CN107589320A - 功率模块的录波方法及录波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种功率模块的录波方法及录波装置。该方法包括：步骤1：通过一采集单元采集所述功率模块的运行参数；步骤2：通过一处理器读取并处理所述运行参数，以得到所述功率模块的实时参数；步骤3：当所述功率模块开机运行后，将所述实时参数存储到一第一存储单元；步骤4：当所述处理器判断所述功率模块发生异常时，将对应的故障信息和所述功率模块的实时参数存储至一第二存储单元的按照预设策略获得的存储地址中。本发明通过内置于功率模块的录波装置，能够实现实时录波功能并具有良好的可扩展性。

Description

功率模块的录波方法及录波装置

技术领域

本发明涉及电力电子技术，尤其涉及一种功率模块的录波方法及录波装置。

背景技术

在大功率电力电子产品中，由开关器件所组成的功率模块(power module)是产品的核心部分，功率模块的性能表现和设计规则基本上决定了大功率电力电子产品的主要性能指标。

传统的由逆变器所组成的大功率电力电子装置中，变频器或变流器等设备占有较大比重，而这类电力电子装置的核心部件就是由开关器件所组成的功率模块。

大功率的逆变器工作在高压大电流的环境下，客户对变流器系统的可靠性和可用性有很高的要求，如何设计便于维护，可靠性高，具有超高可利用率的智能功率模块，是电力电子设计者最重要的课题。

目前，大多数厂家会在变流器系统(包含变频器等)上设有故障录波功能。但是，由于系统所需要采集的信息很多，数据量很大，从而导致在一定的存储容量内，参数采样率比较低，录波时间比较短，不能完整的观察故障发生时各个参数的波形。而如果系统仅仅依靠增加存储设备的容量，不仅导致成本增加，同时利用工业接口读取存储设备中的数据所用的时间会很长。

在一定状况下，需要让故障复现，观察实时上传的参数，这种参数的上传没有时间限制，从而在根本上利用在线实时上传的参数波形对故障原因进行分析。因此，系统上一般还需要配备在线示波功能。但是，现有的在线示波具有很大的局限性，只有在变流器能够正常开启的状态下，在线示波才有观察波形的可能，如果先前的故障使得某一器件发生了损坏，使得变流器运行不起来，也就不能通过在线示波来找到故障原因；只有故障能够复现，才能有分析故障的可能，对于某些偶尔发生的故障，在线示波具有很大的局限性。

另一方面，现在越来越多的变流器生产厂商单独购买功率模块，但在现场调试或者运行的时候，一般只有变流器厂商人员调试，模块厂家一般不会派人跟随调试，一旦疑似功率模块故障导致系统停机，现场人员只能更换该功率模块，将疑似故障的功率模块返回模块厂家进行问题分析。由于模块厂家很难得到现场运行的各种工况以及参数，厂内测试情况又与现场情况不同，这就给模块厂家分析及解决故障带来很多不便，甚至无法找到根本原因。

现有市场上的功率模块在故障信息存储上比较单一，当故障发生时，只会将发生的故障类型信息进行存储。在对功率模块的故障信息进行读取后，只能判断该时刻发生了哪些故障；当多个故障发生时，由于没有故障发生的时间信息并不能判断故障发生的先后次序，也没有更详细的数据信息。这种情况下，维护人员很难从存储的信息中提取到有用的信息来分析发生故障的根本原因。

发明内容

本发明基于系统录波的局限性及功率模块故障原因查找的困难性，提出一种功率模块的录波方法及录波装置，能够实现功率模块故障信息及相关参数的实时录波功能。

根据本公开的一方面，提供一种功率模块的录波方法，包括：步骤1：通过一采集单元采集所述功率模块的运行参数；步骤2：通过一处理器读取并处理所述运行参数，以得到所述功率模块的实时参数；步骤3：当所述功率模块开机运行后，将所述实时参数存储到一第一存储单元；步骤4：当所述处理器判断所述功率模块发生异常时，将对应的故障信息和所述功率模块的实时参数存储至一第二存储单元的按照预设策略获得的存储地址中。

于一实施例中，所述功率模块的实时参数包括经采样处理后的所述运行参数，及根据所述运行参数计算出的所述功率模块的核心数据参数。

于一实施例中，所述第二存储单元中存储记录所述功率模块发生的多次故障的故障信息，并且记录最近N次故障中每一次故障发生时前后一定时间段内所述功率模块的实时参数，其中N为正整数。

于一实施例中，于所述步骤3中包含：预设一时长T，所述第一存储单元存储所述时长T内的实时参数，当所述功率模块未发生异常时，循环更新所述第一存储单元内的数据；当所述功率模块发生异常时，一计时器开始计时，当所述计时器未达到时长T/2时，持续更新所述第一存储单元内的数据，当所述计时器达到时长T/2时，停止更新所述第一存储单元内的数据。

于一实施例中，于所述步骤4中包含：步骤41：读取一实时时钟的时间及所述第二存储单元中的故障总次数，将所述故障总次数加1，并更新所述第二存储单元中的故障总次数；步骤42：按照所述预设策略获得所述存储地址，即根据更新后的故障总次数，计算本次故障对应的故障信息和实时参数在所述第二存储单元中的存储地址；步骤43：所述功率模块发生异常时，所述计时器开始计时，当所述计时器达到时长T/2时，将本次故障对应的故障信息和所述第一存储单元内存储的实时参数存入步骤42所述的存储地址中。

于一实施例中，当所述计时器达到时长T/2时，所述第一存储单元中存储有所述功率模块异常时，前T/2时长内的实时参数及后T/2时长内的实时参数。

于一实施例中，还包含步骤5：根据所述第二存储单元内存储的实时参数，生成最近N次故障中任意一次或多次故障对应的实时参数波形。

于一实施例中，所述故障信息包含通过读取所述实时时钟的时间获得的故障发生时间，通过所述处理器判断出的故障位置及故障类型。

于一实施例中，所述功率模块通过编码形式将所述故障信息及对应的实时参数传送给系统。

根据本公开的再一方面，提供一种功率模块内的录波装置，包含：一采集单元，采集所述功率模块的运行参数；一处理器，读取并处理所述运行参数，以得到所述功率模块的实时参数；一第一存储单元，当所述功率模块开机运行后，存储所述实时参数；一第二存储单元，当所述处理器判断所述功率模块发生异常时，存储对应的故障信息和所述功率模块的实时参数存储至一按照预设策略获得的存储地址中。

于一实施例中，所述处理器对所述功率模块的运行参数进行采样处理，并根据所述功率模块的运行参数计算出所述功率模块的核心数据参数；其中，所述功率模块的实时参数包括经采样处理后的所述运行参数及计算出的所述功率模块的核心数据参数。

于一实施例中，所述第二存储单元能够实现存储所述功率模块发生的多次故障的故障信息，并且记录最近N次故障中每一次故障发生时前后一定时间段内所述功率模块的实时参数，其中N为正整数。

于一实施例中，预设一时长T，所述第一存储单元存储时长T内的实时参数，当所述功率模块未发生异常时，循环更新所述第一存储单元内的数据；当所述功率模块发生异常时，一计时器开始计时，当所述计时器未达到时长T/2时，持续更新所述第一存储单元内的数据，当所述计时器达到时长T/2时，停止更新所述第一存储单元内的数据。

于一实施例中，还包括：一实时时钟；其中，当所述功率模块发生异常时，所述处理器读取所述实时时钟的时间及所述第二存储单元中的故障总次数，将所述故障总次数加1，并更新所述第二存储单元中的故障总次数，根据更新后的故障总次数，计算本次故障对应的故障信息和实时参数在所述第二存储单元中的存储地址；所述计时器开始计时，当所述计时器达到时长T/2时，将本次故障对应的故障信息和所述第一存储单元内的实时参数存入计算出的存储地址中。

于一实施例中，当所述计时器达到时长T/2时，所述第一存储单元中存储有所述功率模块异常时，前T/2时长内的实时参数及后T/2时长内的实时参数。

于一实施例中，还包括：故障波形生成单元，用于根据所述第二存储单元内存储的实时参数，生成最近N次故障中任意一次或多次故障对应的实时参数波形。

于一实施例中，所述故障信息包含通过读取所述实时时钟的时间获得的故障发生时间，通过所述处理器判断出的故障位置及故障类型。

于一实施例中，所述第一存储单元为静态随机存取存储器，所述第二存储单元为flash存储器。

本发明针对现有技术的有益效果至少体现在以下几点：可以将故障类型以及发生时间等信息存储到存储设备中，通过读取存储的信息，可以清晰的了解故障发生的频率，方便维护人员分析某些共性故障。同时通过对故障次数以及故障类型的了解，能够更好的掌握功率模块的运行状况，有利于功率模块的维护。将功率模块发生故障时前后一定时间内的参数进行记录存储，可以存储最近N次故障发生时的实时参数。维护人员通过读取其中任意一次或多次故障的实时参数波形，可以分析功率模块故障时各个参数的波形变化，从而判断发生故障的根本原因。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。

图1示意性示出本发明一种功率模块的录波方法的流程图；

图2示意性示出本发明一种功率模块的录波方法中第一存储单元存储数据的方法流程图；

图3示意性示出本发明一种功率模块的录波方法中第二存储单元存储数据的方法流程图；

图4示意性示出本发明一种功率模块内的录波装置的原理框图；

图5示意性示出本发明一种功率模块内的录波装置的一具体实施例的结构示意图；

图6示意性示出本发明一种功率模块的录波装置生成最近N次故障波形的示意图；

图7A-7B示意性示出本发明一种功率模块的录波装置记录的某一次故障对应的电流波形及其放大图；

图8示意性示出本发明中内置录波装置的功率模块的电路图；

图9示意性示出本发明中内置录波装置的功率模块的结构示意图；

图10A-10C示意性示出功率转换电路的电路图；

图11示意性示出现有的功率模块并联的电路框图；

图12示意性示出本发明的功率模块并联的电路框图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述本发明的实施方式，提供这些实施方式将使得本发明公开的更加全面和完整，但不应被解释为对本发明实施的限制。附图仅为本发明的示意性图解，并非是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构、方法步骤或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、元器件、材料等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、材料或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。

在实施方式与专利申请范围中，除非文中对于冠词有所特别限定，否则“一”与“所述”可泛指单一个或多个。本发明中，涉及“耦接”的描述，其可泛指一组件透过其它组件而间接连接至另一组件，或是一组件无须透过其它组件而直接连接至另一组件。

请参照图1至图3，图1示意性示出本发明一种功率模块的录波方法的流程图；图2示意性示出本发明一种功率模块的录波方法中第一存储单元存储数据的方法流程图；图3示意性示出本发明一种功率模块的录波方法中第二存储单元存储数据的方法流程图。

如图1所示，本发明一种功率模块的录波方法包含：

步骤S110，通过一采集单元采集所述功率模块的运行参数；

步骤S120，通过一处理器读取并处理所述运行参数，以得到所述功率模块的实时参数；

步骤S130，当所述功率模块开机运行后，将所述实时参数存储到一第一存储单元；

步骤S140，所述处理器判断所述功率模块是否发生异常，当所述处理器判断所述功率模块发生异常时，进入下一步；反之，跳回到步骤S130继续循环更新该第一存储单元中的实时参数；

步骤S150，将对应的故障信息和所述功率模块的实时参数存储至一第二存储单元的按照预设策略获得的存储地址中。

进一步地，在步骤S110中，所述运行参数包括但不限于所述功率模块的输出电流、直流母排两端的BUS电压、湿度、环境温度、散热器温度、直流支撑电容表面温度、冷却组件入口温度、冷却组件出口温度、开关器件(例如IGBT)内部的温度、系统输入的开关信号频率等。

进一步地，在步骤S120中，所述功率模块的实时参数包括经采样处理后的所述运行参数，及根据所述运行参数计算出的所述功率模块的核心数据参数。其中，所述核心数据参数包括但不限于所述功率模块的输出功率、实时损耗功率、开关器件内部结温、电容表面温升、电流有效值。

再进一步地，于所述功率模块的录波方法中，步骤S130包含：预设一时长T，所述第一存储单元存储所述时长T内的实时参数，当所述功率模块未发生异常时，循环更新所述第一存储单元内的数据；当所述功率模块发生异常时，一计时器开始计时，当所述计时器未达到时长T/2时，持续更新所述第一存储单元内的数据，当所述计时器达到时长T/2时，停止更新所述第一存储单元内的数据。详细的执行步骤如图2所示。

图2中设定预设时长T等于4s，当然具体的预设时长T可以根据实际需求进行设置，对此并不构成对本发明的限制；所述第一存储单元采用SRAM(Static Random AccessMemory，静态随机存取存储器)为例进行说明。

首先执行步骤S131：判断所述功率模块是否开机运行。如果所述功率模块开机，则进入步骤S132；反之，继续判断所述功率模块是否开机运行。

值得注意的是，实时录波可以在检测到功率模块开机后才启动，这样可以避免由于功率模块自身单元损坏或其它原因，在上电后功率模块还没有开机运行的情况下，检测到故障后进行录波。因为这种情况下记录的波形可能对于维护分析人员没有意义，更可能会覆盖之前已经记录的有效的波形数据。

步骤S132：循环更新SRAM中的实时参数。SRAM中储存了时长T内的数据，本实施例中时长T等于4s。具体地，当检测到所述功率模块开机信号后，所述处理器会将采样处理后的运行参数、计算出的核心数据参数实时地存储到信息暂存部分即SRAM中。其中，采样频率为系统输入的开关信号频率的两倍或者两倍以上。按照香农采样定律，采样频率在开关频率的两倍以上，采样信号能够很好的跟踪实际输出信号。

步骤S133：判断所述功率模块是否发生异常；如果所述功率模块发生异常，则进入步骤S134；反之，跳回到步骤S132继续循环更新所述SRAM中的实时参数。

步骤S134：计时器开始计时。

步骤S135：判断计时2s是否完成。如果计时达到2s，则进入步骤S136；反之，继续判断计时2s是否完成且继续循环更新所述SRAM中的数据。

步骤S136：停止更新所述SRAM中的实时参数。此时，计时器计时达到2s，SRAM中存储有所述功率模块发生异常时，前2s的实时参数及后2s的实时参数。

再进一步地，于所述功率模块的录波方法中，步骤S150包含：读取一实时时钟的时间及所述第二存储单元中的故障总次数，将所述故障总次数加1，并更新所述第二存储单元中的故障总次数；按照所述预设策略获得所述存储地址，即根据更新后的故障总次数，计算本次故障对应的故障信息和实时参数在所述第二存储单元中的存储地址；所述功率模块发生异常时，所述计时器开始计时，当所述计时器达到时长T/2时，将本次故障对应的故障信息和所述第一存储单元内存储的实时参数存入计算出的所述存储地址中。详细的执行步骤如图3所示。

在图3中，还是以设定预设时长T等于4s、第一存储单元为SRAM为例，当然具体的预设时长T可以根据实际需求进行设置，对此并不构成对本发明的限制；第二存储单元采用flash为例进行说明。

首先执行步骤S151：判断所述功率模块是否发生异常。如果所述功率模块发生异常，则进入下述步骤S152、S154、S155；反之，继续判断所述功率模块是否发生异常。

步骤S152：当所述功率模块发生异常时，所述计时器开始计时。需要说明的是，步骤S152中的计时器与步骤S134中的计时器为同一计时器，可以称为故障计时器。

步骤S153：判断计时2s是否完成。如果计时达到2s，则进入步骤S157；反之，继续判断计时2s是否完成且继续循环更新所述SRAM中的数据。

步骤S154：当所述功率模块发生异常时，读取RTC(Real-Time Clock，实时时钟)时间并记录为本次故障的发生时间。

步骤S155：当所述功率模块发生异常时，读取flash中存储的故障总次数，并更新所述flash中存储的故障总次数。例如，读取存在flash中之前已经发生故障的总次数，将读取到的总故障次数加“1”，并存储为新的故障总次数。

步骤S156：根据更新后的故障总次数，分别计算本次故障对应的故障信息和实时参数在该flash中的存储地址。由于本发明实施例的功率模块的录波方法，可以存储多次故障的故障信息和实时参数，所以需要根据发生故障的总次数，分别计算出本次故障的故障信息存储在该flash中的地址和本次故障的实时参数存储在该flash中的地址。

步骤S157：当计时到达2s，将本次故障对应的故障信息和SRAM中存储的实时参数存入步骤S156计算出的flash的相应存储地址中。所述故障信息包含通过所述步骤S154读取RTC时间获得的故障发生时间，通过所述处理器判断出的故障位置及故障类型。所述故障类型包括但不限于所述功率模块的输出过流故障、BUS电压过压故障、直流支撑电容表面温度过高故障、直流支撑电容表面温度温升过高故障、开关器件结温过高故障、开关信号频率异常故障、模块辅助电掉电故障和模块开关器件短路故障。

需要说明的是，当功率模块发生异常时，可以同时开始实施步骤S152、S154和S155，或者可以先计时器开始计时和读取RTC时间，再读取存在flash中之前已经发生故障的总次数。而当计时器计时2s完成且已经读取RTC时间及计算出本次对应的故障信息和实时参数在该flash中的存储地址后，再实施步骤S157。

本发明实施例中，所述功率模块的录波方法，第二存储单元(flash)存储的故障实时参数对应为故障前2s到故障后2s的时间段内的数据。当所述功率模块有故障发生时，立即启动故障计时器，在计时器计时没有达到2s之前，一直持续的将采集的运行参数和计算的实时参数存储到SRAM中，当计时器计时达到2s以后，停止更新SRAM中的数据，并记下SRAM更新的最后一个数据的地址，从这个地址的下一个地址开始，顺序读取SRAM中的数据，将读取到的数据顺序存入之前计算出的存储故障信息和实时参数的地址中，直到SRAM中的数据全部转移到flash中。

在示例性实施例，所述录波方法能够实现存储所述功率模块发生的多次故障的故障信息，并且记录最近N次故障中每一次故障发生时前后一定时间段内(如故障前2s和故障后2s)所述功率模块的实时参数，其中N为正整数。例如，N为7，当然具体可以存储多少次故障的实时参数是根据所述第二存储单元的容量来确定和/或根据实际需求来选择的。

再进一步地，于所述功率模块的录波方法中，还包含下述步骤：根据所述第二存储单元内存储的实时参数，生成最近N次故障中任意一次或多次故障对应的实时参数波形。请参照图6，图6示意性示出本发明一种功率模块的录波装置生成最近N次故障波形的示意图。如图6所示，所述录波装置对该功率模块的最近N次发生的故障进行实时录波，可以根据存储的实时参数生成最近第一次故障详细波形、最近第二次故障详细波形、至最近第N-1次故障详细波形及最近第N次故障详细波形，其中，所述最近第一次故障详细波形、最近第二次故障详细波形、至最近第N-1次故障详细波形及最近第N次故障详细波形中包括对应的故障发生时的前2s和故障发生时的后2s的所有监测值。

在示例性实施例，所述功率模块通过编码形式将所述故障信息及对应的实时参数传送给系统。具体地，功率模块与例如变流器系统通过编码的方式进行信息传输，当系统请求读取故障信息或者故障波形时，功率模块能够通过编码形式将数据传送给系统，当系统需要清除故障等措施时，功率模块会采取相应的措施。

本发明实施方式提出的具备以上功能的功率模块的录波方法，可以将发生故障前后一定时间内所采集到的运行参数和计算获得的实时参数进行记录存储，同时具备根据存储的实时参数生成最近N次故障发生时的完整波形的功能，维护人员可以读取其中任意一次或多次故障的实时参数波形，从中分析功率模块故障时各个参数的波形变化，从而判断出发生故障的根本原因。

图4示出本发明一种功率模块内的录波装置400的原理框图。如图4所示，该装置400包括：一采集单元410，采集所述功率模块的运行参数；一处理器420，读取并处理所述运行参数，以得到所述功率模块的实时参数；一第一存储单元430，当所述功率模块开机运行后，存储所述实时参数；一第二存储单元440，当所述处理器判断所述功率模块发生异常时，存储对应的故障信息和所述功率模块的实时参数存储至一按照预设策略获得的存储地址中。

在示例性实施例，所述采集单元410主要采集所述功率模块的输出电流、一直流母排两端的BUS电压、一直流支撑电容的表面温度T1、一冷却组件入口的温度T2、一冷却组件出口的温度T3、开关器件内部的温度T4、环境温度T5及系统输入的开关信号频率f等所述功率模块的运行参数。

在示例性实施例，所述处理器420对所述功率模块的运行参数进行采样处理，并根据所述功率模块的运行参数计算出所述功率模块的核心数据参数。其中，所述功率模块的实时参数包括经采样处理后的所述运行参数及计算出的所述功率模块的核心数据参数。所述核心数据参数能够直观的判断所述功率模块的运行状况。

在示例性实施例，所述第二存储单元440能够存储所述功率模块发生的多次故障的故障信息及记录最近N次故障中每一次故障发生时前后一定时间段内所述功率模块的实时参数，其中N为正整数。

在示例性实施例，所述第一存储单元430存储预设的一时长T内的实时参数。当功率模块未发生异常时，循环更新所述第一存储单元430中的数据。当功率模块发生异常时，一计时器开始计时，当所述计时器未达到时长T/2时，持续更新所述第一存储单元430内的数据，当所述计时器达到时长T/2时，停止更新所述第一存储单元430内的数据。

在示例性实施例，所述录波装置还包括：一实时时钟；其中，当所述功率模块发生异常时，所述处理器420读取所述实时时钟的时间及所述第二存储单元440中的故障总次数，将所述故障总次数加1，并更新所述第二存储单元440中的故障总次数，根据更新后的故障总次数，计算本次故障对应的故障信息和实时参数在所述第二存储单元440中的存储地址；所述计时器开始计时，当所述计时器达到时长T/2时，将本次故障对应的故障信息和所述第一存储单元430内存储的实时参数存入计算出的所述第二存储单元440的存储地址中。

在示例性实施例，其中当计时器达到时长T/2时，即当停止更新所述第一存储单元430的数据时，所述第一存储单元430中存储有所述功率模块异常时，前T/2时长内的实时参数及后T/2时长内的实时参数。

在示例性实施例，所述第一存储单元430为静态随机存取存储器(SRAM)，所述第二存储单元440为flash存储器。当然，本发明中所说的SRAM、flash是用于示例性说明的，并非用于限制本发明，即根据系统设计的需求，可以选择采用任意一种合适的存储方式。

在示例性实施例，所述故障信息包含通过读取所述实时时钟的时间获得的故障发生时间，通过所述处理器420判断出的故障位置及故障类型。

图5为该录波装置的一具体实施例的结构示意图。如图5所示，该录波装置包括：信号调理电路510，其用于对各类传感器采集到的所述功率模块的运行参数进行处理，使其适合于AD采样电路520的输入；AD采样电路520，其分别电性耦接所述信号调理电路510和一处理器530，对经过所述信号调理电路510处理后的所述运行参数进行采样，并将采样后的运行参数输入至所述处理器530；处理器530(例如，MUC或ASIC器件)分别与所述AD采样电路520、第一存储单元SRAM 540、实时时钟RTC 550、第二存储单元flash 560电性耦接。所述处理器530对所述功率模块的运行参数进行计算，以获得所述功率模块的核心数据参数。

在示例性实施例，所述flash 560可以包括第一存储区域561和第二存储区域562，分别用于存储故障信息和实时参数。其中，所述flash 560的第一存储区域561中存储功率模块发生的1～n次故障的故障信息，n为正整数，n可以大于等于1000。所述故障信息包括故障发生时间、电流故障位置、温度故障位置1至温度故障位置M以及其他故障类型信息等，M为正整数。所述flash 560的第二存储区域562中可以存储最近发生的N次故障中每一次故障发生时功率模块的实时参数，N为正整数。例如N等于7，存储最近发生故障的实时参数时，最近一次故障的实时参数会将之前第1次故障的实时参数覆盖，保证存储设备中存储的实时参数为最近7次故障发生时的实时参数。所述实时参数包括最近N次故障中每一次故障发生时前后一定时间(例如前后2s)内的数据。

在示例性实施例，所述录波装置还包括：故障波形生成单元，用于根据所述第二存储单元560的第二存储区域562内存储的实时参数，生成最近N次故障中任意一次或多次故障对应的实时参数波形。

图7A示意性示出从本发明功率模块内的录波装置中读出的某一次故障电流波形。图7B示出图7A的故障电流波形的放大图。如图7A所示，可以清楚的观察故障发生时电流的实时变化。

在一定条件下，所述录波装置将采集到的数据与计算处理得到的数据存入存储设备(例如flash 560)中，维护人员通过通用通信接口将存储设备中的数据读取出来，并对实时录波信息进行直观的分析，有助于有效、方便的判断发生异常或者故障的根本原因，最终使功率模块具有非常高的可用性和智能性。

例如功率模块中的录波装置存储最近7次故障的实时参数，并可得到最近7次故障对应的参数波形。当维护人员通过通信接口将功率模块与PC机连接好，点击HMI界面上连接按钮，功率模块收到连接指令后，自动上传所有的故障信息，HMI界面根据存储的故障信息提取最近7次故障发生的时间，维护人员可以点击这些时间读取对应的参数波形。维护人员不仅可以查看最近一次故障的参数波形，分析功率模块发生故障的原因，同时可以查看之前多次故障的参数波形，帮助分析系统级问题。同时，维护人员可以读取所有故障发生的时间及对应的故障类型，确定故障发生的次数、频率等信息，帮助分析功率模块和系统发生故障的根本原因，维护功率模块及系统的稳定性，提高功率模块的智能性。

本发明实施方式提供的录波装置，可以采集与功率模块运行状况相关的运行参数以及环境参数，可以将故障发生时的故障类型以及故障发生的时间，及最近N次故障发生时对应的功率模块的参数等信息存储到存储设备中。判定发生故障的类型(可存储千次以上故障类型)，通过与故障发生时间配对，可以清晰的了解故障发生的频率等信息，方便维护人员分析某些共性故障，同时维护人员基于对故障次数以及故障类型的了解，能够更好的掌握该功率模块的运行状况，对该功率模块的维护提供针对性的对策。

本公开还揭露了一种功率模块，该功率模块包括：功率转换电路；分散设置于所述功率模块内的多个传感器；录波装置，与所述多个传感器进行信号通讯；以及驱动控制装置，其电性耦接于所述功率转换电路及所述录波装置。功率模块的具体结构，请一并参照图8和图9。

以一种单相功率模块为例，图8示出本发明中内置录波装置的功率模块的电路图。如图8所示，功率模块800包括：功率转换电路810，分散在该功率模块800中的各类传感器(如871～877)，录波装置820及驱动控制装置830。其中，录播装置820接收所述各类传感器采集的信号，驱动控制装置830电性耦接于功率转换电路810及录波装置820。功率模块800还包括冷却组件(冷却组件入口841、冷却组件出口842)，直流支撑电容850，直流母排(正直流母排861、负直流母排862)，交流母排880。

在示例性实施例中，该功率转换电路810为一单相电路，即接收直流输入电能，并输出一相交流电能。功率转换电路810包含多个开关器件，所述开关器件可以是IGBT或MOSFET等。

该各类传感器包括：测量所述功率模块内部湿度的湿度传感器(图8中未示出)；用于测量所述直流支撑电容表面温度的第一温度传感器871，其贴装在直流支撑电容850的表面；测量环境温度的第二温度传感器873；测量功率转换电路810中开关器件内部温度的第三温度传感器877；测量冷却组件入口841的温度的第四温度传感器875；测量冷却组件出口842的温度的第五温度传感器876；用于测量所述正直流母排861与负直流母排862两端电压的电压传感器872，其耦接于正直流母排861与负直流母排862之间；电流传感器874套设于所述交流母排880上，通过互感测量所述功率模块的输出电流。举例说明湿度传感器的作用，利用湿度传感器检测功率模块所处环境的湿度，结合湿度和环境温度的变化，来判断功率模块的器件上是否存在凝露的可能，以便针对会产生凝露的环境做出相应的整改措施，甚至可以据此判定某些失效是由于凝露所造成的。

该录波装置820，接收测量所述功率模块各类运行参数的传感器采集的信号，记录经所述多个传感器测量的功率模块的相关参数，功率模块发生故障的时间及故障类型，存储功率模块的多次故障信息及最近N次故障对应的参数波形。具体的细节可参考上文对录波方法及录波装置的说明，此处不再赘述。

该驱动控制装置830，电性耦接于所述功率转换电路810，对系统输入的开关信号进行必要的逻辑处理，以驱动功率转换电路810中的开关器件进行相关动作，其中逻辑处理可以采用任意一种现有的方式，在此不再详细描述。驱动控制装置830还与所述录波装置820电性耦接，该驱动控制装置830实时监测开关器件是否有短路现象，一旦出现短路现象，驱动控制装置830立即向录波装置820反馈短路故障信号；同时，在功率模块800发生故障的情况下，录波装置820会向驱动控制装置830发送封锁信号，进而驱动控制装置830封锁开关信号，功率转换电路810停止输出。

该开关器件冷却组件可以是水冷式冷却组件和/或风冷式冷却组件，包括冷却组件入口841和冷却组件出口842。直流母排，包括正直流母排861和负直流母排862。直流支撑电容850，电性耦接于正直流母排861和负直流母排862之间，具体地，直流支撑电容850分别电性耦接于所述功率模块的直流正负极端子。交流母排880，电性耦接于所述功率模块800的交流端子。

图9示出本发明中内置录波装置的功率模块的结构示意图。如图9所示，该功率模块900包括：功率转换电路910；多个传感器920(图9中没有将所有的传感器标识出来)；录波装置930；驱动控制装置940；直流母排950；交流母排960；直流支撑电容970；开关器件冷却组件980。从图9可以得出，相对于变流器系统设置录波功能，在功率模块900中集成录波装置、各类传感器，走线简单，节省空间，信号传输准确。同时，录波装置930设置在功率模块900的边缘，不会过多占用功率模块900内部的空间。

本领域技术人员应该清楚的知道，图8、图9仅示意性示出功率模块的部分结构，功率模块还包括其它必要的结构组件(图中未标识出)。

上述实施例提供的功率模块自身采集、计算、存储参数，相对整个变流器系统采集、计算、存储参数有着很大的优越性，至少体现在以下三点：第一，变流器系统针对功率模块的数据采集主要侧重于功率模块的输出特性，包含输出电流、开关器件温度、BUS电压等，而本发明实施例中的功率模块关注整个模块所有能够监测到的参数，能够更好的帮助分析模块本身的根本特性。第二，相对整个变流器系统而言，功率模块自身需要采集、计算、存储的数据会少很多，在有限的存储空间内参数的采样频率和存储频率可以比较高，同时可以存储较长时长内的数据(例如存储故障发生前后2s，共4s内的数据)，从而有利于完整的观察模块发生故障的前一段时间内和后一段时间内各个参数更详细的数据信息；而高采样率能够更好的复现功率模块发生故障时的参数波形，更有效的协助分析人员分析发生故障的原因。第三，如果变流器系统与功率模块一样，采集功率模块内很详细的参数信息，那么势必要将功率模块中各个传感器与系统连接，而功率模块作为系统中功率输出的主要部件，太多的线从功率模块内部拉出，会导致走线困难，甚至出现高低压走线紊乱，除了有高低压绝缘问题外还有信号传输线干扰问题，导致信号传输失真，无法协助维护人员分析，甚至会导致维护人员对问题的误判。功率模块监测本身的底层参数，并在一定条件下，将采集的参数存储到存储设备中，减小了变流器系统的负担，同时能够保证底层参数的完整性，对模块分析或系统分析起到很大的促进作用。

图10A-10C示意性示出功率转换电路的电路图。功率转换电路为功率模块的主回路，按照相数集成度划分，可分为：单个开关组组成的电路，单相电路，双相电路及三相电路。图10A示出一单相电路拓扑，包含两个并联桥臂，该单相电路输入/输出一相交流电能。图10B示出一双相电路拓扑，包含四个并联桥臂，该双相电路输入/输出两相交流电能。图10C示出一三相电路拓扑，包含6个并联桥臂，该三相电路输入/输出三相交流电能。单个开关组组成的电路由于布局上的限制难以进行优化，双相电路或三相电路集成在一个功率模块中，尺寸和重量较难控制，且功率等级的扩展受到限制。相对而言，单相电路集成的功率模块具有较高的灵活性。变流器系统会包含多个功率模块，以变流器系统实现AC/AC转换为例，至少需要包含六个单相功率模块以实现电能转换。

一般地，变流器系统应用于高压大功率场合，需要通过功率模块并联的方法来增加系统的输出能力(例如功率等级)。如图11所示，示意性示出现有功率模块并联的电路框图。第一功率模块111和第二功率模块112并联，功率模块111、112的具体结构不再详述。功率模块并联后，系统采集的电流为两个模块并联后的总电流，如果在运行过程中，系统检测到发生了过流故障，却不能判断出两个功率模块中的哪个模块发生过流故障还是两个功率模块均发生过流故障。除此之外，这种系统采集的母线电压只会采集直流母排上面的电压，而非功率模块内部的开关器件两端的母线电压，这种参数采集方式存在比较大的局限性。

现有的功率模块并联还存在一种情况，当所述功率模块112出现短路现象时，开关器件开关瞬间会产生电压尖峰，由于功率模块内部电气连接杂散电感(例如L1和L2)，及功率模块111中较大的直流母线支撑电容C1的存在，在DC+和DC-之间的电压传感器113将检测不到这种电压尖峰，在后续的故障分析过程中，就失去了一个故障判断依据，甚至造成误分析。

而本发明提供的功率模块很好的解决了上述问题，如图12所示，示意性示出本发明功率模块并联的电路框图。功率模块121和功率模块122并联，功率模块121、122的具体结构参照上述实施例，在此不再详述。采用本发明集成录波装置的功率模块，每个功率模块本身具有参数采集检测功能，例如电流检测和电压检测。举例说明，功率模块121具有电流传感器1210检测其交流母排输出的电流，功率模块122具有电流传感器1220检测其交流母排输出的电流，而不是如图11所示的仅检测交流母排123的电流。功率模块121和功率模块122的直流端子通过直流母排连接于直流端DC+和DC-，功率模块121包含电压传感器1211检测其母线电压，功率模块122包含电压传感器1221检测其母线电压，而不是如图11所示的直接检测DC+与DC-之间的电压。一旦模块出现异常，能够很直观快速的判断出具体是哪个功率模块出现异常。同时电压检测直接测量开关器件两端的母线电压，保证所采集和存储的波形为模块本身最真实的数据，对维护人员提供更为有效的分析数据。

图12仅示出了两个功率模块121和122，但是本领域普通技术人员应理解到并不限于此，根据电路的设计需求，例如变流器还可以包括三个、四个或多个功率模块。

本发明还揭露了一种变流器，包含上述功率模块。一般而言，变流器包含多个上述功率模块，部分的或全部功率模块之间彼此并联，扩展变流器的输出等级。功率模块与变流器系统通过编码的方式进行信息传输。当变流器系统请求读取故障信息或者故障波形时，功率模块能够通过编码形式将数据传送给变流器系统。当变流器系统需要清除故障等措施时，功率模块会采取相应的措施。

本发明所公开功率模块，功率模块的录波方法及录波装置，通过对功率模块的实时信息的采集、关键参数的计算、故障类型信息的存储和故障信息实时录波，克服了基于系统级存储波形的局限性以及模块故障原因查找的困难性。

本领域技术人员在考虑说明书及实践公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

Claims (18)

1.一种功率模块的录波方法，其特征在于，包括：

步骤1：通过一采集单元采集所述功率模块的运行参数；

步骤2：通过一处理器读取并处理所述运行参数，以得到所述功率模块的实时参数；

步骤3：当所述功率模块开机运行后，将所述实时参数存储到一第一存储单元；

步骤4：当所述处理器判断所述功率模块发生异常时，将对应的故障信息和所述功率模块的实时参数存储至一第二存储单元的按照预设策略获得的存储地址中。

2.如权利要求1所述的功率模块的录波方法，其特征在于，所述功率模块的实时参数包括经采样处理后的所述运行参数，及根据所述运行参数计算出的所述功率模块的核心数据参数。

3.如权利要求1所述的功率模块的录波方法，其特征在于，所述第二存储单元中存储所述功率模块发生的多次故障的故障信息，及最近N次故障中每一次故障发生时前后一定时间段内所述功率模块的实时参数，其中N为正整数。

4.如权利要求1所述的功率模块的录波方法，其特征在于，于所述步骤3中包含：

预设一时长T，所述第一存储单元存储所述时长T内的实时参数，当所述功率模块未发生异常时，循环更新所述第一存储单元内的数据；当所述功率模块发生异常时，一计时器开始计时，当所述计时器未达到时长T/2时，持续更新所述第一存储单元内的数据，当所述计时器达到时长T/2时，停止更新所述第一存储单元内的数据。

5.如权利要求4所述的功率模块的录波方法，其特征在于，于所述步骤4中包含：

步骤41：读取一实时时钟的时间及所述第二存储单元中的故障总次数，将所述故障总次数加1，并更新所述第二存储单元中的故障总次数；

步骤42：按照所述预设策略获得所述存储地址，即根据更新后的故障总次数，计算本次故障对应的故障信息和实时参数在所述第二存储单元中的存储地址；

步骤43：所述功率模块发生异常时，所述计时器开始计时，当所述计时器达到时长T/2时，将本次故障对应的故障信息和所述第一存储单元内存储的实时参数存入步骤42所述的存储地址中。

6.如权利要求4或5所述的一种功率模块的录波方法，其特征在于，当所述计时器达到时长T/2时，所述第一存储单元中存储有所述功率模块异常时，前T/2时长内的实时参数及后T/2时长内的实时参数。

7.如权利要求3所述的功率模块的录波方法，其特征在于，还包含步骤5：

根据所述第二存储单元内存储的实时参数，生成最近N次故障中任意一次或多次故障对应的实时参数波形。

8.如权利要求5所述的功率模块的录波方法，其特征在于，所述故障信息包含通过读取所述实时时钟的时间获得的故障发生时间，通过所述处理器判断出的故障位置及故障类型。

9.如权利要求1所述的功率模块的录波方法，其特征在于，还包括：所述功率模块通过编码形式将所述故障信息及对应的实时参数传送给系统。

10.一种功率模块内的录波装置，包含：

一采集单元，采集所述功率模块的运行参数；

一处理器，读取并处理所述运行参数，以得到所述功率模块的实时参数；

一第一存储单元，当所述功率模块开机运行后，存储所述实时参数；

一第二存储单元，当所述处理器判断所述功率模块发生异常时，存储对应的故障信息和所述功率模块的实时参数至一按照预设策略获得的存储地址中。

11.如权利要求10所述的功率模块内的录波装置，其特征在于，所述处理器对所述功率模块的运行参数进行采样处理，并根据所述功率模块的运行参数计算出所述功率模块的核心数据参数；

其中，所述功率模块的实时参数包括经采样处理后的所述运行参数及计算出的所述功率模块的核心数据参数。

12.如权利要求10所述的功率模块内的录波装置，其特征在于，所述第二存储单元能够实现存储所述功率模块发生的多次故障的故障信息，并且记录最近N次故障中每一次故障发生时前后一定时间段内所述功率模块的实时参数，其中N为正整数。

13.如权利要求10所述的功率模块内的录波装置，其特征在于，预设一时长T，所述第一存储单元存储时长T内的实时参数，当所述功率模块未发生异常时，循环更新所述第一存储单元内的数据；当所述功率模块发生异常时，一计时器开始计时，当所述计时器未达到时长T/2时，持续更新所述第一存储单元内的数据，当所述计时器达到时长T/2时，停止更新所述第一存储单元内的数据。

14.如权利要求13所述的功率模块内的录波装置，其特征在于，还包括：

一实时时钟；

其中，当所述功率模块发生异常时，所述处理器读取所述实时时钟的时间及所述第二存储单元中的故障总次数，将所述故障总次数加1，并更新所述第二存储单元中的故障总次数，根据更新后的故障总次数，计算本次故障对应的故障信息和实时参数在所述第二存储单元中的存储地址；所述计时器开始计时，当所述计时器达到时长T/2时，将本次故障对应的故障信息和所述第一存储单元内的实时参数存入计算出的存储地址中。

15.如权利要求13或14所述的功率模块内的录波装置，其特征在于，当所述计时器达到时长T/2时，所述第一存储单元中存储有所述功率模块异常时，前T/2时长内的实时参数及后T/2时长内的实时参数。

16.如权利要求12所述的功率模块内的录波装置，其特征在于，还包括：

故障波形生成单元，用于根据所述第二存储单元内存储的实时参数，生成最近N次故障中任意一次或多次故障对应的实时参数波形。

17.如权利要求14所述的功率模块内的录波装置，其特征在于，所述故障信息包含通过读取所述实时时钟的时间获得的故障发生时间，通过所述处理器判断出的故障位置及故障类型。

18.如权利要求10所述的功率模块内的录波装置，其特征在于，所述第一存储单元为静态随机存取存储器，所述第二存储单元为flash存储器。