环依次得到每个待测IGBT及反并联二极管的健康程度，进而完成对整个逆变器的可靠性监测。实际的测试证实这种使用温敏电气参数预测结温的方法能有效的得到被测IGBT功率器件的健康程度。
SIMULINK仿真中总谐波失真(THD)为4.29％，而本发明实施PWM驱动调整后逆变器输出线电流FFT分析如图9所示，为5.75％。说明检测电路部分对主电路造成的影响是可以容纳的。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (2)

1.一种NPC型三电平逆变器可靠性在线监测系统，其特征在于，包括PWM驱动调整单元(10)、辅助电源单元(20)、继电器单元(30)、数据采集单元(40)、分析可靠性单元(50)和NPC型三电平逆变器主电路(60)；
其中所述NPC型三电平逆变器主电路(60)，包括十二个功率开关器件，器件中十二个IGBT分别为Ta1～Ta4、Tb1～Tb4、Tc1～Tc4，十二个与IGBT反并联的二极管分别为Da1～Da4、Db1～Db4、Dc1～Dc4；
其中所述PWM驱动调整单元(10)，输入端与分析可靠性单元(50)中控制器(501)连接，输出端与逆变器主电路(60)中十二个功率开关器件的驱动信号端相连；
所述辅助电源单元(20)，由幅值为I1和I2的两个电流源并联组成，通过继电器单元(30)与逆变器主电路(60)中待测功率开关器件(601)连接，其中待测功率开关器件(601)包括：Ta2、Ta3、Tb2、Tb3、Tc2、Tc3、Da2、Da3、Db2、Db3、Dc2、Dc3；
所述继电器单元(30)，包括三级连接，其中一级单元(301)包括DPDT1、DPDT2、DPDT3三个双刀双掷继电器，每个DPDT输出端四路引脚中间两路接通，引出三路连接线，共九路连接线，接至逆变器主电路(60)三相桥臂中六个待测功率开关器件(601)的两端共九个节点；二级单元(302)包括串联的DPDT4和DPDT5；一级单元(301)和二级单元(302)有六路连接，其中四路是一级单元(301)中DPDT1、DPDT2的输入端和二级单元(302)中DPDT4的输出端，另两路是一级单元(301)中DPDT3的输入端和二级单元(302)中DPDT5输出端；三级单元(303)包括一个DPDT6，其输入端两路引脚和二级单元(302)中DPDT5输入端相连，输出端连接至辅助电源单元(20)；
所述数据采集单元(40)，包括高采样频率的数据采集卡，其测量电压信号的输入端连接至待测功率开关器件(601)两端，在上述PWM驱动调整单元(10)调整时段内，对待测功率开关器件(601)在被测时段的端电压进行测量，数据采集卡输出端连接至分析可靠性单元(50)存储；
所述分析可靠性单元(50)，其中控制器(501)的输入端与数据采集单 元(40)相连，输出端分别连接至分析与监测单元(502)、PWM驱动调整单元(10)、辅助电源单元(20)和继电器单元(30)。
2.一种根据权利要求1所述的在线监测系统的实施方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤A、一个完整开关周期内，对NPC型三电平逆变器主电路(60)中三相桥臂共十二个IGBT器件的开关状态和电流路径做出分析，保持三相平衡工作，选取0.4ms时段调整逆变器开关管PWM驱动波形；
步骤B、通过控制继电器单元(30)中DPDT1至DPDT6的十二种开关状态，在辅助电源单元(20)和待测功率开关器件(601)之间切换连接，按序循环选择每个待测IGBT器件的两端注入高低交替的电流脉冲序列；
步骤C、在步骤A做出调整的时段内，辅助电源单元(20)与待测功率开关器件中当前被选的单个IGBT器件连接路径中导通两种幅值的电流，数据采集单元(40)测得健康状态下该IGBT器件的导通电压并存储；
步骤D、分析在初始健康状态下时，步骤C存储的IGBT导通电压数据，和通态电流、结温对应起来，生成导通电压和结温关系图作校准曲线，将获得的通态压降和结温对应成基准查阅表；
步骤E、在线条件下，获取待测功率开关器件(601)端电压值，与健康状态下步骤D生成的基准查阅表对比，若通态压降波动幅值小于阈值，则认定该器件处于健康状态，检测下个器件；若增长幅值大于阈值，即认定该器件存在故障或处于即将损坏状态，循环依次得到每个待测IGBT及反并联二极管的健康程度，进而完成对整个逆变器的可靠性监测。
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