CN108549001B - 一种电力电子模块劳损状态的检测系统及方法 - Google Patents

一种电力电子模块劳损状态的检测系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电力电子模块劳损状态的检测系统及方法，该系统包括：电力电子模块壳温参数检测传感单元，用于提供电力电子模块外壳底板正下方实时温度信息；温度信息处理分析单元，用于生成电力电子模块壳温随时间变化的曲线，并提取壳温变化曲线在固定时间间隔内的变化速率、时间常数和温度变化幅值等关键参数。本发明在电力电子模块壳温或内部芯片结温未发生明显过温故障时即可对其内部疲劳、损伤机理做出诊断，便于对面临失效风险的电力电子模块进行后续保护。

Description

一种电力电子模块劳损状态的检测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种检测系统及方法，特别是涉及一种电力电子模块劳损状态的检测系统及方法。
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模块的结温提取，学者和工程师提出多种利用等效热网络模型、热敏电参数或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。然而，结温提取技术只能预警芯片瞬态过热失效，却无法探查结温仍处在允许运行范围内的模块是否发生老化或即将面临失效，更无法对已经处于老化状态的模块进行保护。让发生老化或面临较大失效风险的电力电子模块继续承受与正常模块无异的工作电流和电压，势必将加速其失效进程，进而威胁到整体变换器系统的正常工作和运行。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种电力电子模块劳损状态的检测系统及方法，其在电力电子模块壳温或内部芯片结温未发生明显过温故障时即可对其内部疲劳、损伤机理做出诊断，便于对面临失效风险的电力电子模块进行后续保护。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种电力电子模块劳损状态的检测系统，其包括：
电力电子模块壳温参数检测传感单元，用于提供电力电子模块外壳底板正下方实时温度信息；
温度信息处理分析单元，用于生成电力电子模块壳温随时间变化的曲线，并提取壳温变化曲线在固定时间间隔内的变化速率、时间常数和温度变化幅值的关键参数；
模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元，用于存储电力电子模块在多种异常情况下的壳温参数变化规律；
模块劳损程度预测单元，用于将温度信息处理分析单元提取所得电力电子模块壳温参数信息和模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元中存储数据进行对照，判断模块劳损状态；
模块劳损显示与报警单元，用于对电力电子模块状态的判断结果做出显示和故障报警；
所述电力电子模块壳温参数检测传感单元将电信号输出到温度信息处理分析单元，所述温度信息处理分析单元和模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元分别连接模块劳损程度预测单元，所述模块劳损程度预测单元对此两个单元的数据进行对照后，将结果传输至模块劳损显示与报警单元。
优选地，所述电力电子模块壳温参数检测传感单元，包括依次连接的温度传感器及调理电路；温度传感器放置在待测电力电子模块底板正下方，采集运行时模块壳温实时数据，经调理电路调理为具有实际意义、能被处理的电信号输出。
优选地，所述温度信息处理分析单元，包括依次连接的数据采集单元，模/数转换单元，数据处理单元及通信接口单元；数据处理单元负责生成模块壳温随时间变化的曲线，提取壳温曲线的时间常数、固定时间间隔内壳温曲线变化速率及一次温度波动过程中温度变化幅值信息。
优选地，所述模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元，包括依次连接的数据存储单元及通信接口单元；数据存储单元中存有电力电子模块在对应多种典型情况编号下的多组壳温曲线时间常数、壳温变化速率及对应工况下固定时间间隔内温度波动的初始值和稳态值等涵盖模块温度变化特征信息的数据表格。
优选地，所述模块劳损程度预测单元包括依次连接的通信接口单元，数据处理单元及数据发送单元；根据温度信息处理分析单元提取所得壳温曲线的时间常数、固定时间间隔内壳温曲线变化速率及一次温度波动过程中温度变化幅值信息，对照所述数据存储单元查表获得模块运行情况对应编号，送入数据发送单元对用户进行模块运行状态的显示与警报。
优选地，所述模块劳损显示与报警单元，包括数据采集单元、数据存储单元、数据处理单元、显示单元、报警单元及指令发送单元，所述数据采集单元、数据存储单元、显示单元、报警单元及指令发送单元分别与数据处理单元连接；数据存储单元存储不同模块运行情况编号下的后续优化运行指令编号；数据采集单元将模块劳损程度预测单元给出模块运行状态编号发送到数据处理单元，数据处理单元指导显示单元和报警单元输出，并对照所述数据存储单元查表获取指导后续优化运行的指令编号送到指令发送单元；显示单元根据数据处理单元指令输出模块当前运行状态信息；报警单元根据数据处理单元指令在模块发生严重劳损的情况下报警提醒。
一种电力电子模块劳损状态的检测方法，包括以下步骤：
步骤一，所述电力电子模块壳温参数检测传感单元实时采集、传送模块底板正下方壳温数据，送入温度信息处理分析单元；
步骤二，所述温度信息处理分析单元根据采集得到数据，生成模块壳温随时间变化的曲线，计算壳温曲线在固定时间间隔内的变化率，判断一次温度波动过程中壳温的变化幅值，并据此提取壳温曲线的时间常数，将处理结果送入模块劳损程度预测单元；
步骤三，所述模块劳损程度预测单元中数据处理单元根据计算得到的模块壳温时间常数、变化速率和变化幅值，对照模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元中数据存储单元查表，得到模块运行状态编号送入模块劳损显示与报警单元；
步骤四，所述模块劳损显示与报警单元根据所获模块运行状态编号，在显示单元上输出模块对应运行状态，必要时令报警单元鸣叫以提醒用户模块发生严重劳损；
步骤五，所述模块劳损显示与报警单元根据所获模块运行状态编号，对照数据存储单元查表，获取指导模块后续优化运行的指令送到指令发送单元输出；
步骤六，重复执行步骤一至步骤五，循环监测电力电子模块壳温参数并判断其劳损情况。
与现有技术相比，本发明的积极进步效果在于：
本发明中的检测装置通过采集电力电子模块外壳表面温度随时间变化的曲线，并提取壳温曲线时间常数、固定时间间隔内壳温变化速率和变化幅值，能够甄别工作温度仍然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传热界面材料由于热应力发生老化和疲劳劳损时，电力电子模块在特定热激励作用下的响应时间将延长；当模块内部导电介质发生老化劳损时，作为热网络输入源的模块损耗功率改变，从而导致模块温度波动过程中温度变化幅值发生变化；对电力电子模块的劳损诊断能够指导其后续合理运行措施，便于延长面临劳损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为本发明电力电子模块劳损状态的检测系统的结构示意图；
图2为电力电子模块壳温参数检测传感单元示意图；
图3为温度信息处理分析单元示意图；
图4为模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元示意图；
图5为模块劳损程度预测单元示意图；
图6为模块劳损显示与报警单元示意图；
图7为模块典型内部结构示意图；
图8为模块等效RC热网络（Cauer型）示意图；
图9为模块等效RC热网络（Foster型）示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明一种电力电子模块劳损状态的检测系统，包括：
电力电子模块壳温参数检测传感单元1，用于提供电力电子模块外壳底板正下方实时温度信息；
温度信息处理分析单元2，用于生成电力电子模块壳温随时间变化的曲线，并提取壳温变化曲线在固定时间间隔内的变化速率、时间常数和温度变化幅值等关键参数；
模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元3，用于存储电力电子模块在多种异常情况下的壳温参数变化规律；
模块劳损程度预测单元4，用于将温度信息处理分析单元2提取所得电力电子模块壳温参数信息和模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元3中存储数据进行对照，判断模块劳损状态；
模块劳损显示与报警单元5，用于对电力电子模块状态的判断结果做出显示和故障报警；
所述电力电子模块壳温参数检测传感单元1将电信号输出到温度信息处理分析单元2，所述温度信息处理分析单元2和模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元3分别连接模块劳损程度预测单元4，所述模块劳损程度预测单元4对此两个单元的数据进行对照后，将结果传输至模块劳损显示与报警单元5。
如图2所示，所述电力电子模块壳温参数检测传感单元1包括依次连接的温度传感器1-1及调理电路1-2；温度传感器1-1放置在待测电力电子模块底板正下方，采集运行时模块壳温实时数据，经调理电路1-2调理为具有实际意义、可被处理的电信号输出。
如图3所示，所述温度信息处理分析单元2包括依次连接的数据采集单元2-1，模/数转换单元2-2，数据处理单元2-3及通信接口单元2-4；数据处理单元2-3负责生成模块壳温随时间变化的曲线，提取壳温曲线的时间常数、固定时间间隔内壳温曲线变化速率及一次温度波动过程中温度变化幅值信息。
如图4所示，所述模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元3包括依次连接的数据存储单元3-1及通信接口单元3-2；数据存储单元3-1中存有电力电子模块在对应多种典型情况（如正常运行，导电焊层疲劳、劳损运行，或芯片引线故障运行等）编号下的多组壳温曲线时间常数、壳温变化速率及对应工况下固定时间间隔内温度波动的初始值和稳态值等涵盖模块温度变化特征信息的数据表格。
如图5所示，所述模块劳损程度预测单元4包括依次连接的通信接口单元4-1、数据处理单元4-2及数据发送单元4-3，根据温度信息处理分析单元2提取所得壳温曲线的时间常数、固定时间间隔内壳温曲线变化速率及一次温度波动过程中温度变化幅值信息，对照所述数据存储单元3-1查表获得模块运行情况对应编号，送入数据发送单元4-3对用户进行模块运行状态的显示与警报。
如图6所示，所述模块劳损显示与报警单元5包括数据采集单元5-1、数据存储单元5-2、数据处理单元5-3、显示单元5-4、报警单元5-5及指令发送单元5-6；所述数据采集单元5-1、数据存储单元5-2、显示单元5-4、报警单元5-5及指令发送单元5-6分别与数据处理单元5-3连接；数据存储单元5-2存储不同模块运行情况编号下的后续优化运行指令编号；数据采集单元5-1将模块劳损程度预测单元4给出模块运行状态编号发送到数据处理单元5-3，数据处理单元5-3指导显示单元5-4和报警单元5-5输出，并对照所述数据存储单元5-2查表获取指导后续优化运行的指令编号送到指令发送单元5-6；显示单元5-4根据数据处理单元5-3指令输出模块当前运行状态信息；报警单元5-5根据数据处理单元5-3指令在模块发生严重劳损的情况下报警提醒。
本发明一种电力电子模块劳损状态的检测方法包括以下步骤：
步骤一，所述电力电子模块壳温参数检测传感单元1实时采集、传送模块底板正下方壳温数据，送入温度信息处理分析单元2；
步骤二，所述温度信息处理分析单元2根据采集得到数据，生成模块壳温随时间变化的曲线，计算壳温曲线在固定时间间隔内（根据工作场合和期望精度自行设置）的变化率，判断一次温度波动过程中壳温的变化幅值，并据此提取壳温曲线的时间常数，将处理结果送入模块劳损程度预测单元4；
步骤三，所述模块劳损程度预测单元4中数据处理单元4-2根据计算得到的模块壳温时间常数、变化速率和变化幅值，对照模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元3中数据存储单元3-1查表，得到模块运行状态编号送入模块劳损显示与报警单元5；
步骤四，所述模块劳损显示与报警单元5根据所获模块运行状态编号，在显示单元5-4上输出模块对应运行状态，必要时令报警单元5-5鸣叫以提醒用户模块发生严重劳损；
步骤五，所述模块劳损显示与报警单元5根据所获模块运行状态编号，对照数据存储单元5-3查表，获取指导模块后续优化运行的指令送到指令发送单元5-6输出；
步骤六，重复执行步骤一至步骤五，循环监测电力电子模块壳温参数并判断其劳损情况。
如图7所示，是模块典型内部结构示意。如果是模块内部金属部分，如芯片、焊层、引线等发生老化、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，体现在壳温曲线中温度波动过程中从初始值到稳态值的变化幅度改变。
如果是模块内部非金属部分，如填充材料、绝缘陶瓷层等，由于老化、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电力电子模块外壳表面温度响应速度的变化，即时间常数变化。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。
如图8和图9所示，是模块Cauer热模型和Foster热模型的等效RC电路。当模块内部金属导电部分发生老化、疲劳等，模块损耗功率增大，亦即等效RC热网络中的输入源增大，最终体现为模块壳温变化幅值的改变，但壳温变化曲线的时间常数则不会发生明显变化；当模块非金属传热介质部分劳损引发内部传热性能的退化，相当于等效RC热网络中表征模块传热性能的热阻、热容参数大小发生改变，则壳温曲线在相同温度变化幅值（相同损耗功率输入）下，时间常数，即从温度变化过程的初始值上升到稳态值的63.2%或从初始值下降到其36.8%所需时间，将发生改变。
本发明针对两类不同的失效机理：其一是模块内部金属部分，包括芯片、导电焊层、引线等，因发生损伤、老化、断裂、分层、脱落等情况而导致模块部分导电性能退化或劳损，表现在模块工作时损耗功率的变化，即模块热网络输入源的改变以及温度变化幅值的变化；其二是模块内部非金属部分（包括填充材料、绝缘陶瓷层等）由于老化、疲劳、损伤等原因导致模块传热性能退化，表现在模块针对特定热激励下响应速度的变化。本发明提出通过模块外壳温度曲线的时间常数、变化率及稳态变化幅值，推断模块劳损机理的方法，即判断模块是由于导电焊层或引线老化引发的劳损还是由于非导电结构老化带来的劳损，及模块具体劳损程度。
本发明通过采集电力电子模块运行过程中的壳温数据，并根据获得运行时壳温数据生成壳温随时间变化的曲线，提取相应的温度变化时间常数、固定间隔内变化速率及温度波动过程中的温度变化幅值，用于判定电力电子模块的劳损程度。
以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电力电子模块劳损状态的检测系统，其特征在于，其包括：电力电子模块壳温参数检测传感单元，用于提供电力电子模块外壳底板正下方实时温度信息；
温度信息处理分析单元，用于生成电力电子模块壳温随时间变化的曲线，并提取壳温变化曲线在固定时间间隔内的变化速率、时间常数和温度变化幅值的关键参数，所述温度信息处理分析单元，包括依次连接的第一数据采集单元，模/数转换单元，第一数据处理单元及第一通信接口单元；第一数据处理单元负责生成模块壳温随时间变化的曲线，提取壳温曲线的时间常数、固定时间间隔内壳温曲线变化速率及一次温度波动过程中温度变化幅值信息；
模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元，用于存储电力电子模块在多种异常情况下的壳温参数变化规律，所述模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元，包括依次连接的第一数据存储单元及第二通信接口单元；第一数据存储单元中存有电力电子模块在对应多种典型情况编号下的多组壳温曲线时间常数、壳温变化速率及对应工况下固定时间间隔内温度波动的初始值和稳态值的数据表格；
模块劳损程度预测单元，用于将温度信息处理分析单元提取所得电力电子模块壳温参数信息和模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元中存储数据进行对照，判断模块劳损状态；
模块劳损显示与报警单元，用于对电力电子模块状态的判断结果做出显示和故障报警，所述模块劳损显示与报警单元，包括第二数据采集单元、第二数据存储单元、第二数据处理单元、显示单元、报警单元及指令发送单元，所述第二数据采集单元、第二数据存储单元、显示单元、报警单元及指令发送单元分别与第二数据处理单元连接；第二数据存储单元存储不同模块运行情况编号下的后续优化运行指令编号；第二数据采集单元将模块劳损程度预测单元给出模块运行状态编号发送到第二数据处理单元，第二数据处理单元指导显示单元和报警单元输出，并对照所述第二数据存储单元查表获取指导后续优化运行的指令编号送到指令发送单元；显示单元根据第二数据处理单元指令输出模块当前运行状态信息；报警单元根据第二数据处理单元指令在模块发生严重劳损的情况下报警提醒；
所述电力电子模块壳温参数检测传感单元将电信号输出到温度信息处理分析单元，所述温度信息处理分析单元和模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元分别连接模块劳损程度预测单元，所述模块劳损程度预测单元对此两个单元的数据进行对照后，将结果传输至模块劳损显示与报警单元。
2.如权利要求1所述的电力电子模块劳损状态的检测系统，其特征在于，所述电力电子模块壳温参数检测传感单元，包括依次连接的温度传感器及调理电路；温度传感器放置在待测电力电子模块底板正下方，采集运行时模块壳温实时数据，经调理电路调理为具有实际意义、能被处理的电信号输出。
3.如权利要求1所述的电力电子模块劳损状态的检测系统，其特征在于，所述模块劳损程度预测单元包括依次连接的第三通信接口单元，第三数据处理单元及数据发送单元；根据温度信息处理分析单元提取所得壳温曲线的时间常数、固定时间间隔内壳温曲线变化速率及一次温度波动过程中温度变化幅值信息，对照所述第一数据存储单元查表获得模块运行情况对应编号，送入数据发送单元对用户进行模块运行状态的显示与警报。
4.一种电力电子模块劳损状态的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，电力电子模块壳温参数检测传感单元实时采集、传送模块底板正下方壳温数据，送入温度信息处理分析单元；
步骤二，所述温度信息处理分析单元根据采集得到数据，生成模块壳温随时间变化的曲线，计算壳温曲线在固定时间间隔内的变化率，判断一次温度波动过程中壳温的变化幅值，并据此提取壳温曲线的时间常数，将处理结果送入模块劳损程度预测单元；
步骤三，所述模块劳损程度预测单元中第三数据处理单元根据计算得到的模块壳温曲线的时间常数、变化速率和变化幅值，对照模块壳温变化时间常数与温度上升率异常特征库单元中第一数据存储单元查表，得到模块运行状态编号送入模块劳损显示与报警单元；
步骤四，所述模块劳损显示与报警单元根据所获模块运行状态编号，在显示单元上输出模块对应运行状态，必要时令报警单元鸣叫以提醒用户模块发生严重劳损；
步骤五，所述模块劳损显示与报警单元根据所获模块运行状态编号，对照第二数据存储单元查表，获取指导模块后续优化运行的指令送到指令发送单元输出；
步骤六，重复执行步骤一至步骤五，循环监测电力电子模块壳温参数并判断其劳损情况。
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