CN107728033A - 用于预测逆变器的故障状态的设备及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种用于预测逆变器的故障状态的设备及方法。用于预测逆变器的故障状态的设备包括：逆变器，其将DC电源转换为AC电源；开关元件，其设置在逆变器中；以及控制器，其基于从逆变器输出的输出信号提取故障征兆因子并且基于故障征兆因子预测开关元件的故障。

Description

用于预测逆变器的故障状态的设备及方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年8月11日向韩国知识产权局提交的申请号为10-2016-0102214的韩国专利申请的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开涉及一种用于预测逆变器的故障状态的设备，并且特别地，涉及一种用于预测逆变器的故障状态的设备及方法，其可以基于从逆变器输出的输出信号预诊断包括在逆变器中的开关元件的故障状态。
背景技术
近年来，使用燃烧式发动机的车辆中，已经积极地研究并且开发了环境友好的并且考虑燃料效率的其它类型的车辆，即混合动力车辆或电动车辆。
在混合动力车辆中，现有发动机和用电能驱动的驱动马达彼此相关联，以使用两个驱动源来驱动车辆。电动车辆仅通过使用电能驱动的驱动马达被驱动。作为现实的供选择的下一代车辆，这些车辆占据突出地位，由于燃料效率的提高以及由废气引起的环境污染的降低的效果，这些车辆已经成为全世界关注的焦点。
车辆包括用于控制驱动马达的逆变器。
逆变器通过使用开关元件切换DC电源并且将DC电源转换并且输出为AC电源。逆变器控制开关元件的切换时间以控制驱动马达。
用于逆变器的开关元件采用晶体管、金属氧化物硅场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)等。然而，晶体管具有电路配置复杂并且操作速度低而非低价的缺点，并且MOSFET具有在高电压中效率降低而非高操作速度的缺点。因此，由于IGBT具有晶体管和MOSFET的优点，因此IGBT近来已经大量地被使用。
在相关技术中，由于不能预诊断开关元件的劣化状态而在故障发生后可以感测劣化状态，因此出现了在最坏情况下不能驱动车辆的问题。
本部分的公开是为了提供本发明的背景技术。申请人注意到，本部分可能包含本申请之前可获得的信息。然而，通过提供本部分，申请人不承认包含在本部分中的任何信息构成现有技术。
发明内容
本发明的一方面提供一种用于向混合动力车辆或电动车辆的驾驶员提供关于逆变器中绝缘栅双极晶体管(IGBT)的潜在劣化的警报的系统和方法，该逆变器用于向车辆的车轮驱动马达提供电力。安装在车辆中的计算机化控制器在车辆行驶时获取并监测IGBT的电压或电流中的至少一个。在实施例中，控制器同时监测IGBT的栅极和发射极之间的电压(VGE)、IGBT的集电极和发射极之间的电压(VCE)以及IGBT的集电极处的电流。
在实施例中，使用监测的电压和电流，控制器计算使集电极电流大于预定电流的栅极-发射极电压的最小值(图2中VGE(th)以导通IGBT)。在实施例中，用于确定VGE(th)的预定电流是表示IGBT的“导通状态”的最小电流。在实施例中，使用IGBT的监测的电压和电流，控制器确定IGBT的第一响应时间(图3中ton(square))，其表示从栅极-发射极电压(VGE)的阶跃函数的输入直到IGBT的随后导通的时间。在实施例中，使用IGBT的监测的电压和电流，控制器确定IGBT的第二响应时间(图4中ton(ramp))，其表示从栅极-发射极电压(VGE)的斜坡函数的输入直到IGBT的随后导通的时间。在实施例中，当车辆运行时，控制器重复地或周期地更新第一响应时间、第二响应时间以及最小栅极-发射极电压VGE(th)。
在实施例中，使用来自计算的最小栅极-发射极电压(VGE(th))、第一响应时间和第二响应时间中的至少一个，控制器确定是否已经满足来自劣化诊断标准的预定设置中的至少一个。当已经满足至少一个劣化诊断标准时，控制器将事件存储在与控制器连接的存储器中并且向驾驶员生成相应的警报。
在实施例中，当第一响应时间ton(square)大于第一预定参考并且第二响应时间ton(ramp)小于第二预定参考时，控制器使车辆的显示器或扬声器(警报单元120)提供第一级警报(视觉或声音警报)。随后，当第二导通时间ton(ramp)变得大于第二预定参考值时并且当阈值电压VGE(th)大于第三预定参考时，控制器使显示器或扬声器提供比第一级警报更重要的第二级警报。随后，当阈值电压VGE(th)变得小于第三预定参考时，控制器引起比第二级警报更重要的第三级警报。
本发明的实施例提供一种用于预测逆变器的故障状态的设备，其包括：开关元件，其设置在逆变器中；以及控制器，其基于从逆变器输出的输出信号提取故障征兆因子并且基于故障征兆因子预测开关元件的故障。
控制器可以包括：收集单元，其收集输出至逆变器的输出信号；提取单元，其从输出信号中提取包括阈值电压、第一导通时间和第二导通时间中的至少一个的故障征兆因子；以及故障诊断单元，其基于故障征兆因子预测开关元件的故障。
阈值电压可以是导通开关元件所需的开关元件的栅极和发射极之间的电压。
第一导通时间可以是当具有方波波形的信号输入开关元件的栅极中时将开关元件导通所需的时间。
第二导通时间可以是当具有三角波形的信号输入开关元件的栅极中时将开关元件导通所需的时间。
故障诊断单元可以确定第一导通时间是否等于或大于第一参考值，当第一导通时间等于或大于第一参考值时确定第二导通时间是否等于或大于第二参考值，并且当第二导通时间小于第二参考值时将开关元件的状态诊断为第一劣化状态。
故障诊断单元可以当第二导通时间等于或大于第二参考值时确定阈值电压是否等于或小于第三参考值，并且当阈值电压大于第三参考值时将开关元件的状态诊断为第二劣化状态。
当阈值电压等于或小于第三参考值时，故障诊断单元可以将开关元件的状态诊断为第三劣化状态。
当输出信号的输出电流等于或大于参考电流时，控制器可以确定开关元件处于故障状态。
开关元件可以是绝缘栅双极晶体管(IGBT)。
控制器可以控制警报单元以输出结果信息以预测开关元件的故障。
本发明的另一实施例提供一种用于预测逆变器的故障状态的方法，其包括：收集从设置在逆变器中的IGBT输出的输出信号；从输出信号中提取包括阈值电压、第一导通时间和第二导通时间中的至少一个的故障征兆因子；并且基于故障征兆因子预测IGBT的故障。
阈值电压可以是导通IGBT所需的IGBT的栅极和发射极之间的电压。
第一导通时间可以是当具有方波波形的信号输入IGBT的栅极中时导通IGBT的时间，并且第二导通时间可以是当具有三角波形的信号输入IGBT的栅极中时导通IGBT的时间。
基于故障征兆因子的IGBT的故障的预测可以包括：确定第一导通时间是否等于或大于第一参考值；当第一导通时间等于或大于第一参考值时确定第二导通时间是否等于或大于第二参考值；并且当第二导通时间小于第二参考值时将IGBT的状态诊断为第一劣化状态。
基于故障征兆因子的IGBT的故障的预测可以进一步包括：当第二导通时间等于或大于第二参考值时确定阈值电压是否等于或小于第三参考值；并且当阈值电压大于第三参考值时将IGBT的状态诊断为第二劣化状态。
基于故障征兆因子的IGBT的故障的预测可以进一步包括：当阈值电压等于或小于第三参考值时将IGBT的状态诊断为第三劣化状态。
基于故障征兆因子的IGBT的故障的预测可以包括：当故障征兆因子的输出电流等于或大于参考电流时确定IGBT处于故障状态。
方法可以进一步包括输出结果信息以预测IGBT的故障。
根据本发明的实施例，由于开关元件的劣化状态可以被预诊断，所以开关元件的耐久性可以被提高。
进一步地，由于包括在逆变器中的开关元件的故障状态可以基于从逆变器输出的输出信号被预诊断，因此可以提高在驱动驱动马达时的稳定性和生产线的可靠性。
此外，可以通过本发明的实施例获取或预测的效果在本发明的实施例的详细描述中被直接地或隐含地公开。换言之，根据本发明的实施例预测的各种效果将在下文描述的详细描述中公开。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施例的用于预测逆变器的故障状态的设备的简图。
图2是用于描述根据本发明的实施例的阈值电压的图。
图3是用于描述根据本发明的实施例的第一导通时间的图。
图4是用于描述根据本发明的实施例的第二导通时间的图。
图5是示出根据本发明的实施例的用于预测逆变器的故障状态的方法的流程图。
<符号说明>
10：用于预测逆变器的故障状态的设备
50：逆变器
55：IGBT
60：栅极控制单元
100：控制器
113：收集单元
115：提取单元
117：故障诊断单元
120：警报单元
具体实施方式
在下文中，将参照附图和说明书详细描述根据本发明的实施例的用于预测逆变器的故障状态的设备及方法的实施例。然而，下文将描述的附图和以下详细的描述涉及本发明的实施例。因此，本发明不应仅限于下文给出的附图和描述。
进一步地，在下文中，在描述本发明中，如果确定相关的已知功能或结构的详细描述会不必要地模糊本发明，则其将被省略。此外，作为考虑在本发明中的功能而特别定义的术语的术语可以根据使用者或操作者的意图或通常习惯而变化。因此，术语需要基于贯穿本发明的内容来定义。
进一步地，在下文给出的实施例中，为了有效地描述本发明的核心技术特征，术语将被适当地修改、结合或分离，以便被本领域技术人员明白地理解，但本发明不受其特别限制。
在下文中，将参照附图详细描述本发明的实施例。
图1是示出根据本发明的实施例的用于预测逆变器的故障状态的设备的简图，图2是用于描述根据本发明的实施例的阈值电压的图，图3是用于描述根据本发明的实施例的第一导通时间的图，并且图4是用于描述根据本发明的实施例的第二导通时间的图。
参照图1，用于预测逆变器的故障状态的设备10包括逆变器50、栅极控制单元60、控制器100以及警报单元120。
逆变器切换开关元件并且将DC电源转换并且输出为AC电源。在下文中，开关元件将被描述为称作绝缘栅双极晶体管(IGBT)55。
逆变器50包括输入单元53、开关元件以及输出单元57。
输入单元53接收DC电源并且将DC电源输出至IGBT 55。
IGBT 55通过输入单元53接收DC电源。IGBT 55根据栅极控制单元60的控制被切换。
输出单元57输出通过将DC电源转换为AC而获得的输出信号。
控制器100基于从逆变器50输出的输出信号提取故障征兆因子并且基于故障征兆因子预测IGBT 55的故障。为此，控制器100包括收集单元113、提取单元115以及故障诊断单元117。
收集单元113收集从逆变器50输出的输出信号。换言之，收集单元113可以收集通过逆变器50的输出单元57输出的输出信号。
提取单元115提取输出信号的故障征兆因子。
这里，故障征兆因子可以表示预测IGBT 55的故障所需的因子。故障征兆因子包括阈值电压VGE(th)、第一导通时间ton(square)和第二导通时间ton(ramp)中的至少一个。
阈值电压VGE(th)是导通IGBT 55所需的IGBT 55的栅极和发射极之间的电压。
例如，如图2中所示，阈值电压VGE(th)可以是在当集电极电流IC(th)开始流动时的时刻tth栅极和发射极之间的电压。这里，集电极电流IC(th)可以表示当导通IGBT 55时流动的最小电流。通常，将具有特定值的电流在IGBT 55的集电极上流动的情况定义为IGBT 55的导通状态并且该定义被称为恒定电流方法。
第一导通时间ton(square)是当具有方波波形的信号输入IGBT 55的栅极中时用于导通IGBT 55的时间。
例如，如图3中所示，第一导通时间ton(square)可以表示当具有方波波形的信号输入IGBT 55的栅极中时，当集电极和发射极之间的电压VCE在其中IGBT 55从断开状态转变至导通状态的区间中从第一设定值(IGBT 55的断开状态下的电压VCE(off)的90％)改变至第二设定值(电压VCE(off)的10％)时所需的时间。换言之，如图3中所示，第一导通时间ton(square)可以基于当集电极和发射极之间的电压VCE变为第一设定值时的时刻t90和当集电极和发射极之间的电压VCE变为第二设定值时的时刻t10来计算。
第二导通时间ton(ramp)是当具有三角波形的信号输入IGBT 55的栅极中时用于导通IGBT 55的时间。
例如，如图4中所示，第二导通时间ton(ramp)可以表示当具有三角波形的信号输入IGBT 55的栅极中时，当集电极和发射极之间的电压VCE在其中IGBT 55从断开状态转变至导通状态的区间中从第一设定值改变至第二设定值时所需的时间。换言之，如图4中所示，第二导通时间ton(ramp)可以基于当集电极和发射极之间的电压VCE变为第一设定值时的时刻t90和当集电极和发射极之间的电压VCE变为第二设定值时的时刻t10来计算。
同时，在图3和图4中，作为示例，描述了第一设定值为电压VCE(off)的90％并且第二设定值为电压VCE(off)的10％，但本发明不限于此。
故障诊断单元117基于故障征兆因子预测IGBT 55的故障。换言之，故障诊断单元117可以通过比较故障征兆因子与预定参考值来诊断IGBT 55的状态。
具体地，当故障征兆因子的第一导通时间ton(square)等于或大于第一参考值并且第二导通时间ton(ramp)小于第二参考值时，故障诊断单元117将IGBT 55的状态诊断为第一劣化状态。
当第二导通时间ton(ramp)等于或大于第二参考值并且阈值电压VCE(th)大于第三参考值时，故障诊断单元117将IGBT 55的状态诊断为第二劣化状态。
当阈值电压VCE(th)等于或小于第三参考值时，故障诊断单元117将IGBT 55的状态诊断为第三劣化状态。
这里，第一参考值至第三参考值可以是用于预测IGBT 55的故障的预定值。第一劣化状态可以是IGBT 55开始劣化的状态，第二劣化状态可以是IGBT 55继续劣化的状态，并且第三劣化状态可以是IGBT 55的劣化完成并且需要更换IGBT 55的状态。
为了该目的，控制器100可以由通过设定程序操作的一个或多个处理器来实现，并且该设定程序可以包括用于执行包括在下文将描述的根据本发明的实施例的用于预测逆变器的故障状态的方法中的每个步骤的一系列命令。将参照下文给出的图5更详细地描述用于预测逆变器50的故障状态的方法。
警报单元120输出由故障诊断单元117预测的结果信息。换言之，警报单元120可以根据故障诊断单元117的控制显示结果信息或通过语音输出结果信息。为此，警报单元120可以包括显示装置和扬声器中的至少一个。当显示装置可以显示结果信息时，显示装置的类型是不相关的。例如，显示装置可以是导航装置、组合仪表(cluster)、音频视频导航(AVN)等。组合仪表安装在仪表板中，该仪表板在驾驶员驾驶车辆时向驾驶员通知有关车辆的信息，其包括车辆速度、发动机RPM、冷却水等。
在下文中，将参照图5描述根据本发明的实施例的用于预测逆变器50的故障状态的方法。
图5是示出根据本发明的实施例的用于预测逆变器的故障状态的方法的流程图。如上所述，根据参照图1描述的本发明的实施例，控制器100的组件可以被集成或细分。因此，显而易见的是，执行上述功能的组件可以成为根据本发明的实施例的控制器100的组件，而不论对应的名称。因此，在下文中，根据本发明的实施例的用于预测逆变器的故障状态的方法将通过以下被描述：使用控制器100作为在描述根据本发明的实施例的用于预测逆变器的故障状态的方法中的每一步的主要手段(main agent)。
参照图5，控制器100收集从逆变器50的IGBT 55输出的输出信号(S510)。
控制器100从输出信号提取故障征兆因子(S515)。换言之，控制器100提取包括阈值电压VGE(th)、第一导通时间ton(square)以及第二导通时间ton(ramp)的故障征兆因子。
控制器100基于输出信号确定过电流是否在IGBT 55上流动(S520)。换言之，控制器100确定输出信号的输出电流是否等于或大于参考电流。在这种情况下，参考电流是预定值，作为为确定过电流是否在IGBT 55上流动的参考的值。
当输出电流等于或大于参考电流时，控制器100确定IGBT 55处于故障状态(S525)。
当输出电流小于参考电流时，控制器100确定第一导通时间ton(square)是否等于或大于第一参考值(S530)。
当步骤S530中第一导通时间ton(square)小于第一参考值时，控制器100回到步骤S510以收集从逆变器50输出的输出信号。
当步骤S530中第一导通时间ton(square)等于或大于第一参考值时，控制器100确定第二导通时间ton(ramp)是否等于或大于第二参考值(S535)。
当步骤S535中第二导通时间ton(ramp)小于第二参考值时，控制器100将IGBT 55的状态诊断为第一劣化状态(S540)。这里，第一劣化状态可以是IGBT 55开始劣化的状态。
当步骤S535中第二导通时间ton(ramp)等于或大于第二参考值时，控制器100确定阈值电压VGE(th)等于或小于第三参考值(S545)。
当步骤S545中阈值电压VGE(th)大于第三参考值时，控制器100将IGBT 55的状态诊断为第二劣化状态(S550)。在这种情况下，第二劣化状态可以是IGBT 55继续劣化的状态。
当步骤S545中阈值电压VGE(th)等于或小于第三参考值时，控制器100将IGBT 55的状态诊断为第三劣化状态(S555)。这里，第三劣化状态可以是IGBT 55开始劣化并且因此需要更换IGBT 55的状态。
控制器100控制警报单元120以输出IGBT 55的结果信息(S560)。换言之，警报单元120可以根据控制单元的控制输出步骤S540中诊断的第一劣化状态并且输出步骤S550中诊断的第二劣化状态。进一步地，警报单元120可以根据控制单元的控制输出步骤S555中诊断的第三劣化状态。此外，警报单元120可以在输出第三劣化状态的同时输出指示更换IGBT55的消息的事件。
尽管本发明已经结合目前认为是其实施例的示例被描述，但是将理解，本发明不限于公开的实施例，而是相反地，旨在覆盖各种变型和等同方案。

Claims (19)

1.一种用于预测逆变器的故障状态的设备，所述设备包括：
逆变器，其将DC电源转换为AC电源；
开关元件，其设置在所述逆变器中；以及
控制器，其基于从所述逆变器输出的输出信号提取故障征兆因子并且基于所述故障征兆因子预测所述开关元件的故障。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器包括，
收集单元，其收集输出到所述逆变器的所述输出信号，
提取单元，其从所述输出信号提取包括阈值电压、第一导通时间以及第二导通时间中的至少一个的所述故障征兆因子，以及
故障诊断单元，其基于所述故障征兆因子预测所述开关元件的故障。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述阈值电压是导通所述开关元件所需的所述开关元件的栅极和发射极之间的电压。
4.根据权利要求2所述的设备，其中所述第一导通时间是当具有方波波形的信号输入所述开关元件的栅极中时将所述开关元件导通所需的时间。
5.根据权利要求2所述的设备，其中所述第二导通时间是当具有三角波形的信号输入所述开关元件的栅极中时将所述开关元件导通所需的时间。
6.根据权利要求2所述的设备，其中所述故障诊断单元确定所述第一导通时间是否等于或大于第一参考值，当所述第一导通时间等于或大于所述第一参考值时确定所述第二导通时间是否等于或大于第二参考值，并且当所述第二导通时间小于所述第二参考值时将所述开关元件的状态诊断为第一劣化状态。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述故障诊断单元当所述第二导通时间等于或大于所述第二参考值时确定所述阈值电压是否等于或小于第三参考值，并且当所述阈值电压大于第三参考值时将所述开关元件的状态诊断为第二劣化状态。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，当所述阈值电压等于或小于所述第三参考值时，所述故障诊断单元将所述开关元件的状态诊断为第三劣化状态。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，当所述输出信号的输出电流等于或大于参考电流时，所述控制器确定所述开关元件处于故障状态。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述开关元件为绝缘栅双极晶体管，即IGBT。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器控制警报单元以输出结果信息以预测所述开关元件的故障。
12.一种用于预测逆变器的故障状态的方法，所述方法包括：
收集从设置在所述逆变器中的绝缘栅双极晶体管即IGBT输出的输出信号；
从所述输出信号中提取包括阈值电压、第一导通时间以及第二导通时间中的至少一个的故障征兆因子；并且
基于所述故障征兆因子预测所述IGBT的故障。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述阈值电压是导通所述IGBT所需的所述IGBT的栅极和发射极之间的电压。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一导通时间是当具有方波波形的信号输入所述IGBT的栅极中时导通所述IGBT的时间，并且所述第二导通时间是当具有三角波形的信号输入所述IGBT的栅极中时导通所述IGBT的时间。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，基于所述故障征兆因子的所述IGBT的故障的所述预测包括，
确定所述第一导通时间是否等于或大于第一参考值，
当所述第一导通时间等于或大于所述第一参考值时确定所述第二导通时间是否等于或大于第二参考值；并且
当所述第二导通时间小于所述第二参考值时将所述IGBT的状态诊断为第一劣化状态。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，基于所述故障征兆因子的所述IGBT的故障的所述预测进一步包括，
当所述第二导通时间等于或大于所述第二参考值时确定所述阈值电压是否等于或小于第三参考值，并且
当所述阈值电压大于所述第三参考值时将所述IGBT的状态诊断为第二劣化状态。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，基于所述故障征兆因子的所述IGBT的故障的所述预测进一步包括，
当所述阈值电压等于或小于所述第三参考值时将所述IGBT的状态诊断为第三劣化状态。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，基于所述故障征兆因子的所述IGBT的故障的所述预测包括，
当所述故障征兆因子的输出电流等于或大于参考电流时确定所述IGBT处于故障状态。
19.根据权利要求12所述的方法，其进一步包括输出结果信息以预测所述IGBT的故障。
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