CN109188142A - Upfc功率模块老化综合测试平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种UPFC功率模块老化综合测试平台，包括UPFC功率模块IGBT电路板、负载的大功率电阻、测试机箱、DC/DC模块、直流稳压电源、散热器以及温度控制模块；所述直流稳压电源还连接到所述温度控制模块；所述IGBT电路板通过所述DC/DC模块连接到所述测试机箱；所述IGBT电路板包括IGBT、驱动电路以及工作电路；所述直流稳压电源负责提供功率循环大电流；所述温度控制模块通过控制IGBT的开通和关断来控制功率循环中温度所设定的范围；所述测试机箱配置的数字万用表模块对老化过程中IGBT的特性参数进行实时采集。本发明通过加速老化实验，基于电流、电压波形特征评估UPFC功率器件的缺陷和老化状态，快速查找定位缺陷位置，为UPFC装置的运行维护提供理论和技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于信号测试技术领域，特别涉及一种UPFC功率模块老化综合测试平台。
背景技术
统一潮流控制器(UnifiedPowerFlowController，UPFC)综合了柔性交流输电(Flexible AlternativeCurrentTransmissionSystems，FACTS)元件的多种灵活控制手段，具备电压调节、串联补偿和移相等众多能力，可以同时且快速的独立控制输电线路中有功功率和无功功率，是迄今为止通用性最好的FACTS装置。UPFC作为柔性交流输电技术的集大成者，代表着未来电力电子技术的发展方向，是构建智能电网的重要技术手段，具有广泛的应用价值。
功率模块是影响电力电子系统可靠性的最主要部分之一，对UPFC系统整体性能起着异常重要的影响作用。电力电子系统的失效常常是因为系统中实现换流功能的功率模块的电应力、热应力或机械应力等因素引起。统计数据显示，功率变流器故障在柔性交流输电所有电气设备故障总数中占比例较高，IGBT模块作为功率变流器的主要部件，因IGBT失效而导致功率变流器的故障率也较高，当IGBT模块重复开通或关断时,在热冲击的反复作用下产生失效或疲劳效应,其工作寿命与可靠性将影响到整个装置或系统的正常运行。如果系统中功率模块先兆失效症状出现，且未能快速有效地完成系统失效过程的预测，并进行采取实时的有效维护措施，则会造成严重的后果和巨额经济损失。因此，为了提高UPFC的运行可靠性，亟需研究UPFC功率模块状态监测与安全评估的有效方法，及时、准确地掌握设备部件及整体的健康状态，提高UPFC运行管理和维护的水平。
一般的，UPFC等大型电力电子系统失效包含两种类型，突变失效和参数老化失效。突变失效通常是由不正当操作或其它外部因素造成的，它对整个电力电子系统的影响是致命的，但突变失效也是可以避免的。然而老化现象是始终存在的。电力电子设备中的老化失效主要有以下三类：焊接老化，关键功率模块老化，散热装置的老化。据电力电子变流装置的运行情况统计数据来看，由功率模块失效导致的装置结构性故障占到90％以上。
功率模块的失效涉及机械应力、电应力、热应力和辐射应力以及其他未知因素等，产生的机理比较复杂。综合来说，功率模块的失效模式主要可分为以下几方面：芯片裂纹失效，引线键合失效，过电应力失效，热应力失效，焊接不良失效，器件内部分层失效，以及器件漏电流失效。由于功率模块的多样性，国内外关于不同功率模块失效机理的研究纷繁复杂，在此以IGBT为例，其他功率模块均有类似研究。
发明内容
本发明通过加速老化实验，基于电流、电压波形特征评估UPFC功率器件的缺陷和老化状态，快速查找定位缺陷位置，为UPFC装置的运行维护提供理论和技术支撑。
本发明具体为一种UPFC功率模块老化综合测试平台，所述UPFC功率模块老化综合测试平台包括UPFC功率模块IGBT电路板、负载的大功率电阻、测试机箱、DC/DC模块、直流稳压电源、散热器以及温度控制模块；所述负载的大功率电阻、所述测试机箱、所述直流稳压电源以及所述温度控制模块均连接到所述IGBT电路板；所述直流稳压电源还连接到所述温度控制模块；所述IGBT电路板通过所述DC/DC模块连接到所述测试机箱；所述IGBT电路板包括IGBT、驱动电路以及工作电路；所述直流稳压电源负责提供功率循环大电流；所述温度控制模块通过控制IGBT的开通和关断来控制功率循环中温度所设定的范围；所述测试机箱配置的数字万用表模块对老化过程中IGBT的特性参数进行实时采集。
进一步的，所述温度控制模块包括温控继电器。
进一步的，所述测试机箱为PXI测试平台。
进一步的，通过测量UPFC功率模块输入、输出两端电压以及流过的电流，基于电流、电压数值及波形特征变化进行信号处理提取电学信号特征参数，间接监测和评估器件的缺陷和老化状态。
进一步的，通过仿真和试验测试研究UPFC功率模块门极驱动电流、导通饱和压降电压、门极驱动电压特征参数随着器件缺陷或老化的变化情况；利用UPFC输入输出电压、电流采样进行参数辨识获取故障特征参数。
进一步的，通过仿真和试验测试研究UPFC功率模块门极驱动电流、导通饱和压降电压、门极驱动电压特征参数随着器件缺陷或老化的变化情况，具体步骤为：一方面模拟缘击穿、触点迁移、铝键合线脱落、焊接层开裂的典型器件缺陷，另一方面将被测试的IGBT功率模块置于功率循环中实现模拟器件加速老化，通过对IGBT门极施加以固定的占空比信号，并同时测量和记录IGBT门极驱动电流、导通饱和压降电压、门极驱动电压的数值变化，获得故障特征参数与器件典型缺陷和老化的关联关系。
进一步的，老化实验通过温度控制模块控制IGBT的壳温在100℃附近范围内波动，在这种功率循环条件下，焊料层所受的温度冲击小，壳温幅值的波动要小于结温，各层之间不易出现裂纹，焊料层老化进程慢，相比之下键合线老化更快，易造成电阻增大。
进一步的，老化实验通过温度控制模块控制IGBT的壳温在30℃到100℃之间大范围波动，在这种功率循环下，壳温和结温幅值的波动都很大，这种加速老化方式对铝键合线和焊料层都会产生温度波动冲击，易造成电阻和热阻同时增大。
进一步的，通过傅里叶变换、小波变换或高阶谱分析方法进行信号处理，结合信号的方差、幅值、频谱、谐波含量来作为系统的故障特征参数。
进一步的，根据幅度、频谱特征评估出缺陷的类型，然后利用相位特征诊断出故障类中具体的故障元件。
附图说明
图1为本发明UPFC功率模块老化综合测试平台的结构组成示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明UPFC功率模块老化综合测试平台的具体实施方式做详细阐述。
如图1所示，本发明的UPFC功率模块老化综合测试平台包括UPFC功率模块IGBT电路板、负载的大功率电阻、测试机箱、DC/DC模块、直流稳压电源、散热器以及温度控制模块；所述负载的大功率电阻、所述测试机箱、所述直流稳压电源以及所述温度控制模块均连接到所述IGBT电路板；所述直流稳压电源还连接到所述温度控制模块；所述IGBT电路板通过所述DC/DC模块连接到所述测试机箱；所述IGBT电路板包括IGBT、驱动电路以及工作电路；所述直流稳压电源负责提供功率循环大电流；所述温度控制模块通过控制IGBT的开通和关断来控制功率循环中温度所设定的范围；所述测试机箱配置的数字万用表模块对老化过程中IGBT的特性参数进行实时采集。
所述温度控制模块包括温控继电器。
所述测试机箱为PXI测试平台。
通过测量UPFC功率模块输入、输出两端电压以及流过的电流，基于电流、电压数值及波形特征变化进行信号处理提取电学信号特征参数，间接监测和评估器件的缺陷和老化状态。
通过仿真和试验测试研究UPFC功率模块门极驱动电流、导通饱和压降电压、门极驱动电压特征参数随着器件缺陷或老化的变化情况；利用UPFC输入输出电压、电流采样进行参数辨识获取故障特征参数。
通过仿真和试验测试研究UPFC功率模块门极驱动电流、导通饱和压降电压、门极驱动电压特征参数随着器件缺陷或老化的变化情况，具体步骤为：一方面模拟缘击穿、触点迁移、铝键合线脱落、焊接层开裂的典型器件缺陷，另一方面将被测试的IGBT功率模块置于功率循环中实现模拟器件加速老化，通过对IGBT门极施加以固定的占空比信号，并同时测量和记录IGBT门极驱动电流、导通饱和压降电压、门极驱动电压的数值变化，获得故障特征参数与器件典型缺陷和老化的关联关系。
老化实验通过温度控制模块控制IGBT的壳温在100℃附近范围内波动，在这种功率循环条件下，焊料层所受的温度冲击小，壳温幅值的波动要小于结温，各层之间不易出现裂纹，焊料层老化进程慢，相比之下键合线老化更快，易造成电阻增大。
老化实验通过温度控制模块控制IGBT的壳温在30℃到100℃之间大范围波动，在这种功率循环下，壳温和结温幅值的波动都很大，这种加速老化方式对铝键合线和焊料层都会产生温度波动冲击，易造成电阻和热阻同时增大。
通过傅里叶变换、小波变换或高阶谱分析方法进行信号处理，结合信号的方差、幅值、频谱、谐波含量来作为系统的故障特征参数。
根据幅度、频谱特征评估出缺陷的类型，然后利用相位特征诊断出故障类中具体的故障元件。
最后应该说明的是，结合上述实施例仅说明本发明的技术方案而非对其限制。所属领域的普通技术人员应当理解到，本领域技术人员可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，但这些修改或变更均在申请待批的权利要求保护范围之中。
Claims (10)
1.UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，所述UPFC功率模块老化综合测试平台包括UPFC功率模块IGBT电路板、负载的大功率电阻、测试机箱、DC/DC模块、直流稳压电源、散热器以及温度控制模块；所述负载的大功率电阻、所述测试机箱、所述直流稳压电源以及所述温度控制模块均连接到所述IGBT电路板；所述直流稳压电源还连接到所述温度控制模块；所述IGBT电路板通过所述DC/DC模块连接到所述测试机箱；所述IGBT电路板包括IGBT、驱动电路以及工作电路；所述直流稳压电源负责提供功率循环大电流；所述温度控制模块通过控制IGBT的开通和关断来控制功率循环中温度所设定的范围；所述测试机箱配置的数字万用表模块对老化过程中IGBT的特性参数进行实时采集。
2.根据权利要求1所述的UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，所述温度控制模块包括温控继电器。
3.根据权利要求2所述的UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，所述测试机箱为PXI测试平台。
4.根据权利要求3所述的UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，通过测量UPFC功率模块输入、输出两端电压以及流过的电流，基于电流、电压数值及波形特征变化进行信号处理提取电学信号特征参数，间接监测和评估器件的缺陷和老化状态。
5.根据权利要求4所述的UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，通过仿真和试验测试研究UPFC功率模块门极驱动电流、导通饱和压降电压、门极驱动电压特征参数随着器件缺陷或老化的变化情况；利用UPFC输入输出电压、电流采样进行参数辨识获取故障特征参数。
6.根据权利要求5所述的UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，通过仿真和试验测试研究UPFC功率模块门极驱动电流、导通饱和压降电压、门极驱动电压特征参数随着器件缺陷或老化的变化情况，具体步骤为：一方面模拟缘击穿、触点迁移、铝键合线脱落、焊接层开裂的典型器件缺陷，另一方面将被测试的IGBT功率模块置于功率循环中实现模拟器件加速老化，通过对IGBT门极施加以固定的占空比信号，并同时测量和记录IGBT门极驱动电流、导通饱和压降电压、门极驱动电压的数值变化，获得故障特征参数与器件典型缺陷和老化的关联关系。
7.根据权利要求6所述的UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，老化实验通过温度控制模块控制IGBT的壳温在100℃附近范围内波动，在这种功率循环条件下，焊料层所受的温度冲击小，壳温幅值的波动要小于结温，各层之间不易出现裂纹，焊料层老化进程慢，相比之下键合线老化更快，易造成电阻增大。
8.根据权利要求6所述的UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，老化实验通过温度控制模块控制IGBT的壳温在30℃到100℃之间大范围波动，在这种功率循环下，壳温和结温幅值的波动都很大，这种加速老化方式对铝键合线和焊料层都会产生温度波动冲击，易造成电阻和热阻同时增大。
9.根据权利要求7或8所述的UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，通过傅里叶变换、小波变换或高阶谱分析方法进行信号处理，结合信号的方差、幅值、频谱、谐波含量来作为系统的故障特征参数。
10.根据权利要求9所述的UPFC功率模块老化综合测试平台，其特征在于，根据幅度、频谱特征评估出缺陷的类型，然后利用相位特征诊断出故障类中具体的故障元件。
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