CN109164368A - 非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统及方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统、方法以及装置，其中系统包括采集电路、预警输出电路以及信号处理电路；信号处理电路连接在采集电路与预警输出电路之间；其中，采集电路采集印刷电路板上功率器件的电学信号，并将电学信号传输给信号处理电路；信号处理电路在电学信号超过预设阈值时控制预警输出电路发出告警，非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统实时对印刷电路板上的功率器件的电学信号进行监控，在电学信号出现异常时发出告警，实现对功率器件的可靠性进行实时监控，从而有利于及时对印刷电路板进行检修，并有利于对印刷电路板进行改进以增强其可靠性。

Description

非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统及方法

技术领域

本申请涉及故障预测与健康管理技术领域，特别是涉及一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统及方法。

背景技术

电力电子器件又称为功率半导体器件，主要用于电能变换和控制电路方面大功率的电子器件，被喻为电子装备的“心脏”，通常电流为数十至数千安，电压为数百伏至数千伏以上，在航空航天、轨道交通、新能源、家电等等领域得到广泛应用。由于装备系统运行工况的复杂性，使得电力电子器件承受不均衡的电热应力，容易引起老化失效等可靠性问题。一旦电力电子器件发生失效，轻则造成装备系统停机，带来经济损失，重则如在电网、航空等需要高可靠性的应用场合中，可能会引发重大安全事故。因此，电力电子器件在实际应用中的可靠性保障至关重要。

传统的电力电子器件可靠性检测主要有两种途径：(a)对电力电子器件开展可靠性寿命试验，预计产品的可靠性寿命；(b)对已发生失效的电力电子器件进行失效分析，确定其失效模式和失效机理，在此基础上提出对电力电子器件进行改进措施。

但是，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统功率器件可靠性检测技术无时效性，无法对功率器件的可靠性进行实时监测。

发明内容

基于此，有必要针对传统功率器件可靠性检测技术无时效性，无法对功率器件的可靠性进行实时监测的问题，提供一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统及方法。

为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，包括采集电路、预警输出电路以及信号处理电路；

信号处理电路连接在采集电路与预警输出电路之间；

其中，采集电路用于非接触采集印刷电路板上功率器件的电学信号，并将电学信号传输给信号处理电路；信号处理电路用于在电学信号超过预设阈值时控制预警输出电路发出告警。

在其中一个实施例中，信号处理电路包括印刷电路板上的系统级芯片；

系统级芯片连接在采集电路与预警输出电路之间；

其中，系统级芯片用于在接收到的电学信号超过预设阈值时控制预警输出电路发出告警。

在其中一个实施例中，还包括信号放大电路；

信号放大电路连接在采集电路与系统级芯片之间。

在其中一个实施例中，信号处理电路还包括预警判断电路；

预警判断电路分别连接采集电路、预警输出电路以及系统级芯片；

其中，预警判断电路用于在接收到的电学信号超过预设阈值时控制预警输出电路发出告警。

在其中一个实施例中，预警判断电路包括电压比较电路以及阈值调节电路；

电压比较电路分别连接采集电路、阈值调节电路以及预警输出电路；

阈值调节电路连接系统级芯片。

在其中一个实施例中，电学信号为感应电动势；

采集电路包括磁感应传感器；磁感应传感器连接信号处理电路；

磁感应传感器布置在连接功率器件源极的导线的一侧。

在其中一个实施例中，电学信号为感应电动势；

采集电路包括耦合电容传感器；耦合电容传感器连接信号处理电路；

耦合电容传感器布置在连接功率器件漏极的导线的一侧。

在其中一个实施例中，还包括计算机设备；

计算机设备连接系统级芯片；

其中，计算机设备用于通过系统级芯片接收采集电路传输的电学信号，并对电学信号进行统计分析。

另一方面，本申请明实施例还提供了一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控方法，应用于如上所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统包括以下步骤：

接收采集电路传输的电学信号；

若电学信号超过预设阈值，则控制预警输出电路发出告警。

又一方面，本申请实施例还提供了一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控装置，包括：

信号接收模块，用于接收采集电路传输的电学信号；

控制模块，用于若电学信号超过预设阈值，则控制预警输出电路发出告警。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

采用采集电路、预警输出电路以及信号处理电路构建非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其中，信号处理电路连接在采集电路与预警输出电路之间，采集电路采集印刷电路板上功率器件的电学信号，并将电学信号传输给信号处理电路；信号处理电路在电学信号超过预设阈值时控制预警输出电路发出告警。非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统实时对印刷电路板上的功率器件的电学信号进行监控，在电学信号出现异常时发出告警，实现对功率器件的可靠性进行实时监控，从而有利于及时对印刷电路板进行检修，并有利于对印刷电路板进行改进以增强其可靠性。

附图说明

图1为一个实施例中非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统的第一结构示意图；

图2为一个实施例中非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统的采集电路的第一结构示意图；

图3为一个实施例中平面型磁感应传感器的结构示意图；

图4为一个实施例中立体型磁感应传感器的结构示意图；

图5为一个实施例中非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统的采集电路的第二结构示意图；

图6为一个实施例中平面型耦合电容传感器的结构示意图；

图7为一个实施例中非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统的第二结构示意图；

图8为一个实施例中非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统的第三结构示意图；

图9为一个实施例中非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统的预警判断电路的结构示意图；

图10为一个实施例中非接触式板级电路中功率器件退化在线监控方法步骤的流程图；

图11为一个实施例中非接触式板级电路中功率器件退化在线监控装置的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的首选实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容更加透彻全面。

需要说明的是，当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件并与之结合为一体，或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“布置”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本申请非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统、方法以及装置的一具体应用场景：

传统的功率器件可靠性监测主要有两种途径：(a)对功率器件开展可靠性寿命试验，预计产品的可靠性寿命；(b)对已发生失效的功率器件进行失效分析，确定其失效模式和失效机理，在此基础上提出改进措施。以上两种途径都存在耗资大、试验周期长、无时效性以及不够准确的缺陷。主要原因如下：在(a)方案中，功率器件可靠性寿命是根据简单应力条件下可靠性寿命试验数据计算所得，可靠性试验中并未涉及产品实际工作状态和工作环境，而实际使用中，功率器件处于一个多种应力综合作用的复杂工作环境条件下，从而导致采用该方案对功率器件进行寿命预计往往和实际相差很大，很难发挥应有的失效预计作用；在(b)方案，对已失效功率器件的失效分析是一种事后诊断技术，对于失效模式和失效机理已非常明确的产品来说，不管从经济角度还是从技术角度都不是一种最佳的方法。换言之，传统监测技术在面对瞬息万变的应变时无法评价功率器件的可靠性，尤其是复杂、严酷的环境，传统监测技术更是无能为力。

因此，本申请基于故障预测与健康管理(PHM，Prognostic and HealthManagement)技术提出一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统、方法以及装置，其中，故障预测与健康管理技术是一种实现装备基于状态维修、自主式保障、感知与响应后勤的技术。故障预测与健康管理技术是一种全面的故障检测、隔离、预测及健康管理的技术，它的引入不仅仅是为了消除故障，更是为了了解和预报故障何时可能发生，使得系统在尚未完全故障之前人们就能依据系统的当前健康状况决定何时维修，从而实现自助式保障，降低使用和保障费用的目标。故障预测与健康管理技术已广泛应用于机械结构产品中，比如核电站设备、制动装置、发动机、传动装置等。故障预测与健康管理的关键技术主要包括：(l)退化监测与健康管理技术，要求利用先进的传感器获得精确的电子系统运行状态信息，通过设计更先进的数据分析技术获得对电子系统健康状况的精确估计；(2)诊断技术，对系统维修时，如何定位出故障模块或元件是非常重要的。由于此时的故障程度还不足以使得系统完全失效，因此大多属于早期故障状态，设计先进的特征提取技术和具有良好性能的分类器就显得尤其重要；(3)预测技术，当系统、分系统或部件可能出现小缺陷或早期故障，或逐渐降级到不能以最佳性能完成其功能的某一点时，选取相关检测方式，设计预测系统来检测这些小缺陷、早期故障或降级，做到防患于未然。

为了解决传统功率器件可靠性检测技术无时效性，无法对功率器件的可靠性进行实时监测的问题，在一个实施例中，如图1所示，提供了一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，包括采集电路11、预警输出电路13以及信号处理电路15；

信号处理电路15连接在采集电路11与预警输出电路13之间；

其中，采集电路11用于非接触采集印刷电路板17上的功率器件171的电学信号，并将电学信号传输给信号处理电路15；信号处理电路15用于在电学信号超过预设阈值时控制预警输出电路13发出告警。

需要说明的是，在实际应用时，非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统中的采集电路、预警输出电路和信号处理电路是印刷在印刷电路板上(PCB，PrintedCircuit Board)的，非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统用于实时监控印刷电路板上的功率器件的可靠性。

采集电路的功能是采集印刷电路板上的功率器件的电学信号，并将采集到的电学信号传输给信号处理电路。

在一个示例中，电学信号为感应电动势，如图2所示，采集电路11包括磁感应传感器111；磁感应传感器111连接信号处理电路15；磁感应传感器111布置在连接功率器件171源极的导线的一侧。磁感应传感器采集电学信号的原理为：在印刷电路板工作过程中，功率器件在导通和截止之间不断切换过程中，对应的，功率器件连接其源极的导线上的电流也会瞬间变大或者变小(di/dt)，磁感应传感器通过导电线感应功率器件连接其源极的导线上的电流变化，生成感应电动势v，感应电动势v正比于di/dt，当功率器件退化后，功率器件的导通电阻增大，导致di/dt增大，从而感应电动势v也跟着变大。磁感应传感器将感应电动势v传输给信号处理电路，信号处理电路在判断出感应电动势v超过预设阈值时，控制预警输出电路发出告警。进一步的，磁感应传感器为平面型磁感应传感器(如图3所示)或立体型磁感应传感器(如图4所示)。

在又一个示例中，电学信号为感应电动势，如图5所示，采集电路11包括耦合电容传感器115；耦合电容传感器115连接信号处理电路15；耦合电容传感器115布置在连接功率器件171漏极的导线的一侧。耦合电容传感器采集电学信号的原理为：在印刷电路板工作过程中，功率器件在导通和截止之间不断切换时，对应的，功率器件连接其漏极的导线上的电压也会瞬间变大或者变小(dv/dt)，耦合电容传感器线感应功率器件连接其漏极的导线上的电压变化，生成感应电动势v，生成感应电动势v正比于dv/dt，当功率器件退化后，功率器件的导通电阻增大，导致dv/dt增大，从而感应电动势v也跟着变大。耦合电容传感器将感应电动势v传输给信号处理电路，信号处理电路在判断出感应电动势v超过预设阈值时，控制预警输出电路发出告警。进一步的，耦合电容传感器为平面型耦合电容传感器(如图6所示)或立体型耦合电容传感器。

预警输出电路的功能是接收信号处理电路的控制发出告警，以提醒相关人员印刷电路板可能出现故障或者潜在的故障。例如，预警输出电路可采用提示音提醒方式(例如，声音预警器)，也可采用光提醒方式(例如，光预警器)，以及其他用于提醒的方式。

进一步的，在一个具体的实施例中，还包括计算机设备；计算机设备连接信号处理电路，其中，计算机设备通过信号处理电路接收采集电路传输的电学信号，并对电学信号进行统计分析。信号处理电路将接收到的所有电学信号上传给计算机设备，计算机设备对电学信号进行统计整理分析，为分析印刷电路板的可靠性以及为提出印刷电路板的改进方案提供支持。

本申请非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统各实施例中，采用采集电路、预警输出电路以及信号处理电路构建非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其中，信号处理电路连接在采集电路与预警输出电路之间，采集电路采集印刷电路板上功率器件的电学信号，并将电学信号传输给信号处理电路；信号处理电路在电学信号超过预设阈值时控制预警输出电路发出告警。非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统实时对印刷电路板上的功率器件的电学信号进行监控，在电学信号出现异常时发出告警，实现对功率器件的可靠性进行实时监控，从而有利于及时对印刷电路板进行检修，并有利于对印刷电路板进行改进以增强其可靠性。

在一个实施例中，如图7所示，提供了一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，包括采集电路11、预警输出电路13以及印刷电路板17上的系统级芯片173；

系统级芯片173连接在采集电路11与警输出电路13之间。

其中，系统级芯片用于在接收到的电学信号超过预设阈值时控制预警输出电路发出告警。

进一步的，如图7所示，还包括信号放大电路19；信号放大电路19连接在采集电路11与系统级芯片173之间。

其中，系统级芯片为印刷电路板上自带的，利用印刷电路板上自带的系统级芯片构建非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，有利于成本的控制，也有利于资源的节省。系统级芯片的功能是将接收到的电学信号转换成模拟信号，并将模拟信号与预设阈值进行比较，在模拟信号超过预设阈值时控制预警输出电路发出告警。

信号放大电路的功能是将采集电路采集到的电学信号进行放大处理，并将放大后的电学信号传输给系统级芯片。进一步的，信号放大电路印制在印刷电路板上。

本申请非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统各实施例中，通过信号放大电路对电学信号进行放大处理，保证系统级芯片接收到的电学信号的质量，从而提高了非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统的工作的准确度，保证准确地对印刷电路板的故障或者潜在故障进行预警，并克服了传统技术中因采用电流互感器、霍尔传感器、罗氏线圈电流传感器等存在磁性饱和频率带宽受限带来的缺陷。

在一个实施例中，如图8所示，提供了一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，包括采集电路11、预警判断电路81、预警输出电路13以及印刷电路板17上的系统级芯片173；

预警判断电路81分别连接采集电路11、预警输出电路13以及系统级芯片173；

系统级芯片173连接预警输出电路13。

其中，预警判断电路用于在接收到的电学信号超过预设阈值时控制预警输出电路发出告警。

需要说明的是，预警判断电路的功能是接收采集电路采集的电学信号，并将电学信号与预设阈值进行比较，当电学信号超过预设阈值时，预警判断电路控制预警输出电路发出告警。

在一个具体的实施例中，如图9所示，预警判断电路81包括电压比较电路811以及阈值调节电路813；电压比较电路811分别连接采集电路11、阈值调节电路813以及预警输出电路13；阈值调节电路813连接系统级芯片173。需要说明的是，阈值调节电路为电压比较电路提供预设阈值，阈值调节电路内的预设阈值的受系统级芯片调控。在电学信号超过预设阈值时，控制预警输出电路发出高警，并同时向系统级芯片反馈，系统级芯片做好告警统计。进一步的，预警判断电路可印刷在印刷电路板上。

本申请非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统各实施例中，采用预警判断电路来判断电学信号是否超过预设阈值，避免过多的占用系统级芯片处理资源，在系统级芯片工作负荷较大的情况下有利于减轻系统级芯片的工作负担，从而提高了非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统的功率效率，进一步的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统采用非接触式信号采集方式，可将非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统直接布置在印刷电路板上，实现对功率器件退化实时监测。

在一个实施例中，如图10所示，提供了一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控方法，应用于如上所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，包括以下步骤：

步骤S1010，接收采集电路传输的电学信号；

步骤S1020，若电学信号超过预设阈值，则控制预警输出电路发出告警。

需要说明的是，非接触式板级电路中功率器件退化在线监控方法是基于非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统实现的。系统级芯片接收采集电路采集的功率器件的电学信号，并在电学信号超过预设阈值时，控制预警输出电路发出告警。

本申请非接触式板级电路中功率器件退化在线监控方法各实施例中，利用印刷电路板板的系统级芯片实现对印刷电路板上的功率器件的可靠性的实时监控。

在一个实施例中，如图11所示，提供了一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控装置，包括：

信号接收模块1110，用于接收采集电路传输的电学信号；

控制模块1120，用于若电学信号超过预设阈值，则控制预警输出电路发出告警。

关于非接触式板级电路中功率器件退化在线监控装置的具体限定可以参见上文中对于非接触式板级电路中功率器件退化在线监控方法的限定，在此不再赘述。上述非接触式板级电路中功率器件退化在线监控装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其特征在于，包括采集电路、预警输出电路以及信号处理电路；

所述信号处理电路连接在所述采集电路与所述预警输出电路之间；

其中，所述采集电路用于非接触采集印刷电路板上功率器件的电学信号，并将所述电学信号传输给所述信号处理电路；所述信号处理电路用于在所述电学信号超过预设阈值时控制所述预警输出电路发出告警。

2.根据权利要求1所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其特征在于，所述信号处理电路包括印刷电路板上的系统级芯片；

所述系统级芯片连接在所述采集电路与所述预警输出电路之间；

其中，所述系统级芯片用于在接收到的所述电学信号超过所述预设阈值时控制所述预警输出电路发出告警。

3.根据权利要求2所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其特征在于，还包括信号放大电路；

所述信号放大电路连接在所述采集电路与所述系统级芯片之间。

4.根据权利要求2所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其特征在于，所述信号处理电路还包括预警判断电路；

所述预警判断电路分别连接所述采集电路、所述预警输出电路以及所述系统级芯片；

其中，所述预警判断电路用于在接收到的所述电学信号超过所述预设阈值时控制所述预警输出电路发出告警。

5.根据权利要求4所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其特征在于，所述预警判断电路包括电压比较电路以及阈值调节电路；

所述电压比较电路分别连接所述采集电路、所述阈值调节电路以及所述预警输出电路；

所述阈值调节电路连接所述系统级芯片。

6.根据权利要求1至5任意一项所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其特征在于，所述电学信号为感应电动势；

所述采集电路包括磁感应传感器；所述磁感应传感器连接所述信号处理电路；

所述磁感应传感器布置在连接所述功率器件源极的导线的一侧。

7.根据权利要求1至5任意一项所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其特征在于，所述电学信号为感应电动势；

所述采集电路包括耦合电容传感器；所述耦合电容传感器连接所述信号处理电路；

所述耦合电容传感器布置在连接所述功率器件漏极的导线的一侧。

8.根据权利要求1所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其特征在于，还包括计算机设备；

所述计算机设备连接所述信号处理电路；

其中，所述计算机设备通过所述信号处理电路接收所述采集电路传输的所述电学信号，并对所述电学信号进行统计分析。

9.一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控方法，应用于权利要求1至8任意一项所述的非接触式板级电路中功率器件退化在线监控系统，其特征在于，包括以下步骤：

接收采集电路传输的电学信号；

若所述电学信号超过预设阈值，则控制预警输出电路发出告警。

10.一种非接触式板级电路中功率器件退化在线监控装置，其特征在于，包括：

信号接收模块，用于接收采集电路传输的电学信号；

控制模块，用于若所述电学信号超过预设阈值，则控制预警输出电路发出告警。