CN106291303B - 电力驱动系统中的功率半导体器件的老化的确定 - Google Patents

Abstract

本公开涉及电力驱动系统中的功率半导体器件的老化的确定。监测电力驱动系统中的老化包括激励电力驱动系统使得电流流经其中的功率半导体器件，确定指示跨功率半导体器件的电压的值，在电压降基本上独立于温度的电流水平处，将经确定的值与基准值比较并且响应于值之间的指示功率半导体器件的老化状态的差而输出信号。

Description

电力驱动系统中的功率半导体器件的老化的确定

技术领域

本公开总体上涉及监测电力驱动系统的健康状况，并且更具体地涉及确定电力驱动系统中的功率半导体器件的老化状态。

背景技术

很多不同类型的机器主要或部分地利用电力驱动系统供电。示例包括电力推动的陆上交通工具和水上交通工具、工业装备、电梯等等。随着时间的推移，例如所有的机械系统和机电系统疲劳可能发生，这导致性能下降或故障。制造容差和诸如占空比和环境状况的其他因素可能在任意给定时间影响故障的可能性，并且因此观测到在电力驱动器的现场服务寿命的极大的变化。因此，业内欢迎与检测和预测故障有关的进步。

发明内容

监测电力驱动系统中的老化包括激励系统使得电流流经其中的功率半导体器件。可以利用在电流的某些水平处的跨功率半导体器件的电压的观测来确定功率半导体器件的老化状态。

附图说明

图1是根据一个实施例的电力驱动系统的示意图；

图2是与操作图1的系统结合实施的数字逻辑的框图；

图3是根据一个实施例的用于监测跨半导体的电压的电路的电路图；

图4是第一功率半导体器件在不同温度的电压与电流关系的图表；

图5是第二功率半导体器件在不同温度的电压与电流关系的图表；

图6是根据一个实施例的过程的流程图；以及

图7是根据一个实施例的与跨功率半导体器件的电压降相关的功率循环的图表。

具体实施方式

为了提升对电力驱动系统中的功率半导体器件的老化的确定的原理的理解，现在将参考在附图中图示的示例并且将使用具体的语言来描述该示例。尽管如此，但应当理解，并不旨在通过本发明的某些示例的图示和描述限制本发明的范围。此外，图示和/或说明的实施例的任何的改变和/或修改被认为在本发明的范围内。进一步地，如本文图示和/或描述的本发明的原理的任何其他应用(如本方面相关领域技术人员通常会想到的应用)被认为在本发明的范围内。

参考图1，图1示出了根据一个实施例的电力驱动系统10，其被构造以便将来自诸如三相交流(AC)电源12的电源12的电功率提供到外部电负载14。电源12可能包括AC电网(诸如城市电网、工业电网)或现场发电机(诸如风力发电机、水力发电机或内燃机发电机)。在用于车辆推进的牵引机构中，外部负载14可以包括诸如AC电机或DC电机、用于所有方式的工业或制造过程的电动旋转或线性致动器、电加热器或诸如用于给电梯供电的电机的又一应用。由于从以下的描述中将更加显而易见的原因，系统10被独特地构造，从而不仅能够应用于系统10或者系统10的某些部件投入使用时或之前，而且实现系统10中的某些部件的剩余使用寿命的预后评估。

在图示的实施例中，系统10包括电源模块15，电源模块15具有带有与电源12耦合的输入节点20的前端16。前端16可以包括主动受控的整流器或被动整流器(尽管本公开并不由此限定)。电源15可以进一步包括具有DC链路电容器26的DC链路24，DC链路电容器26将前端16与后端18耦合。在下文更详细讨论的后端18可以包括将电源模块15与外部负载14连接的输出节点22。在图示的实施例中，后端18包括三相臂19，例如，三相臂19可以与电机14中的三个或三的任意倍数个电机绕组耦合。在其他实施例中，可以使用不同数量的臂和/或电机绕组。设想在电力驱动系统10中只使用单个臂的实施例。

系统10可以进一步包括监测和控制机构28。如本文进一步讨论的，机构28可以配备有用于监测电力驱动系统10的各种状态(包括与电力驱动系统及其部件的健康状况有关的老化状态或其他因素)的某些部件。机构28可以特别包括模数转换器(ADC)34、包括控制器36的场可编程门阵列(FPGA)38、电压感测机构30和相电流传感器32，以上所有的操作从以下的描述中将更加显而易见。

电源模块15可以进一步包括多个功率半导体器件。在实际的实施策略中，臂19中的每个臂可以配备有两组的两个功率半导体器件，每组包括绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块中本质上在一起的晶体管50和二极管52。晶体管50和二极管52可以具有相反的极性并且彼此并联连接以便二极管52起所谓的续流二极管52的作用。

电压感测机构30可以被构建成感测跨功率半导体50和52中的每一个的电压。已经发现跨功率半导体的电压以及特别是在某些电流水平处的跨功率半导体的电压可以基本上独立于温度。根据本公开，利用该发现来观测跨功率半导体的电压，特别是随着时间的推移跨功率半导体的电压降的变化，以便确定在实际应用中功率半导体处于导通状态时功率半导体的相对老化状态。在系统10中，相电流感测机构32可以用来检测向电机/负载14提供的电流的相，并且由此确定在任意给定时间，哪个半导体部件50和52在通过电流。正电流或正向电流意味着在对应的相臂19中的晶体管正在导通电流，而负电流或反向电流意味着对应的二极管正在导通电流。将一个相与相电流感测机构32连接的感测引线或接触54被示出。如在本文进一步讨论的，可以经由到电源模块15的合适的连接来使用机构30，以感测跨任意的晶体管50以及跨任意的二极管52的电压，并且由此确定或估计其老化状态。

如上文说明的，FPGA 38可以包括具有任何合适的微处理器的控制器36。在实际的实施策略中，可以通过合适的编程的方式构建控制器36来确定指示跨本文所讨论的功率半导体器件中的任意一个的电压的值。当通过目标功率半导体器件的电流在电压基本上独立于那个功率半导体器件的温度的水平时，对值确定/电压感测感兴趣。本领域技术人员将理解，经确定的值可能是电压、电阻或者也许诸如更加定性的值(指示跨目标功率半导体的电压是否为低、中、高、超高等)的又一值的幅值。控制器36可以进一步被构建成将经确定的值与基准值比较，并且响应于经确定的值和基准值的差，输出指示目标功率半导体器件的老化状态的信号。

也与机构28耦合的是用户接口40，诸如台式计算机或笔记本计算机或者专用电力驱动系统服务工具。在某些实施例中，经由控制器36输出的信号可能是警告信号，其中跨功率半导体器件中的任意一个的电压大于某个值或者大于某个值预定义的量或程度，如在本文进一步讨论的。应当理解，将本文设想的某些控制功能放置在控制器36中或控制器36上仅仅是可以采用的大量的不同策略中的一种，并且描述的控制功能的具体位置并不旨在限定。

现在参考图2，图2示出了图示与操作电力驱动系统10结合执行的控制逻辑的框图。在图2中，功率半导体器件50被示出与功率半导体器件52并联电耦合。在晶体管的情况中，器件50包括集电极60和发射极62，其中感测机构30的电感测引线56和58连接到集电极60和发射极62。从图2中可以看出在框31考虑了在集电极60处感测的电压和在发射极62处感测的电压，其中包括经由运算放大器的快速Vce_sat和Vf测量以及信号调节的许多功能被执行。在框33通常并行发生经由运算放大器的电流相位测量以及信号调节。Desat检测比较器框68被示出为与框31和框33并联。在框35通过模数转换处理框31和框33的输出。在框37，执行基于感测的电压降的查找表(LUT)计算来估计对应的功率半导体的结温。框40代表工具或操作员接口40，其中结温、跨功率半导体器件50的电压、跨功率半导体器件52的电流、电压和老化状态或其他因素被评估并且被可选地显示或提供给操作员或服务技术员。

现在参考图3，图3示出了更详细的感测机构30的电路装置100。在图3中，第一输入引线102或端子UDC+监测集电极60和/或二极管52的阴极的电压，而第二输入或感测引线104 PHASE监测发射极62和/或二极管52的阳极的电压。在图3中还示出了在引线102和钳位部件106之间耦合的第一电阻器串120，钳位部件106在晶体管50的关断状态期间钳位输入电压。钳位部件106可以包括二极管和+2V基准电压端子。+2V基准电压补偿与晶体管50对二极管52相关联的不同的电压降范围。因此，增加2V允许相同的电路用于感测跨晶体管50或二极管52中的任一个的电压，其中根据不同的控制逻辑处理感测的电压。将回忆，相电流测量被用来确定哪个功率半导体将被评估，也即哪个控制逻辑将被调用。经由附图标记108示出接地电势。另一电阻器串122被耦合到引线104。运算放大器130将由钳位部件106补偿的经由输入102感测的电压与经由输入104感测的电压比较，并且输出两者之间的差以用于如本文描述的处理。经由附图标记110和附图标记112以及附图标记118示出基准电势。附加的电阻性元件被示出但是未被具体编号。运算放大器130的输出被提供到两个通道114和116以用于以本文描述的方式处理。

如上文说明的，当通过感兴趣的功率半导体器件的电流在电流水平和电压之间的关系基本上独立于温度的水平时，将发生电压测量或者指示电压的值的确定。理解该原理的另一方式是，尽管温度通常是影响什么电流将由特定电势感生的因素，但是已经发现存在温度可以被忽略的某些电流水平。图4图示了一个IGBT的情况，其中跨IGBT的电压(换句话说，集电极和发射极之间的电压降)在从大约50安培到大约75安培并且特别地可以是大约70安培的水平处基本上独立于温度。在图4中，第一图线200图示了在半导体的温度(特别的硅的温度)在大约125℃时，在不同电压处的电流水平。第二图线202代表在硅温度在大约25℃时的电压处的电流水平。可以看出图线200和图线202彼此靠近并且在之前说明的电流水平的范围中在点204处交叉，指示基本上独立于温度差。在图5的情况中，示出了图示二极管的电压和电流之间的类似关系的图线300和图线302。可以看出交叉点304与晶体管的交叉点不同，并且特别的是从大约275安培到大约300安培以及特别的从大约295安培到大约300安培。将回忆，跨功率半导体器件的电压降已经被发现与功率半导体器件的老化状态有关。在图4的示例和图5的示例的情况中，可以看出存在电压降的温度相关性可以被忽略的某些电流水平并且因此测量的电压降可以被理解成是老化的直接结果。交叉点以及因此独立于温度的电流水平可以凭经验确定。

现在参考图6，图6示出了图示示例控制过程中的步骤的流程图400。流程图400的过程可以发生在系统10被激励以及其中的一个或多个半导体正主动地向负载14提供功率时。激励系统10可以包括激励系统10使得流经一个或多个半导体的电流在电压和电流水平之间的关系是与温度相关的水平处，并且还可以包括激励系统10使得流经一个或多个半导体的电流在该关系基本上独立于温度的水平处。流程图400的过程可以在步骤402开始发生，从步骤402，逻辑可以前进到步骤404，在定义的电流水平读取FPGA，Vce_sat寄存器。因此，将理解在框404记录确定跨感兴趣的功率半导体器件的电压的读数。从步骤404，逻辑可以前进到步骤406以计算100个样本的平均(AVG)以及也前进到步骤406。在步骤406，如果测量的电压Vce_m大于或等于1.05乘以AVG或者小于或等于0.95乘以AVG，那么可以拒绝样本。在步骤406，逻辑可以被认为成拒绝被认为范围之外太远或者远离平均的异常值以致不是可信数据的测量，并且测量被拒绝以便逻辑在步骤408返回。如果在406样本未被拒绝，逻辑可以前进到框410以计算移动平均SMA。从步骤410，逻辑可以前进到步骤412，其中确定移动平均SMA大于或等于1.025乘以初始Vce。理解在步骤412的操作的另一方式是，做出关于移动平均现在是否已经超过初始电压(换句话说，与特定的功率半导体或特定类的功率半导体关联的基准值或基准电压)预定义的量的确定。可以在将功率半导体器件投入使用之前通过测试来凭经验确定基准值。

也可以理解在步骤412做出关于在已经投入使用之后的跨功率半导体器件的电压降是否已经以至少2.5％增加的确定。在步骤412中可以对电压增加设置任意的阈值。例如，2％的增加、3％的增加或者另一比例变化可以被确定成适于如本文描述的进一步的动作。尽管如此，应当理解已经发现2％或更多，特别是大约2.5％或更多的增加是刚好在电压降的变化率的加速之前的电压降的改变的指示，电压降的变化率的加速是功率半导体器件的寿命的短期或相对短期的终结以及关联的电力驱动系统的最终故障的指示。在一个实际实施策略中，当电压降已经增加大约2.5％时，可以确定功率半导体器件在灾难性故障将发生之前还剩余其使用寿命的大约3.5％。如果在步骤412不满足条件，逻辑在步骤413返回。

如果在步骤412满足条件，逻辑可以前进到步骤414以计算剩余的寿命。如上文说明的，操作的记录小时数可以与比例乘数相乘，在图示的情况中，数字乘数等于0.035，并且所得到的乘积被显示到关联的用户界面。理解该计算的另一方式是，自从将功率半导体器件投入使用以来电压降增加大约2.5％，那么可以总结出器件在故障之前具有大约3.5％的寿命剩余。在一个实施例中，响应于指示跨功率半导体的电压的确定的值和基准值之间的差，控制器30可以记录故障。如本文描述的老化状态因此可以是96.5％的老化状态、90％的老化状态、99％的老化状态或又一定量或定性的测量。故障的触发可以在认为合适的任何的老化状态下发生，并且根据功率半导体的类型或制造商或者基于其他因素，故障的触发可能变化。并行于步骤414，在步骤416，逻辑可以存储感测的电压并且酌情显示警告消息到用户界面。在步骤418，逻辑可以退出并且流程图过程结束。

现在参考图7，图7示出了在X轴上示出循环的次数并且在Y轴上示出电压或电压降的图表。可以看出，对于图示的IGBT的情况，在导通和关断的几千次循环上，存在电压降的相对平缓的增加，但是在大约50000次循环和60000次循环之间，发生电压降的变化率的增加的开始。阈值电压在图表上示出并且近似指示了可以总结出IGBT使用寿命接近它的终点并且如本文描述的，警告信号被发送到用户界面的电压。

本描述仅是用于说明的目的并且不应当被解释成以任何方式限制本公开的范围。因此，本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的完整以及合理的范围和精神的情况下，可以对本公开的实施例做出各种修改。在检查附图和所附的权利要求时，其他方面、特征和优点将是显而易见的。

Claims (12)

1.一种监测电力驱动系统中的老化的方法，包括：

激励所述电力驱动系统使得电流交替地流经所述电力驱动系统中的晶体管和续流二极管，所述晶体管和所述续流二极管具有相反的极性并且并联耦合；

使用电压感测机构在跨所述晶体管和所述续流二极管中的一个的电压基本上独立于所述晶体管和所述续流二极管中的所述一个的温度的电流水平处，确定指示所述电压的值；

将经确定的值与基准值比较；以及

响应于所述经确定的值和所述基准值之间的差，输出指示所述晶体管和所述续流二极管中的所述一个的老化状态的信号；

其中所述电压感测机构包括电路装置，所述电路装置包括：

第一电阻器串，耦合到第一输入以监控所述晶体管的集电极或所述续流二极管的阴极的第一电压，

第二电阻器串，耦合到第二输入以监控所述晶体管的发射极或所述续流二极管的阳极的第二电压，以及

运算放大器，被配置为将经由所述第一输入感测的所述第一电压与经由所述第二输入感测的所述第二电压进行比较；以及

其中使用所述电压感测机构来确定指示跨所述晶体管和所述续流二极管中的一个的电压的值的动作包括：执行相电流测量以确定所述经确定的值是否指示跨所述晶体管的电压或跨所述续流二极管的电压，以及取决于所述经确定的值是否指示跨所述晶体管的电压或跨所述续流二极管的电压，利用不同的控制逻辑来处理所述经确定的值。

2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述电力驱动系统的所述激励期间，经由所述电力驱动系统对外部负载供电。

3.根据权利要求1所述的方法，其中所述经确定的值包括在将所述晶体管和所述续流二极管在所述电力驱动系统中投入使用之后的多个采样周期中的所述电压的平均值，并且其中所述基准值包括指示在将所述晶体管和所述续流二极管在所述电力驱动系统中投入使用之前跨所述晶体管和所述续流二极管的起始电压的所存储的基准值。

4.根据权利要求1所述的方法，其中输出所述信号包括输出警告信号到所述电力驱动系统的用户接口，其中所述差指示大约90％或更高的老化状态。

5.根据权利要求4所述的方法，其中输出所述信号包括输出所述警告信号，其中所述差指示跨所述晶体管和所述续流二极管中的所述一个的电压降的大约2％或更高的增加。

6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括响应于所述信号，至少部分通过将所述晶体管和所述续流二极管中的所述一个的记录的使用小时数与比例乘数相乘来计算所述晶体管和所述续流二极管中的所述一个的剩余寿命。

7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电阻器串耦合在所述第一输入与钳位部件之间，并且所述钳位部件包括基准电压端子，所述基准电压端子补偿与所述晶体管和所述续流二极管相关联的不同电压降范围。

8.一种电力驱动系统，包括：

电源模块，用于在电源和外部电负载之间传递电功率；

晶体管和续流二极管，在所述电源模块内，所述晶体管和所述续流二极管具有相反的极性并且并联耦合，使得激励所述电力驱动系统引起电流交替地流经所述晶体管和所述续流二极管；

电压感测机构，具有耦合到所述晶体管和所述续流二极管的电端子的感测引线，并且被配置为当通过所述晶体管和所述续流二极管中的一个的电流在跨所述晶体管和所述续流二极管中的所述一个的电压基本上独立于所述晶体管和所述续流二极管中的所述一个的温度的电流水平时，确定指示所述电压的值；

控制器，被配置为将经确定的值与基准值比较，并且响应于所述经确定的值和所述基准值之间的差而输出指示所述晶体管和所述续流二极管中的所述一个的老化状态的信号；以及

其中所述电压感测机构包括：

第一电阻器串，耦合到第一输入以监控所述晶体管的集电极或所述续流二极管的阴极的第一电压，

第二电阻器串，耦合到第二输入以监控所述晶体管的发射极或所述二极管的阳极的第二电压，以及

运算放大器，被配置为将经由所述第一输入感测的所述第一电压与经由所述第二输入感测的所述第二电压进行比较；以及

其中使用所述电压感测机构来确定指示跨所述晶体管和所述续流二极管中的一个的电压的值的动作包括：执行相电流测量以确定所述经确定的值是否指示跨所述晶体管的电压或跨所述续流二极管的电压，以及取决于所述经确定的值是否指示跨所述晶体管的电压或跨所述续流二极管的电压，利用不同的控制逻辑来处理所述经确定的值。

9.根据权利要求8的电力驱动系统，进一步包括与所述电压感测机构耦合的用户接口，并且其中所述信号包括警告信号并且所述电力驱动系统进一步包括控制器，其被构造成输出所述警告信号到所述用户接口，其中所述差指示经过多个功率循环电压变化率的期望的增加。

10.根据权利要求9的电力驱动系统，其中所述第一电阻器串耦合在所述第一输入与钳位部件之间，并且所述钳位部件包括基准电压端子，所述基准电压端子补偿与所述晶体管和所述续流二极管相关联的不同电压降范围。

11.根据权利要求8的电力驱动系统，其中所述晶体管和所述续流二极管是一个功率半导体器件，并且其中所述电力驱动系统进一步包括用于将所述电力驱动系统与AC电源的多个相耦合的多个输入节点以及用于将所述电力驱动系统与外部负载耦合的多个输出节点，并且所述功率半导体器件包括在所述输入节点和所述输出节点之间耦合的多个功率半导体器件中的一个。

12.根据权利要求8的电力驱动系统，其中所述电压基本上独立于所述晶体管和所述续流二极管中的所述一个的温度的所述电流水平是从约50安培到约75安培。