CN106597245A - 一种igbt故障的监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种IGBT故障的监测装置及方法。其中，IGBT故障的监测装置包括直流稳压电源、PWM控制模块、IGBT驱动模块、IGBT、数据采集模块和上位机；通过合理设计上述监测装置中各部件之间的连接关系以及信号流向等，利于实现本发明监测装置对于IGBT的故障检测；此外，本发明中上位机可以记录IGBT出现故障的次数，并以故障率为依据，判断IGBT处于何种工作状态；当IGBT处于间歇故障状态时，仅仅提示故障报警；而当IGBT处于永久故障状态时，产生寿命预警，提示更换IGBT。本发明装置和方法可以有效的监测IGBT的故障类型，揭示间歇故障累积效应与永久故障的关系，预测永久故障的发生，为维修人员确定最佳的更换时机，避免盲目更换，节约维修成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种IGBT故障的监测装置及方法。
背景技术
功率半导体器件尤其是IGBT的应用是许多工业系统的基础所在。在一些应用中IGBT模块易受到腐蚀、污染、过热、过载等因素而发生故障，一旦出现故障常采取的措施是检修或者更换发生了故障的IGBT模块。事实上，在所有可能发生的故障中，间歇故障所占比例达到了90％。间歇故障是一种持续时间短、可重复出现、未经处理可自行消失的一类故障。一旦检测到故障，未进行分析就认定为永久故障进行处理，会耗费大量的维修费用。
目前国内外对IGBT的研究主要集中于性能测试和永久故障的检测，忽略了间歇故障对IGBT产生的影响。因此，寻求一种可以用于检测IGBT是否为间歇故障的装置和方法，使其能够有效的监测IGBT的间歇故障，揭示间歇故障的累积效应与永久故障之间的关系，帮助维修人员确定最佳的更换时机，对于节约维修成本具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提出一种IGBT故障的监测装置，可以有效的监测IGBT是否出现故障以及根据IGBT出现故障的频率判断是否需要更换IGBT。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种IGBT故障的监测装置，包括直流稳压电源、PWM控制模块、IGBT驱动模块、IGBT、数据采集模块和上位机；其中：
直流稳压电源用于为PWM控制模块、IGBT驱动模块和IGBT供电；
PWM控制模块用于产生频率和幅值可调的脉冲，其中一路脉冲信号输送到数据采集模块，另一路脉冲信号输送到IGBT驱动模块；
IGBT驱动模块用于将接收到的脉冲信号进行放大处理，其中放大后的一路脉冲信号输送到数据采集模块，放大后的另一路脉冲信号输送到IGBT栅极；
IGBT用于在IGBT驱动模块的作用下反复通断并产生通断信号，通断信号经过IGBT发射极输送到数据采集模块；
数据采集模块用于将采集到的上述三路信号上传至上位机；
上位机用于将接收到的三路信号处理成高低电平信号，并根据上述三路信号对应的高低电平逻辑运算结果判断IGBT是否出现故障以及根据故障率判断IGBT是否需要更换。
优选地，所述直流稳压电源与PWM控制模块、IGBT驱动模块、IGBT的电源输入端相连，PWM控制模块与IGBT驱动模块相连；IGBT驱动模块经过限流电阻与IGBT栅极相连，数据采集卡分别与PWM控制模块和IGBT驱动模块输出端以及IGBT发射极相连，数据采集模块与上位机相连。
此外，本发明还提出了一种IGBT故障的监测方法，技术方案具体如下：
一种IGBT故障的监测方法，其采用的监测装置包括直流稳压电源、PWM控制模块、IGBT驱动模块、IGBT、数据采集模块和上位机；所述监测方法包括如下步骤：
①由PWM控制模块产生频率和幅值可调的脉冲，其中一路脉冲信号输送到数据采集模块，另一路脉冲信号输送到IGBT驱动模块；
②IGBT驱动模块将接收到的脉冲信号进行放大处理，其中放大后的一路脉冲信号输送到数据采集模块，放大后的另一路脉冲信号输送到IGBT栅极；
③IGBT在IGBT驱动模块的作用下反复通断并产生通断信号，通断信号经过IGBT发射极输送到数据采集模块；
④数据采集模块将采集到的上述三路信号上传至上位机；
⑤上位机将接收到的三路信号处理成高低电平信号，并根据上述三路信号对应的高低电平逻辑运算结果判断IGBT是否出现故障以及根据故障率判断IGBT是否需要更换。
优选地，所述步骤⑤中，先将由PWM控制模块和IGBT驱动模块输送到上位机的脉冲信号对应的电平信号进行与运算，然后将与运算的结果与IGBT上传的通断信号对应的电平信号进行异或运算，得到最终的逻辑运算结果；经过判断：
若逻辑运算结果为1，则表明IGBT出现故障，否则，IGBT正常。
优选地，所述IGBT有三种工作状态，即正常状态、间歇故障状态和永久故障状态；
设定IGBT的故障率为T，IGBT由正常状态到间歇故障状态变化的阈值为TL，IGBT由间歇故障状态到永久故障状态变化的阈值为TH；
经过判断：若T<TL，则表示IGBT处于正常状态；若TL≤T≤TH，则IGBT处于间歇故障状态；若T>TH，则IGBT处于永久故障状态，需要更换IGBT。
本发明具有如下优点：
本发明可以有效的监测IGBT的故障类型，揭示间歇故障累积效应与永久故障的关系，预测永久故障的发生，为维修人员确定最佳的更换时机，避免盲目更换，节约维修成本。
附图说明
图1为本发明中一种IGBT故障的监测装置的结构框图；
图2为本发明中IGBT三种状态之间的逻辑关系图；
图3为本发明中IGBT三种状态petri网模型图；
图4为本发明中上位机软件处理流程图。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
实施例1
结合图1所示，一种IGBT故障的监测装置，包括直流稳压电源1、PWM控制模块2、IGBT驱动模块3、IGBT4、数据采集模块5和上位机6。
其中，PWM控制模块2用于产生频率和幅值可调的脉冲，其中一路脉冲信号输送到数据采集模块5，另一路脉冲信号输送到IGBT驱动模块3。
IGBT驱动模块3用于将接收到的脉冲信号进行放大处理，其中放大后的一路脉冲信号输送到数据采集模块5，放大后的另一路脉冲信号输送到IGBT4栅极。
IGBT4用于在IGBT驱动模块3的作用下反复通断并产生通断信号，产生的通断信号经由IGBT4发射极输送到数据采集模块5。
数据采集模块5用于将采集到的上述三路信号上传至上位机6。
上位机6用于将接收到的三路信号处理成高低电平信号，并根据上述三路信号对应的高低电平逻辑运算结果判断IGBT4是否出现故障以及根据故障率判断IGBT4是否需要更换。
下面给出本实施例1中各部件之间的一种具体连接关系：
直流稳压电源1与PWM控制模块2、IGBT驱动模块3、IGBT4的电源输入端相连，用于为PWM控制模块2、IGBT驱动模块3和IGBT4供电。PWM控制模块2与IGBT驱动模块3相连。IGBT驱动模块3经过限流电阻与IGBT4栅极相连，数据采集卡5分别与PWM控制模块2和IGBT驱动模块3输出端以及IGBT4发射极相连，数据采集模块5还与上位机6相连。优选地，本发明中的IGBT驱动模块3选用M57959L驱动电路。
实施例2
本实施例2中提出了一种IGBT故障的监测方法，其采用的监测装置包括直流稳压电源、PWM控制模块、IGBT驱动模块、IGBT、数据采集模块和上位机。
一种IGBT故障的监测方法，包括如下步骤：
①由PWM控制模块2产生频率和幅值可调的脉冲，其中一路脉冲信号输送到数据采集模块5，另一路脉冲信号输送到IGBT驱动模块3；
②IGBT驱动模块3将接收到的脉冲信号进行放大处理，其中放大后的一路脉冲信号输送到数据采集模块5，放大后的另一路脉冲信号输送到IGBT4栅极；
③IGBT4在IGBT驱动模块3的作用下反复通断并产生通断信号，通断信号经过IGBT4发射极输送到数据采集模块；
④数据采集模块5将采集到的上述三路信号上传至上位机6；
⑤上位机6将接收到的三路信号处理成高低电平信号，并根据上述三路信号对应的高低电平逻辑运算结果判断IGBT是否出现故障以及根据故障率判断IGBT是否需要更换。
在步骤⑤中，根据上述三路信号对应的高低电平进行逻辑运算的过程如下：
先将由PWM控制模块2和IGBT驱动模块3输送到上位机6的脉冲信号对应的电平信号进行与运算，然后将与运算的结果与IGBT4上传的通断信号对应的电平信号进行异或运算，得到最终的逻辑运算结果；若逻辑运算结果为1，则表明IGBT出现故障，否则，IGBT正常。
上位机可以对IGBT4出现故障的次数进行存储和统计，并以故障率为依据，将该故障率与设定的阈值进行比较，若根据故障率与阈值的比较结果判断是否更换IGBT4。
具体的，IGBT4有三种工作状态，即正常状态、间歇故障状态和永久故障状态。
设定IGBT4的故障率为T，IGBT4由正常状态到间歇故障状态变化的阈值为TL，IGBT4由间歇故障状态到永久故障状态变化的阈值为TH；
经过判断：若T<TL，则表示IGBT4处于正常状态；若TL≤T≤TH，则IGBT4处于间歇故障状态；若T>TH，则IGBT4处于永久故障状态，需要更换IGBT4。
本实施例2中的监测装置，例如可以采用上述实施例1中监测装置。
实施例3
本实施例3提出了一种IGBT故障的分析方法，该分析方法基于上述实施例1中的一种IGBT故障的装置，其包括如下步骤：
a将IGBT4分为正常状态、间歇故障状态和永久故障状态，建立三种状态的逻辑关系，如图2所示；其中：设定IGBT4的故障率为T，IGBT4由正常状态到间歇故障状态变化的阈值为TL，IGBT4由间歇故障状态到永久故障状态变化的阈值为TH。
IGBT4随着工作时间的增长其发生故障的次数也会增加，当故障率T增加至TL后，IGBT4会进入间歇故障状态，间歇故障次数的增加，将会对IGBT4的结构造成累积伤害，导致IGBT4的故障频率变大，T继续增大到TH后，IGBT4进入永久故障状态。
b按照步骤a中的逻辑关系，利用petri网建模方法建立IGBT4的三状态模型；
Petri网具有直观的表达方式，是一种有效的系统描述手段和系统行为分析工具。
定义一个三元组的petri网N＝(P，T；F)，其中P为库所表示事件的状态，T为变迁，表示事件变化时发生的条件，F为petri网的流关系，表示P和T之间的关系。
基于petri网的IGBT4三状态模型参见图3，图中各符号对应的含义如下表1所示：
表1
c利用上述监测装置实时监测IGBT4，记录监测到的IGBT4故障并得出故障率T，依据故障率设定正常状态到间歇故障状态变化的阈值(即petri网模型中变迁T0和T1触发的条件)以及间歇故障状态到永久故障状态变化的阈值(即petri网模型中变迁T2触发的条件)。
d根据故障率与阈值的大小关系判断IGBT4的状态，确定是否对IGBT4进行更换：
经过判断，若T<TL，则表示IGBT4处于正常状态；若TL≤T≤TH，则IGBT4处于间歇故障状态；若T>TH，则IGBT4处于永久故障状态，需要更换IGBT4。
上位机6软件处理信息的流程参见图4，数据采集模块先初始化，然后把上述三路数据采集进来，在上位机上实时显示波形，同时上位机软件把三路信号降噪处理成高低电平信号，其中对应于PWM控制模块2和IGBT驱动模块3直接上传的两路信号状态相与，再与IGBT4上传的通断信号相异或，若逻辑运算结果为1则IGBT出现次故障，此时进行故障统计。
经过判断：若TL≤T≤TH，则IGBT4处于间歇故障状态，上位机6只有故障报警提示，此时的IGBT可以继续使用(因为间歇故障具有发生后不用人为干预可以自行消失的特点)；若T>TH，则IGBT4处于永久故障状态，故障频率变高，将严重影响IGBT4所在电路系统的正常运行，此时上位机6产生寿命预警，提示更换IGBT4。
本发明方法通过揭示间歇故障累积效应与永久故障的关系，预测永久故障的发生，为维修人员确定最佳的IGBT4更换时机，避免盲目更换，节约维修成本。
当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。
Claims (5)
1.一种IGBT故障的监测装置，其特征在于，包括直流稳压电源、PWM控制模块、IGBT驱动模块、IGBT、数据采集模块和上位机；其中：
直流稳压电源用于为PWM控制模块、IGBT驱动模块和IGBT供电；
PWM控制模块用于产生频率和幅值可调的脉冲，其中一路脉冲信号输送到数据采集模块，另一路脉冲信号输送到IGBT驱动模块；
IGBT驱动模块用于将接收到的脉冲信号进行放大处理，其中放大后的一路脉冲信号输送到数据采集模块，放大后的另一路脉冲信号输送到IGBT栅极；
IGBT用于在IGBT驱动模块的作用下反复通断并产生通断信号，通断信号经过IGBT发射极输送到数据采集模块；
数据采集模块用于将采集到的上述三路信号上传至上位机；
上位机用于将接收到的三路信号处理成高低电平信号，并根据上述三路信号对应的高低电平逻辑运算结果判断IGBT是否出现故障以及根据故障率判断IGBT是否需要更换。
2.根据权利要求1所述的一种IGBT故障的监测装置，其特征在于，所述直流稳压电源与PWM控制模块、IGBT驱动模块、IGBT的电源输入端相连，PWM控制模块与IGBT驱动模块相连，IGBT驱动模块经过限流电阻与IGBT栅极相连，数据采集卡分别与PWM控制模块和IGBT驱动模块输出端以及IGBT发射极相连，数据采集模块与上位机相连。
3.一种IGBT故障的监测方法，其采用的监测装置包括直流稳压电源、PWM控制模块、IGBT驱动模块、IGBT、数据采集模块和上位机；其特征在于，所述监测方法包括如下步骤：
①由PWM控制模块产生频率和幅值可调的脉冲，其中一路脉冲信号输送到数据采集模块，另一路脉冲信号输送到IGBT驱动模块；
②IGBT驱动模块将接收到的脉冲信号进行放大处理，其中放大后的一路脉冲信号输送到数据采集模块，放大后的另一路脉冲信号输送到IGBT栅极；
③IGBT在IGBT驱动模块的作用下反复通断并产生通断信号，通断信号经过IGBT发射极输送到数据采集模块；
④数据采集模块将采集到的上述三路信号上传至上位机；
⑤上位机将接收到的三路信号处理成高低电平信号，并根据上述三路信号对应的高低电平逻辑运算结果判断IGBT是否出现故障以及根据故障率判断IGBT是否需要更换。
4.根据权利要求3所述一种IGBT故障的监测方法，其特征在于，所述步骤⑤中，先将由PWM控制模块和IGBT驱动模块输送到上位机的脉冲信号对应的电平信号进行与运算，然后将与运算的结果与IGBT上传的通断信号对应的电平信号进行异或运算，得到最终的逻辑运算结果；若逻辑运算结果为1，则表明IGBT出现故障，否则，IGBT正常。
5.根据权利要求3所述的一种IGBT故障的监测方法，其特征在于，所述IGBT有三种工作状态，即正常状态、间歇故障状态和永久故障状态；设定IGBT的故障率为T，IGBT由正常状态到间歇故障状态变化的阈值为TL，IGBT由间歇故障状态到永久故障状态变化的阈值为TH；经过判断：若T<TL，则表示IGBT处于正常状态；若TL≤T≤TH，则IGBT处于间歇故障状态；若T>TH，则IGBT处于永久故障状态，需要更换IGBT。
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Application publication date: 20170426 Assignee: Qingdao Shanzhi Electronic Technology Co., Ltd Assignor: Shandong University of Science and Technology Contract record no.: X2020370010019 Denomination of invention: An IGBT fault monitoring device and method Granted publication date: 20190118 License type: Exclusive License Record date: 20201030 |
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| EE01 | Entry into force of recordation of patent licensing contract |