CN108614167A

CN108614167A - 一种功率组件故障记录诊断系统及方法

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Publication number: CN108614167A
Application number: CN201611130144.4A
Authority: CN
Inventors: 李保国; 卢圣文; 陈燕平; 黄南; 刘敏安; 蒋云富; 彭鹏; 陈正文; 潘欢
Original assignee: Zhuzhou CRRC Times Electric Co Ltd
Current assignee: Zhuzhou CRRC Times Semiconductor Co Ltd
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2018-10-02
Anticipated expiration: 2036-12-09
Also published as: CN108614167B

Abstract

本发明公开了一种功率组件故障记录诊断系统及方法，系统包括：功率组件和控制电路。主控单元通过采样单元实时获取电压、温度和电流传感器采集的信号。控制电路包括主控单元，以及与主控单元相连的采样、接口和故障存储单元。当主控单元检测到功率组件发生故障，将故障发生前后功率模块的电压、温度和电流数据及故障状态信息、输入PWM脉冲数据保存至故障存储单元。外部的上位机通过接口单元、主控单元访问故障存储单元，读出故障发生前后的电压、温度、电流信号波形，以及故障状态信息、输入PWM脉冲数据，以分析、定位和排除功率组件故障。本发明能够解决变流器功率组件发生故障时，无法复现故障时刻的条件，并准确定位故障原因的技术问题。

Description

一种功率组件故障记录诊断系统及方法

技术领域

本发明涉及电气元件故障诊断领域，尤其是涉及一种变流器功率组件故障记录及在线诊断系统及方法。

背景技术

变流器是电源系统的电压、频率、相数和其他电量或特性发生变化的电气设备，广泛应用于电子电气系统领域。目前，变流器功率组件发生故障时，由于无法复现故障时刻的环境和条件，因而无法准确地定位故障发生的原因。在现有技术中，与本发明申请较为相近的主要有如下技术方案：

文献1为由同济大学于2013年03月26日申请，并于2013年07月31日公开，公开号为CN103226185A的中国发明专利《一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法》。该发明专利通过在线监测并分析变流器在某一个或多个工作点运行时电压或电流低次谐波长期变化的趋势，诊断变流器功率模块当前运行的健康状态、预测其剩余寿命并在故障发生前及时预警并停机。该专利通过监测变流器端部电气变量低次谐波的变化获取器件结温变化信息，通过比较变流器谐波初始特性与当前谐波特性，计算变流器当前健康状态指数并根据当前谐波变化特点判断故障类型。但是，该专利只是给出了一种功率模块通过结温变化进行故障预测，并没有给出故障时刻故障信息记录及实现的方法。由于变流器模块运行在高开关频率下，电磁环境很差，对于通过提取电流信号谐波，并按照谐波特性来判断故障，有很大的误差，不能准确锁定故障信息，并且对处理器处理能力要求非常高。

文献2为日本三菱电机株式会社于2014年02月19日申请，并于2015年11月11日公开，公开号为CN105052030A的中国发明专利申请《功率模块》。该发明申请采用温度传感器，设置于多个半导体芯片的周边；一个A/D转换器，将来自温度传感器的输出变换为数字信号；根据从A/D 转换器输出的表示温度的信号，诊断功率模块的寿命。将AD诊断的结果的信号通过端子传输到外部。该发明申请功率模块，在功率模块IGBT芯片周围放置温度传感器芯片，通过AD转换器将温度信号变换成数字信号，通过检测IGBT芯片温度，诊断功率模块的寿命。但是，该发明申请只是检测温度信号，并将温度信号实时传输出去，通过温度信号反馈检测功率模块寿命，由于检测信号单一并不能完全确定故障类型，同时不能实现故障时刻温度信号故障存储及通过在线访问。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率组件故障记录诊断系统及方法，解决当变流器功率组件发生故障时，无法复现故障时刻的条件，无法准确定位故障原因的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种功率组件故障记录诊断系统的技术实现方案，一种功率组件故障记录诊断系统，包括：功率组件，及与所述功率组件相连的控制电路；

所述功率组件包括：

功率模块；

用于采集所述功率模块电压信号的电压传感器；

用于采集所述功率模块温度信号的温度传感器；

以及采集所述功率模块电流信号的电流传感器；

所述控制电路包括主控单元，以及与所述主控单元相连的采样单元、接口单元和故障存储单元；

所述主控单元通过所述采样单元实时获取所述电压传感器、温度传感器和电流传感器采集的信号；

当所述主控单元检测到所述功率组件发生故障时，将故障发生前后设定时间内所述功率模块的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据保存至所述故障存储单元；

外部的上位机能通过所述接口单元、主控单元访问所述故障存储单元存储的数据，并读出故障发生前后的电压信号、温度信号、电流信号波形，以及故障状态信息、输入PWM脉冲数据，以分析、定位和排除所述功率组件的故障。

优选的，所述控制电路还包括与所述主控单元相连的总线接口单元、电源单元和栅极驱动器。外部的控制设备通过所述总线接口单元向所述主控单元发出功率模块控制信号。所述主控单元通过所述栅极驱动器向所述功率模块发送PWM脉冲信号，所述电源单元为所述主控单元提供电源。

优选的，所述采样单元采集所述功率模块的6路功率器件的电压、温度和电流信号，所述电压、温度和电流信号经过信号调理后进行A/D转换，所述主控单元读取A/D转换后的数据并将该数据存放至主控单元的SRAM中。

优选的，当所述功率模块发生故障时，所述主控单元将采集的所述电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据从所述SRAM通过I²C总线或SPI总线或并行总线传输至所述故障存储单元中，所述故障存储单元采用FRAM或NAND FLASH。

优选的，所述主控单元读取所述故障存储单元中包括所述功率模块的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据在内的故障数据，并通过所述接口单元向外部的上位机发送所述故障数据，所述上位机读取所述功率模块的故障数据，通过解析软件解析故障数据，还原故障发生时的波形。

优选的，所述主控单元采用FPGA芯片，所述主控单元通过RS232串行总线或CAN总线通信方式与所述上位机通信，所述上位机通过访问所述故障存储单元的不同故障存储寄存器，在线查看不同故障时刻的数据及故障波形。

本发明还另外具体提供了一种基于上述系统的功率组件故障记录诊断方法的技术实现方案，一种功率组件故障记录诊断方法，包括以下步骤：

A）电压传感器采集功率模块的电压信号，温度传感器采集所述功率模块的温度信号，电流传感器采集所述功率模块的电流信号；

B）采样单元实时获取所述电压传感器、温度传感器和电流传感器采集的信号，并将数据发送至主控单元；

C）所述主控单元读取所述采样单元发送的数据，当所述主控单元检测到所述功率组件发生故障时，将故障发生前后设定时间内所述功率模块的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据保存至故障存储单元；

D）外部的上位机通过接口单元、主控单元访问所述故障存储单元存储的数据，并读出故障发生前后的电压信号、温度信号、电流信号波形，以及故障状态信息、输入PWM脉冲数据，以分析、定位和排除所述功率组件的故障。

优选的，当所述功率模块发生故障时，所述主控单元将采集的所述电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据从所述SRAM通过I²C总线或SPI总线或并行总线传输至所述故障存储单元中。

通过实施上述本发明提供的功率组件故障记录诊断系统及方法，具有如下有益效果：

（1）本发明中的功率组件带有故障记录及诊断功能，当变流器的功率组件发生故障时，对于变流器发生在模块级的故障能够更快、更及时地解决问题，使功率组件及时投入运行，提高了故障解决的效率；

（2）本发明功率组件采用FPGA主控芯片实现功率组件级故障存储及诊断功能，通过主控芯片实时采集直流电压、温度、电流信号等模拟量信号，当故障发生时，能够保存故障前后一定时刻的故障数据，通过总线访问故障存储器，读出故障时刻模拟量信号波形，便于分析故障，更好地发现故障发生时刻的问题点，从而及时排除故障；

（3）本发明通过RS232/CAN总线可以实时在线监测包括功率组件电流、温度、直流电压、脉冲信号在内的状态信息。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的实施例。

图1是本发明功率组件故障记录诊断系统一种具体实施例的系统结构框图；

图2是本发明功率组件故障记录诊断系统一种具体实施例中采样单元的结构框图；

图3是本发明功率组件故障记录诊断系统一种具体实施例中故障数据存储的结构框图；

图4是本发明功率组件故障记录诊断系统一种具体实施例中故障数据读取的结构框图；

图中：1-功率组件，2-控制电路，11-功率模块，12-电压传感器，13-温度传感器，14-电流传感器，21-主控单元，22-采样单元，23-接口单元，24-总线接口单元，25-电源单元，26-故障存储单元，27-栅极驱动器，210-SRAM。

具体实施方式

为了引用和清楚起见，将下文中使用的技术名词、简写或缩写记载如下：

IGBT：Insulated Gate Bipolar Transistor，一种功率半导体开关器件，全称绝缘栅双极晶体管；

FPGA：Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列的简称；

A/D：Analog/Digital，模拟/数字转换的简称；

PWM：Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制的简称；

SRAM：Static Random Access Memory，静态随机存取存储器的简称；

I²C：Inter－Integrated Circuit，内部整合电路的简称，是一种通用的串行通讯总线标准；

SPI：Serial Peripheral Interface，串行外设接口的简称；

FRAM：Ferromagnetic Random Access Memory，铁电存储器的简称；

NAND FLASH：一种Flash内存；

RS232：一种通用的串行数据通信接口标准；

CAN：Controller Area Network，控制器局域网络的简称。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图4所示，给出了本发明功率组件故障记录诊断系统及方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如附图1所示，一种功率组件故障记录诊断系统的具体实施例，包括：功率组件1，及与功率组件1相连的控制电路2。

作为本发明一种典型的具体实施例，功率组件1采用三相桥式变流器结构，并包括：

功率模块11，功率模块11可采用IGBT模块；

用于采集功率模块11电压信号的电压传感器12；

用于采集功率模块11温度信号的温度传感器13；

以及采集功率模块11电流信号的电流传感器14；

以及为功率模块11提供散热的散热器（附图中未示出）；

控制电路2包括主控单元21，以及与主控单元21相连的采样单元22、接口单元23和故障存储单元26，主要用于实现信号采样调理、控制逻辑、对外接口、故障存储和总线接口等功能；其中，功率组件1的故障记录及在线诊断主要由主控单元21完成；

主控单元21通过采样单元22实时获取电压传感器12、温度传感器13和电流传感器14采集的信号；

当主控单元21检测到功率组件1发生故障时，将故障发生前后设定时间（具体设定为500ms）内功率模块11的电压、温度和电流数据，及故障状态信息(例如：过温故障、过流故障、直流过压故障)、输入PWM脉冲数据保存至故障存储单元26；

外部的上位机能通过接口单元23、主控单元21访问故障存储单元26存储的数据，并读出故障发生前后的电压信号、温度信号、电流信号波形，以及故障状态信息、输入PWM脉冲数据，以分析、定位和排除功率组件1的故障。

控制电路2还包括与主控单元21相连的总线接口单元24、电源单元25和栅极驱动器27。外部的控制设备通过总线接口单元24向主控单元21发出功率模块控制信号。主控单元21通过栅极驱动器27向功率模块11发送PWM脉冲信号，电源单元25为主控单元21提供电源。

如附图2所示，采样单元22采集功率模块11的6路功率器件的电压、温度和电流信号，电压、温度和电流信号经过信号调理后进行A/D转换，主控单元21读取A/D转换后的数据并将该数据存放至主控单元21的SRAM 210中。

如附图3所示，当功率模块11发生故障时，主控单元21将采集的所述电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据从SRAM 210通过I²C总线或SPI总线或并行总线转储至故障存储单元26中，用于本地故障数据的下载、分析和诊断。故障存储单元26采用FRAM或NAND FLASH。

如附图4所示，主控单元21读取故障存储单元26中包括功率模块11的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据在内的故障数据，并通过接口单元23向外部的上位机发送故障数据，上位机读取功率模块11的故障数据，通过解析软件解析故障数据，还原故障发生时的波形。

作为本发明一种典型的具体实施例，主控单元21采用FPGA芯片，用于实现直流电压、温度、电流信号模拟量数据采集、脉冲信号分配、数据通信和故障存储单元FLASH读写等功能。其中，故障数据也可以通过网络进行备份，通过RS232/CAN接口可以下载功率组件1的故障数据。主控单元21通过RS232串行总线或CAN总线通信方式可以与上位机通信，上位机通过访问故障存储单元26的不同故障存储寄存器，可以在线查看不同故障时刻的数据及故障波形。

实施例1描述的功率组件故障记录诊断系统能够对包括功率器件（IGBT）过温信号、过流、直流过压信号等功率组件1的相关数字信号（即故障状态信息）进行实时采样记录，对功率组件1的相关模拟信号进行实时采样记录，包括直流电压、电流、温度等信号，并通过总线实时在线检测功率组件1的运行状态数据。

实施例1描述的功率组件故障记录诊断系统能够实现变流器功率组件级故障记录及诊断，即在发生故障时，能够保存功率组件1在故障时刻的前后500ms输出电流、直流电压、温度、输入PWM脉冲数据和故障状态信息，这就为分析功率组件1在故障时刻的故障发生原因提供了便利，能够实现故障信息的准确定位，确定故障发生的部位、种类，帮助工作人员快速及时排除故障，有效保障功率组件1的运行安全，从而实现变流器的及时投运。实施例1采用FPGA芯片作为主控单元21，主控单元21完成模拟量数据和实时状态信息实时采集，及发生故障时模拟量数据和状态信息转存到故障存储单元26，接口单元23用于提供外部上位机与主控单元21的连接接口。外部的上位机通过接口单元23采用标准协议读取主控单元21从故障存储单元26中获取的实时状态信息，通过串行总线实时观测功率组件1的状态信息。

实施例2

一种基于实施例所述系统的功率组件故障记录诊断方法的具体实施例，包括以下步骤：

A）电压传感器12采集功率模块11的电压信号，温度传感器13采集功率模块11的温度信号，电流传感器14采集功率模块11的电流信号；

B）采样单元22实时获取电压传感器12、温度传感器13和电流传感器14采集的信号，并将数据发送至主控单元21；

C）主控单元21读取采样单元22发送的数据，当主控单元21检测到功率组件1发生故障时，将故障发生前后设定时间内功率模块11的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据保存至故障存储单元26；

D）外部的上位机通过接口单元23、主控单元21访问故障存储单元26存储的数据，并读出故障发生前后的电压信号、温度信号、电流信号波形，以及故障状态信息、输入PWM脉冲数据，以分析、定位和排除功率组件1的故障。

采样单元22采集功率模块11的6路功率器件的电压、温度和电流信号，电压、温度和电流信号经过信号调理后进行A/D转换，主控单元21读取A/D转换后的数据并将该数据存放至主控单元21的SRAM 210中。

当功率模块11发生故障时，主控单元21将采集的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据从SRAM 210通过I²C总线或SPI总线或并行总线传输至故障存储单元26中。

主控单元21读取故障存储单元26中包括功率模块11的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据在内的故障数据，并通过接口单元23向外部的上位机发送故障数据，上位机读取功率模块11的故障数据，通过解析软件解析故障数据，还原故障发生时的波形。

实施例2描述的功率组件故障记录诊断方法实现了功率组件级故障存储及在线诊断，检测功率组件1的模拟量信号直流电压信号、温度信号、电流信号和数字量信号。当功率组件1发生故障时，保存故障时刻前后500ms电压信号、电流信号、温度信号，以及数字量信号的实时数据，实现了故障时刻的故障数据存储，同时通过总线（RS232或CAN等）可以实时查看电压、温度、电流信号，并可以访问故障存储器，在线查看故障时刻波形，实现在线诊断故障类型。

通过实施本发明具体实施例描述的功率组件故障记录诊断系统及方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

（1）本发明具体实施例描述的功率组件故障记录诊断系统及方法带有功率组件故障记录及诊断功能，当变流器的功率组件发生故障时，对于变流器发生在模块级的故障能够更快、更及时地解决问题，使功率组件及时投入运行，提高了故障解决的效率；

（2）本发明具体实施例描述的功率组件故障记录诊断系统及方法采用FPGA主控芯片实现功率组件级故障存储及诊断功能，通过主控芯片实时采集直流电压、温度、电流信号等模拟量信号，当故障发生时，能够保存故障前后一定时刻的故障数据，通过总线访问故障存储器，读出故障时刻模拟量信号波形，便于分析故障，更好地发现故障发生时刻的问题点，从而及时排除故障；

（3）本发明具体实施例描述的功率组件故障记录诊断系统及方法通过RS232/CAN总线可以实时在线监测包括功率组件电流、温度、直流电压、脉冲信号在内的状态信息。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims

1.一种功率组件故障记录诊断系统，其特征在于，包括：功率组件（1），及与所述功率组件（1）相连的控制电路（2）；

所述功率组件（1）包括：

功率模块（11）；

用于采集所述功率模块（11）电压信号的电压传感器（12）；

用于采集所述功率模块（11）温度信号的温度传感器（13）；

以及采集所述功率模块（11）电流信号的电流传感器（14）；

所述控制电路（2）包括主控单元（21），以及与所述主控单元（21）相连的采样单元（22）、接口单元（23）和故障存储单元（26）；

所述主控单元（21）通过所述采样单元（22）实时获取所述电压传感器（12）、温度传感器（13）和电流传感器（14）采集的信号；

当所述主控单元（21）检测到所述功率组件（1）发生故障时，将故障发生前后设定时间内所述功率模块（11）的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据保存至所述故障存储单元（26）；

外部的上位机能通过所述接口单元（23）、主控单元（21）访问所述故障存储单元（26）存储的数据，并读出故障发生前后的电压信号、温度信号、电流信号波形，以及故障状态信息、输入PWM脉冲数据，以分析、定位和排除所述功率组件（1）的故障。

2.根据权利要求1所述的功率组件故障记录诊断系统，其特征在于：所述控制电路（2）还包括与所述主控单元（21）相连的总线接口单元（24）、电源单元（25）和栅极驱动器（27）；外部的控制设备通过所述总线接口单元（24）向所述主控单元（21）发出功率模块控制信号；所述主控单元（21）通过所述栅极驱动器（27）向所述功率模块（11）发送PWM脉冲信号，所述电源单元（25）为所述主控单元（21）提供电源。

3.根据权利要求1或2所述的功率组件故障记录诊断系统，其特征在于：所述采样单元（22）采集所述功率模块（11）的6路功率器件的电压、温度和电流信号，所述电压、温度和电流信号经过信号调理后进行A/D转换，所述主控单元（21）读取A/D转换后的数据并将该数据存放至主控单元（21）的SRAM（210）中。

4.根据权利要求3所述的功率组件故障记录诊断系统，其特征在于：当所述功率模块（11）发生故障时，所述主控单元（21）将采集的所述电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据从所述SRAM（210）通过I²C总线或SPI总线或并行总线传输至所述故障存储单元（26）中，所述故障存储单元（26）采用FRAM或NAND FLASH。

5.根据权利要求1、2或4中任一项所述的功率组件故障记录诊断系统，其特征在于：所述主控单元（21）读取所述故障存储单元（26）中包括所述功率模块（11）的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据在内的故障数据，并通过所述接口单元（23）向外部的上位机发送所述故障数据，所述上位机读取所述功率模块（11）的故障数据，通过解析软件解析故障数据，还原故障发生时的波形。

6.根据权利要求5所述的功率组件故障记录诊断系统，其特征在于：所述主控单元（21）采用FPGA芯片，所述主控单元（21）通过RS232串行总线或CAN总线通信方式与所述上位机通信，所述上位机通过访问所述故障存储单元（26）的不同故障存储寄存器，在线查看不同故障时刻的数据及信号波形。

7.一种基于权利要求1至6中任一项所述系统的功率组件故障记录诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

A）电压传感器（12）采集功率模块（11）的电压信号，温度传感器（13）采集所述功率模块（11）的温度信号，电流传感器（14）采集所述功率模块（11）的电流信号；

B）采样单元（22）实时获取所述电压传感器（12）、温度传感器（13）和电流传感器（14）采集的信号，并将数据发送至主控单元（21）；

C）所述主控单元（21）读取所述采样单元（22）发送的数据，当所述主控单元（21）检测到所述功率组件（1）发生故障时，将故障发生前后设定时间内所述功率模块（11）的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据保存至故障存储单元（26）；

D）外部的上位机通过接口单元（23）、主控单元（21）访问所述故障存储单元（26）存储的数据，并读出故障发生前后的电压信号、温度信号、电流信号波形，以及故障状态信息、输入PWM脉冲数据，以分析、定位和排除所述功率组件（1）的故障。

8.根据权利要求7所述的功率组件故障记录诊断方法，其特征在于：所述采样单元（22）采集所述功率模块（11）的6路功率器件的电压、温度和电流信号，所述电压、温度和电流信号经过信号调理后进行A/D转换，所述主控单元（21）读取A/D转换后的数据并将该数据存放至主控单元（21）的SRAM（210）中。

9.根据权利要求8所述的功率组件故障记录诊断方法，其特征在于：当所述功率模块（11）发生故障时，所述主控单元（21）将采集的所述电压、温度和电流信号所述功率模块（11）的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据从所述SRAM（210）通过I²C总线或SPI总线或并行总线传输至所述故障存储单元（26）中。

10.根据权利要求7、8或9中任一项所述的功率组件故障记录诊断方法，其特征在于：所述主控单元（21）读取所述故障存储单元（26）中包括所述功率模块（11）的电压、温度和电流数据，及故障状态信息、输入PWM脉冲数据在内的故障数据，并通过所述接口单元（23）向外部的上位机发送所述故障数据，所述上位机读取所述功率模块（11）的故障数据，通过解析软件解析故障数据，还原故障发生时的波形。