CN107121629B - 一种判定电力电子模块失效的检测装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种判定电力电子模块失效的检测装置和方法。通过采集待测电力电子模块的电流、电压、壳温及散热器表面温度等运行数据；根据获得数据计算电力电子模块的损耗功率和温度变化率，生成电力电子模块外壳表面温度上升曲线，提取相应的温度变化时间常数，用于判定电力电子模块的失效。对电力电子模块的失效诊断能够指导其后续合理运行措施，便于延长面临失效风险的电力电子模块使用寿命，提高变流器系统整体可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子功率模块领域，尤其涉及一种判定电力电子模块失效的检测装置和方法。
背景技术
绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)自20世纪80年代来发展迅速，已作为标准组件广泛应用于大功率能源变换与输送场合，特别在轨道牵引、航空航天、电动汽车、智能电网和新能源发电等领域扮演着不可或缺的角色。伴随其应用的推广、发展与成熟，IGBT模块面临的工况环境也越来越严苛和复杂，模块功率等级和温度耐受能力的要求均逐步提升。然而，更高的工作温度意味着更大的失效风险，因为模块内部在长时间承受高温和大应力时极易发生老化、疲劳，模块损耗与传热能力将发生较大变化。所以，对于IGBT模块的失效诊断和热管理在近年来受到不少关注。
目前，对于IGBT模块的失效诊断研究尚在起步阶段。由于热是引发模块失效的最主要成因，因此大量研究侧重于IGBT模块的结温测提取，采用热网络模型、热敏电参数和有限元分析等手段计算和预测IGBT芯片结温，从而能够发现异常结温工作情况并报警。结温提取技术仅能够预警芯片过热失效损坏的情况，属于瞬态保护，但无法探查结温处在允许运行范围内的模块是否发生老化，从而无法对已经处于老化状态的模块进行保护。让发生老化的模块继续承受与正常模块无异的大电流、高电压，势必将加速其失效进程，进而威胁到整体变换器系统的工作和运行。因此，亟需一种综合性的诊断方法，在电力电子模块表面温度未发生明显异常时对其内部失效做出诊断，便于对面临失效风险的电力电子模块进行后续保护。
发明内容
鉴于上述情况，本发明提出一种判定电力电子模块失效的检测装置和方法。针对两类不同的失效机理：其一是模块内部金属部分（包括焊层、键合线等）老化、断裂、分层、脱落等原因导致的模块导电性能退化或失效，表现在模块损耗功率和特定热激励下响应速度两方面的变化；其二是模块内部非金属部分（包括填充材料、绝缘陶瓷基板等）老化、疲劳、损伤等原因导致的模块传热性能退化，表现在特定热激励下响应速度的变化。
本发明通过采集待测电力电子模块的电流、电压、壳温及散热器表面温度等运行数据；根据获得数据计算电力电子模块的损耗功率和温度变化率，生成电力电子模块外壳表面温度上升曲线，提取相应的温度变化时间常数，用于判定电力电子模块的失效。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种判定电力电子模块失效的检测装置，包括：
试验电源，用于提供测试用的试验电源；
V GE检测单元，用于检测待测电力电子模块的栅极-发射极电压V GE；
V CE检测单元，用于检测待测电力电子模块的集电极-发射极电压V CE；
壳温检测单元，用于检测待测电力电子模块的外壳温度；
散热器温度检测单元用于检测待测电力电子模块的散热器温度；
电流检测单元，用于检测待测电力电子模块的工作电流；
直流母线电压检测单元，用于检测直流母线的电压；
数据采集与分析单元，用于模/数转换、数据存储、数据处理及数据传输；
待测电力电子模块，作为测试对象，提供检测端口；
直流母线，用于连接试验电源与待测电力电子模块；
所述试验电源与电流检测单元相连，并与待测电力电子模块的负极相连，所述电流检测单元与待测电力电子模块的正极相连，电流检测单元和直流母线电压检测单元分别采集流经待测电力电子模块的电流和直流母线电压，壳温检测单元采集待测电力电子模块基板正下方温度，散热器温度检测单元采集待测电力电子模块配套散热器的表面温度，待测电力电子模块的栅极和发射极间接入电力电子模块栅极-发射极电压V GE检测单元、集电极和发射极间接入电力电子模块集电极-发射极电压V CE检测单元，数据采集与分析单元接收电流检测单元、直流母线电压检测单元、壳温检测单元、散热器温度检测单元、V GE检测单元、V CE检测单元的信号输出。
优选的，所述V GE检测单元包括依次连接的电压传感器，整形电路及信号输出。
优选的，所述V CE检测单元包括依次连接的电压传感器，整形电路及信号输出。
优选的，所述壳温检测单元包括依次连接的温度传感器，整形电路及信号输出。
优选的，所述散热器温度检测单元包括依次连接的温度传感器，整形电路及信号输出。
优选的，所述电流检测单元包括依次连接的电流传感器，整形电路及信号输出。
优选的，所述直流母线电压检测单元包括依次连接的电压传感器，整形电路及信号输出。
优选的，所述数据采集与分析单元包括依次连接的通信单元，模/数转换单元，存储器及处理器；
存储器，存储不同失效情况下电力电子模块损耗功率的数值范围；以及存储不同失效情况下电力电子模块外壳表面温度上升曲线时间常数的数值范围；
处理器，接收模/数转换单元传回的待测电力电子模块电流、电压、壳温及散热器表面温度数据，计算待测电力电子模块损耗功率，生成待测电力电子模块外壳表面温度上升曲线，并提取相应时间常数，根据待测电力电子模块的损耗功率和温升曲线时间常数，对照所述存储器查表，判断模块失效情况。
一种判定电力电子模块失效的检测方法，包括以下步骤：
S1，所述试验电源为待测电力电子模块供电，同时驱动待测电力电子模块；
S2，所述数据采集与分析单元获得所述电流检测单元、直流母线电压检测单元、壳温检测单元、散热器温度检测单元、V GE检测单元、V CE检测单元采集得到的电流、电压、壳温及散热器表面温度的运行数据送入处理器；
S3，所述处理器根据采集得到数据，计算待测电力电子模块的损耗功率，生成待测电力电子模块外壳表面温度上升曲线，计算待测电力电子模块外壳表面温度在固定时间间隔内的变化率，并提取温度上升曲线的时间常数；
S4，所述处理器根据计算得到的模块损耗功率和时间常数，对照存储器查表，判断待测电力电子模块的失效情况；
S5，重复执行S2至S4，循环检测电力电子模块的失效情况。
与现有技术相比，本发明具备如下突出实质性特点和显著优点：
本发明中的检测装置通过计算待测电力电子模块的损耗功率和提取其外壳表面温度上升曲线时间常数两种手段，能够甄别结温处在允许运行范围的电力电子模块内部传热介质和导电介质是否已经发生老化，因为当电力电子模块内部界面材料由于热应力发生老化和疲劳失效时，电力电子模块在特定热激励作用下的响应时间将延长、损耗功率也会发生变化；对电力电子模块的失效诊断能够指导其后续合理运行措施，便于延长面临失效风险的电力电子模块使用寿命，提高变流器系统整体可靠性。
附图说明
图1检测装置结构示意图。
图2待测电力电子模块单元示意图。
图3电力电子模块栅极-发射极电压V GE检测单元示意图。
图4电力电子模块集电极-发射极电压V CE检测单元示意图。
图5电力电子模块表面壳温检测单元示意图。
图6电力电子模块配套散热器表面温度检测单元示意图。
图7电流检测单元示意图。
图8直流母线电压检测单元示意图。
图9数据采集与分析单元示意图。
图10电力电子模块外壳表面温度上升曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施例做进一步的说明。
如图1所示，一种判定电力电子模块失效的检测装置，包括：
试验电源1，用于提供测试用的试验电源；
V GE检测单元2，用于检测待测电力电子模块9的栅极-发射极电压V GE；
V CE检测单元3，用于检测待测电力电子模块9的集电极-发射极电压V CE；
壳温检测单元4，用于检测待测电力电子模块9的外壳温度；
散热器温度检测单元5，用于检测待测电力电子模块9的散热器温度；
电流检测单元6，用于检测待测电力电子模块9的工作电流；
直流母线电压检测单元7，用于检测直流母线10的电压；
数据采集与分析单元8，用于模/数转换、数据存储、数据处理及数据传输；
待测电力电子模块9，作为测试对象，提供检测端口；
直流母线10，用于连接试验电源1与待测电力电子模块9；
所述试验电源1与电流检测单元6相连，并与待测电力电子模块9的负极相连，所述电流检测单元6与待测电力电子模块9的正极相连，电流检测单元6和直流母线电压检测单元7分别采集流经待测电力电子模块9的电流和直流母线10电压，壳温检测单元4采集待测电力电子模块9基板正下方温度，散热器温度检测单元5采集待测电力电子模块9配套散热器的表面温度，待测电力电子模块9的栅极和发射极间接入电力电子模块栅极-发射极电压V GE检测单元2、集电极和发射极间接入电力电子模块集电极-发射极电压V CE检测单元3，数据采集与分析单元8接收电流检测单元6、直流母线电压检测单元7、壳温检测单元4、散热器温度检测单元5、V GE检测单元2、V CE检测单元3的信号输出。
如图2所示为待测电力电子模块9示意图，驱动单元负责给电力电子模块施加栅极驱动信号，待测电力电子模块为试验负载供电。
如图3所示，所述V GE检测单元2包括依次连接的电压传感器2-1，整形电路2-2及信号输出2-3。待测电力电子模块9的栅极和发射极间接入V GE检测单元2中的电压传感器2-1，实时采集V GE数据，并经整形电路2-2调理后信号输出。
如图4所示，所述V CE检测单元3包括依次连接的电压传感器3-1，整形电路3-2及信号输出3-3。待测电力电子模块9的集电极和发射极间接入V CE检测单元3中的电压传感器3-1，实时采集V CE数据，并经整形电路3-2调理后信号输出。
如图5所示，所述壳温检测单元4包括依次连接的温度传感器4-1，整形电路4-2及信号输出4-3。温度传感器4-1放置在待测电力电子模块9基板正下方，采集运行时模块壳温数据，经整形电路4-2调理为具有实际意义、可被处理的电信号输出。
如图6所示，所述散热器温度检测单元5包括依次连接的温度传感器5-1，整形电路5-2及信号输出5-3。温度传感器5-1放置在模块散热器的水冷液体中或风冷系统外壳的正下方，采集运行时散热器温度数据，并经整形电路5-2调理为具有实际意义、可被处理的电信号输出。
如图7所示，所述电流检测单元6包括依次连接的电流传感器6-1，整形电路6-2及信号输出6-3。电流传感器6-1采集待测电力电子模块9的工作电流，经整形电路6-2调理后信号输出。
如图8所示，所述直流母线电压检测单元7包括依次连接的电压传感器7-1，整形电路7-2及信号输出7-3。电压传感器7-1负责采集直流母线10电压，并经整形电路7-2调理后信号输出。
如图9所示，所述数据采集与分析单元8包括依次连接的通信单元8-1，模/数转换单元8-2，存储器8-3及处理器8-4。数据采集与分析单元8接收电流检测单元6、直流母线电压检测单元7、壳温检测单元4、散热器温度检测单元5、V GE检测单元2、V CE检测单元3的信号输出。采集信号经模/数转换单元8-2送入处理器8-4，处理器8-4对数据进行处理、分析，并对待测电力电子模块9的失效情况做出判断。
本实施例所提供判定电力电子模块失效的检测方法，包括以下步骤：
S1，所述试验电源1为待测电力电子模块9供电，同时驱动待测电力电子模块9；
S2，所述数据采集与分析单元8获得所述电流检测单元6、直流母线电压检测单元7、壳温检测单元4、散热器温度检测单元5、V GE检测单元2、V CE检测单元3采集得到的电流、电压、壳温及散热器表面温度的运行数据送入处理器8-4；
S3，所述处理器8-4根据采集得到数据，计算待测电力电子模块9的损耗功率，生成待测电力电子模块9外壳表面温度上升曲线，计算待测电力电子模块9外壳表面温度在固定时间间隔内的变化率，并提取温度上升曲线的时间常数；
S4，所述处理器8-4根据计算得到的模块损耗功率和时间常数，对照存储器8-3查表，判断待测电力电子模块9的失效情况；
S5，重复执行S2至S4，循环检测电力电子模块9的失效情况。
附图10为电力电子模块固定时间间隔内其外壳表面温度上升曲线示例。若电力电子模块内部未发生老化失效，其外壳表面温度上升曲线的变化率 ，即时间常数，将保持在一个合理的范围内；若电力电子模块内部发生老化失效，功率芯片到模块外界环境间介质的传热能力退化，其外壳表面温度上升曲线的变化率相比正常情况将有所增大，时间常数同样也增大；若发生瞬态过流冲击，电力电子模块外壳表面温度将迅速上升并超过最大允许运行温度。因此，通过对电力电子模块外壳表面温度上升曲线变化规律的分析既可判断模块内部是否发生失效。
如果是模块内部金属部分，如焊层、键合线等，发生老化、断裂、脱落等情况，导致模块导电性能退化或失效，则模块内阻增大，损耗功率会发生变化。同时，焊层的疲劳、空洞、分层等原因也会引发模块传热性能的下降，在外壳表面温度上升曲线上体现为时间常数的增大。如果不对电力电子模块的传热失效做出诊断，令其长期在较差的散热环境下工作，极易导致芯片因过热损坏、加速模块整体老化进程。
如果是模块内部非金属部分，如填充材料、绝缘陶瓷基板等，由于老化、疲劳、损伤等原因导致的模块传热性能退化，同样表现在特定热激励下电力电子模块外壳表面温度上升曲线的时间常数增大。
因此，判断功率模块的损耗功率和外壳表面温度上升曲线变化规律是否处于合理范围内，即可判断待测电力电子模块是否面临失效。
Claims (7)
1.一种判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，检测装置包括：
试验电源(1)，用于提供测试用的试验电源；
VGE检测单元(2)，用于检测待测电力电子模块(9)的栅极-发射极电压VGE；
VCE检测单元(3)，用于检测待测电力电子模块(9)的集电极-发射极电压VCE；
壳温检测单元(4)，用于检测待测电力电子模块(9)的外壳温度；
散热器温度检测单元(5)，用于检测待测电力电子模块(9)的散热器温度；
电流检测单元(6)，用于检测待测电力电子模块(9)的工作电流；
直流母线电压检测单元(7)，用于检测直流母线(10)的电压；
数据采集与分析单元(8)，用于模/数转换、数据存储、数据处理及数据传输；
待测电力电子模块(9)，作为测试对象，提供检测端口；
直流母线(10)，用于连接试验电源(1)与待测电力电子模块(9)；
所述试验电源(1)与电流检测单元(6)相连，并与待测电力电子模块(9)的负极相连，所述电流检测单元(6)与待测电力电子模块(9)的正极相连，电流检测单元(6)和直流母线电压检测单元(7)分别采集流经待测电力电子模块(9)的电流和直流母线(10)电压，壳温检测单元(4)采集待测电力电子模块(9)基板正下方温度，散热器温度检测单元(5)采集待测电力电子模块(9)配套散热器的表面温度，待测电力电子模块(9)的栅极和发射极间接入电力电子模块栅极-发射极电压VGE检测单元(2)、集电极和发射极间接入电力电子模块集电极-发射极电压VCE检测单元(3)，数据采集与分析单元(8)接收电流检测单元(6)、直流母线电压检测单元(7)、壳温检测单元(4)、散热器温度检测单元(5)、VGE检测单元(2)、VCE检测单元(3)的信号输出；
所述VGE检测单元(2)包括依次连接的电压传感器(2-1)，整形电路(2-2)及信号输出(2-3)；
所述VCE检测单元(3)包括依次连接的电压传感器(3-1)，整形电路(3-2)及信号输出(3-3)。
2.根据权利要求1所述的判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，所述壳温检测单元(4)包括依次连接的温度传感器(4-1)，整形电路(4-2)及信号输出(4-3)。
3.根据权利要求1所述的判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，所述散热器温度检测单元(5)包括依次连接的温度传感器(5-1)，整形电路(5-2)及信号输出(5-3)。
4.根据权利要求1所述的判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，所述电流检测单元(6)包括依次连接的电流传感器(6-1)，整形电路(6-2)及信号输出(6-3)。
5.根据权利要求1所述的判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，所述直流母线电压检测单元(7)包括依次连接的电压传感器(7-1)，整形电路(7-2)及信号输出(7-3)。
6.根据权利要求1所述的判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，所述数据采集与分析单元(8)包括依次连接的通信单元(8-1)，模/数转换单元(8-2)，存储器(8-3)及处理器(8-4)；
存储器(8-3)，存储不同失效情况下电力电子模块损耗功率的数值范围；以及存储不同失效情况下电力电子模块外壳表面温度上升曲线时间常数的数值范围；
处理器(8-4)，接收模/数转换单元(8-2)传回的待测电力电子模块电流、电压、壳温及散热器表面温度数据，计算待测电力电子模块损耗功率，生成待测电力电子模块外壳表面温度上升曲线，并提取相应时间常数，根据待测电力电子模块的损耗功率和温升曲线时间常数，对照所述存储器(8-3)查表，判断模块失效情况。
7.一种判定电力电子模块失效的检测方法，利用权利要求1-6中任意一项所述的判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S1，所述试验电源(1)为待测电力电子模块(9)供电，同时驱动待测电力电子模块(9)；
S2，所述数据采集与分析单元(8)获得所述电流检测单元(6)、直流母线电压检测单元(7)、壳温检测单元(4)、散热器温度检测单元(5)、VGE检测单元(2)、VCE检测单元(3)采集得到的电流、电压、壳温及散热器表面温度的运行数据送入处理器(8-4)；
S3，所述处理器(8-4)根据采集得到数据，计算待测电力电子模块(9)的损耗功率，生成待测电力电子模块(9)外壳表面温度上升曲线，计算待测电力电子模块(9)外壳表面温度在固定时间间隔内的变化率，并提取温度上升曲线的时间常数；
S4，所述处理器(8-4)根据计算得到的模块损耗功率和时间常数，对照存储器(8-3)查表，判断待测电力电子模块(9)的失效情况；
S5，重复执行S2至S4，循环检测电力电子模块(9)的失效情况。
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- 2017-05-27 CN CN201710388116.0A patent/CN107121629B/zh active Active
Patent Citations (3)
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