CN110082661A - 即插即用型igbt功率模块键合线故障监测系统 - Google Patents

即插即用型igbt功率模块键合线故障监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统，包括控制模块、监测模块、调制修改模块和即插即用接口，该监测系统可实现对IGBT功率模块的离线和在线监测。控制模块用于向监测模块发送监测指令以及接收监测模块的实测数据；监测模块用来测量判断IGBT功率模块键合线健康状态所需的故障特征参数；调制修改模块用于在线监测时修改控制IGBT功率模块中的待测IGBT开通与关断的PWM波形以注入在线监测电流。控制模块、监测模块和调制修改模块之间通过即插即用接口相连。该监测系统可用于多种IGBT功率模块键合线的在线和离线健康状态监测。

Description

即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统
技术领域
本发明涉及大功率器件可靠性监测领域，更具体地说是涉及一种即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统。
背景技术
随着风力发电、智能电网以及电动汽车等新兴行业的崛起，功率模块的可靠性问题越来越受到业内人士的关注。大功率绝缘栅极双极型晶体管(insulatedgatebipolartransistor,IGBT)作为电力电子装置的核心器件，其故障可能导致系统运行的中断，甚至造成严重的安全事故和经济损失。为此，对IGBT功率模块的可靠性监测势在必行。
中国发明专利申请《基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法》(公开号CN105158670A)发明了一种基于集电极漏电流的IGBT健康状态监测方法，主要通过定期测试IGBT器件的集电极漏电流判断IGBT器件芯片是否疲劳失效，并利用仿真模型计算IGBT模块的老化进程与剩余寿命。中国发明专利申请《基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法》(公开号CN105158670B)发明了一种基于集射极饱和压降与焊料层空洞率的IGBT健康状态监测方法，通过定期测试IGBT器件的集射极饱和压降与焊料层空洞率判断IGBT模块是否疲劳失效。
上述IGBT模块的健康监测方法都是应用于离线状态下的，未能实现IGBT功率模块的在线监测。当电力电子系统不允许停止运行时，离线监测方式无法实现其监测功能，故实现IGBT模块的在线监测意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服上述背景技术的不足，提供一种即插即用型的IGBT功率模块键合线故障监测系统。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
一种即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统，包括控制模块、监测模块、调制修改模块和即插即用接口；所述即插即用接口用于控制模块、监测模块、调制修改模块之间的连接；
所述控制模块包括上位机、电压采集卡、温度采集卡和热电偶，电压采集卡与温度采集卡通过USB接口与上位机相连，热电偶的一端连接在温度采集卡的通道上；
所述监测模块包括监测控制器、驱动板A、继电器开关网络、IGBT开关管、大电流源、小电流源和分流电阻，监测控制器与驱动板A之间、驱动板A与继电器开关网络和IGBT开关管之间都为电连接，监测控制器通过向驱动板A发送驱动信号控制继电器开关网络和IGBT开关管的开通与关断；
所述调制修改模块包括待测控制器、驱动板B和IGBT功率模块组，待测控制器与驱动板B之间、驱动板B与IGBT功率模块组之间均为电连接，待测控制器通过向驱动板B发送驱动信号控制IGBT功率模块组的开通与关断；所述IGBT功率模块组中共有M个IGBT功率模块，将M个IGBT功率模块中的任一个IGBT功率模块记为模块Gi,i＝1,2,..M,；所述M个IGBT功率模块中的每一个IGBT功率模块中均包括N个待测IGBT，将N个待测IGBT中的任一个待测IGBT记为待测Cij，j＝1,2,..N；M和N均为正整数；
控制模块用于向监测模块发送监测指令以及接收监测模块的实测数据；监测模块用来测量判断IGBT功率模块键合线健康状态所需的故障特征参数；调制修改模块用于在线监测时修改控制IGBT功率模块组中的待测IGBT开通与关断的PWM波形以注入在线监测电流。
优选地，所述即插即用接口包括接口A、接口B、接口C、接口D和接口E；
所述接口A包括RS-485通讯电路和USB通讯接口，用来连接上位机和监测控制器，RS-485通讯电路用来连接上位机，USB通讯接口用来连接监测控制器；
所述接口B用来连接继电器开关网络与IGBT功率模块组；
所述接口C包括CAN通讯电路1、CAN通讯电路2和CAN通讯接口，用来连接监测控制器和待测控制器，监测指令的传送通过CAN通讯实现；
所述接口D用来连接分流电阻与电压采集卡；
所述接口E用来连接IGBT功率模块组和热电偶。
优选地，所述电压采集卡用来采集IGBT功率模块组的故障特征电压参数；所述温度采集卡用来采集热电偶测得的温度参数；所述热电偶用来测量IGBT功率模块组的壳温；所述上位机接收电压采集卡和温度采集卡上传的实测数据，编辑监测指令并向监测模块发送监测指令，该上位机每次发送一组监测指令，控制一个一个待测IGBT的健康监测。
优选地，所述监测控制器用来接收上位机发送的监测指令并根据监测指令控制继电器开关网络的动作；所述驱动板A用来控制继电器开关网络的动作和IGBT开关管的开通与关断；所述IGBT开关管用来控制监测电流的注入；所述大电流源用来注入大监测电流；所述小电流源用来注入小监测电流；所述分流电阻用来估算IGBT功率模块组的结温和计算监测电流的大小；
所述继电器开关网络中共有P个连接端子，每两个连接端子连接一个待测IGBT，共有Q种连接方式以实现对Q个待测IGBT的连接，Q为正整数，Q＝M×N。
优选地，所述待测控制器接收监测控制器传送的监测指令，并根据监测指令修改PWM发波程序，具体的，待测控制器在开始修改控制待测Cij开通与关断的PWM波形的同时，向监测控制器发送外部中断信号，使监测控制器进入中断程序并控制IGBT开关管动作以注入监测电流；待测控制器在恢复PWM波形的同时向监测控制器发送控制信号以关断继电器开关网络与IGBT开关管，停止监测电流的注入；所述驱动板B用来控制IGBT功率模块组中每一个待测IGBT的开通与关断。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明将监测系统分为控制模块10、监测模块20和调制修改模块30，并通过即插即用接口40连接三个模块，即插即用。
(2)继电器开关网络23可以连接多个同型号或多种不同型号的IGBT功率模块，故本发明应用范围广。
(3)本发明可以根据监测要求，灵活选用在线或离线监测方式。
附图说明
图1为即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统的结构示意图；
图2为图1所示监测系统的监测模块20的结构示意图；
图3为图1所示监测系统的控制模块10与监测模块20的连接示意图；
图4为图1所示监测系统的监测模块20与调制修改模块30的连接示意图；
图5为图1所示监测系统的控制模块10与调制修改模块30的连接示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
参照图1，本发明之即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统，包括控制模块10、监测模块20、调制修改模块30和即插即用接口40。所述即插即用接口40用于控制模块10、监测模块20、调制修改模块30之间的连接。
参见图2和图3，所述控制模块10包括上位机11、电压采集卡12、温度采集卡13和热电偶14，电压采集卡12与温度采集卡13通过USB接口与上位机11相连，热电偶14的一端连接在温度采集卡13的通道上。所述监测模块20包括监测控制器21、驱动板A22、继电器开关网络23、IGBT开关管24、大电流源25、小电流源26和分流电阻27，监测控制器21与驱动板A22之间、驱动板A22与继电器开关网络23和IGBT开关管24之间都为电连接，监测控制器21通过向驱动板A22发送驱动信号控制继电器开关网络23和IGBT开关管24的开通与关断。
参见图4和图5，所述调制修改模块30包括待测控制器31、驱动板B32和IGBT功率模块组33，待测控制器31与驱动板B32之间、驱动板B32与IGBT功率模块组33之间均为电连接，待测控制器31通过向驱动板B32发送驱动信号控制IGBT功率模块组33的开通与关断；所述IGBT功率模块组33中共有M个IGBT功率模块，将M个IGBT功率模块中的任一个IGBT功率模块记为模块Gi,i＝1,2,..M,；所述M个IGBT功率模块中的每一个IGBT功率模块中均包括N个待测IGBT，将N个待测IGBT中的任一个待测IGBT记为待测Cij，j＝1,2,..N；M和N均为正整数。IGBT功率模块组33即为本监测系统的监测对象。
控制模块10用于向监测模块20发送监测指令以及接收监测模块20的实测数据；监测模块20用来测量判断IGBT功率模块键合线健康状态所需的故障特征参数；调制修改模块30用于在线监测时修改控制IGBT功率模块组中的待测IGBT开通与关断的PWM波形以注入在线监测电流。
在控制模块10中，所述电压采集卡12用来采集IGBT功率模块组33的故障特征电压参数；所述温度采集卡13用来采集热电偶14测得的温度参数；所述热电偶14用来测量IGBT功率模块组33的壳温；所述上位机11接收电压采集卡12和温度采集卡13上传的实测数据，编辑监测指令并向监测模块20发送监测指令，该上位机11每次发送一组监测指令，控制一个待测IGBT的健康监测。若要实现对M个IGBT功率模块中的N个待测IGBT的监测，对本发明所述的即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统进行分时复用。
在本实施例中，上位机11采用的是虚拟仪器开发平台LabVIEW，它支持485通讯方式，并能够读取和显示电压采集卡12和温度采集卡13传送的实时测量数据。
监测模块20用于测量判断待测IGBT功率模块33键合线健康状态所需的故障特征参数，监测模块20与调制修改模块30双向联系，监测模块20将从控制模块10发送过来的监测指令传送给调制修改模块30，调制修改模块30在修改控制IGBT功率模块中的IGBT开通与关断的PWM波形期间控制监测模块20向IGBT功率模块33注入监测电流。具体的，所述监测控制器21用来接收上位机11发送的监测指令并根据监测指令控制继电器开关网络23的动作；所述驱动板A22用来控制继电器开关网络23的动作和IGBT开关管24的开通与关断；所述IGBT开关管24用来控制监测电流的注入；所述大电流源25用来注入大监测电流；所述小电流源26用来注入小监测电流；所述分流电阻27用来估算IGBT功率模块组33的结温和计算监测电流的大小。
所述继电器开关网络23中共有P个连接端子，每两个连接端子连接一个待测IGBT，共有Q种连接方式以实现对Q个待测IGBT的连接，Q为正整数，Q＝M×N。
继电器开关网络23根据监测指令进行相应的动作，选择IGBT功率模块组33中的待测IGBT，并根据分时复用原则依次选择多个IGBT功率模块33中的多个待测IGBT进行监测。
调制修改模块30在接收到监测模块20传送的监测指令后，按监测要求修改控制IGBT功率模块中的IGBT开通与关断的PWM波形，该模块只在线监测时发挥作用。具体的，所述待测控制器31接收监测控制器21传送的监测指令，并根据监测指令修改PWM发波程序，控制待测Cij开通与关断的PWM波形的同时，向监测控制器21发送外部中断信号，使监测控制器21进入中断程序并控制IGBT开关管24动作以注入监测电流；待测控制器在恢复PWM波形的同时向监测控制器21发送控制信号以关断继电器开关网络23与IGBT开关管24，停止监测电流的注入；所述驱动板B32用来控制IGBT功率模块组33中每一个待测IGBT的开通与关断。
在本实施例中，待测控制器31采用了2808的DSP，它支持485通讯和CAN通讯。IGBT功率模块33采用了15KW三电平光伏逆变器中使用的IGBT功率模块，生产厂家为Vicotech公司，型号为FZ06NPA070FP的三电平NPC型IGBT集成模块，所以该模块的键合线健康监测既可以在逆变器停机时进行，也可以在逆变器正常运行的时候进行。
所述即插即用接口40包括接口A41、接口B42、接口C43、接口D44和接口E45。
所述接口A41为通讯接口，接口A41包括RS-485通讯电路411和USB通讯接口412，RS-485通讯电路411用来连接上位机11，USB通讯接口412用来连接监测控制器21。
所述接口B42用来连接继电器开关网络23与IGBT功率模块组33。具体的，接口B42用来连接继电器开关网络23与待测IGBT的集电极C端和发射极E端。当与待测IGBT相连的继电器开关网络23中的继电器吸合时，监测电流I注入待测IGBT；当与待测IGBT相连的继电器开关网络23中的继电器断开时，监测电流I停止注入待测IGBT。
所述接口C43包括CAN通讯电路431、CAN通讯电路432和CAN通讯电路接口433，用来连接监测控制器21和待测控制器31.CAN通讯电路431用来完成监测模块20的监测控制器21监测指令的发送，CAN通讯电路432用来完成调制修改模块30的待测控制器31监测指令的接收。监测指令的传送通过CAN通讯实现。
在本实施例中，CAN通讯电路接口433包括CANH接口4331、CANL接口4332、CANH接口4333和CANL接口4334。CANH接口4331与CANH接口4333相接、CANL接口4332与CANL接口4334相接便可实现监测控制器21与待测控制器31之间的CAN通讯。
所述接口D44用来连接分流电阻27与电压采集卡12，该连接为电连接。
所述接口E45用来连接IGBT功率模块组33和热电偶14，该连接为电连接。

Claims (5)

1.一种即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统，其特征在于，包括控制模块(10)、监测模块(20)、调制修改模块(30)和即插即用接口(40)；所述即插即用接口(40)用于控制模块(10)、监测模块(20)、调制修改模块(30)之间的连接；
所述控制模块(10)包括上位机(11)、电压采集卡(12)、温度采集卡(13)和热电偶(14)，电压采集卡(12)与温度采集卡(13)通过USB接口与上位机(11)相连，热电偶(14)的一端连接在温度采集卡(13)的通道上；
所述监测模块(20)包括监测控制器(21)、驱动板A(22)、继电器开关网络(23)、IGBT开关管(24)、大电流源(25)、小电流源(26)和分流电阻(27)，监测控制器(21)与驱动板A(22)之间、驱动板A(22)与继电器开关网络(23)和IGBT开关管(24)之间都为电连接，监测控制器(21)通过向驱动板A(22)发送驱动信号控制继电器开关网络(23)和IGBT开关管(24)的开通与关断；
所述调制修改模块(30)包括待测控制器(31)、驱动板B(32)和IGBT功率模块组(33)，待测控制器(31)与驱动板B(32)之间、驱动板B(32)与IGBT功率模块组(33)之间均为电连接，待测控制器(31)通过向驱动板B(32)发送驱动信号控制IGBT功率模块组(33)的开通与关断；所述IGBT功率模块组(33)中共有M个IGBT功率模块，将M个IGBT功率模块中的任一个IGBT功率模块记为模块Gi,i＝1,2,..M,；所述M个IGBT功率模块中的每一个IGBT功率模块中均包括N个待测IGBT，将N个待测IGBT中的任一个待测IGBT记为待测Cij，j＝1,2,..N；M和N均为正整数；
控制模块(10)用于向监测模块(20)发送监测指令以及接收监测模块(20)的实测数据；监测模块(20)用来测量判断IGBT功率模块键合线健康状态所需的故障特征参数；调制修改模块(30)用于在线监测时修改控制IGBT功率模块组中的待测IGBT开通与关断的PWM波形以注入在线监测电流。
2.根据权利1要求所述的即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统，其特征在于，所述即插即用接口(40)包括接口A(41)、接口B(42)、接口C(43)、接口D(44)和接口E(45)；
所述接口A(41)包括RS-485通讯电路(411)和USB通讯接口(412)，RS-485通讯电路(411)用来连接上位机(11)，USB通讯接口(412)用来连接监测控制器(21)；
所述接口B(42)用来连接继电器开关网络(23)与IGBT功率模块组(33)；
所述接口C(43)包括CAN通讯电路1(431)、CAN通讯电路2(432)和CAN通讯接口(433)，用来连接监测控制器(21)和待测控制器(31)，监测指令的传送通过CAN通讯实现；
所述接口D(44)用来连接分流电阻(27)与电压采集卡(12)；
所述接口E(45)用来连接IGBT功率模块组(33)和热电偶(14)。
3.根据权利1要求所述的即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统，其特征在于，所述电压采集卡(12)用来采集IGBT功率模块组(33)的故障特征电压参数；所述温度采集卡(13)用来采集热电偶(14)测得的温度参数；所述热电偶(14)用来测量IGBT功率模块组(33)的壳温；所述上位机(11)接收电压采集卡(12)和温度采集卡(13)上传的实测数据，编辑监测指令并向监测模块(20)发送监测指令，该上位机(11)每次发送一组监测指令，控制一个待测IGBT的健康监测。
4.根据权利1要求所述的即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统，其特征在于，所述监测控制器(21)用来接收上位机(11)发送的监测指令并根据监测指令控制继电器开关网络(23)的动作；所述驱动板A(22)用来控制继电器开关网络(23)的动作和IGBT开关管(24)的开通与关断；所述IGBT开关管(24)用来控制监测电流的注入；所述大电流源(25)用来注入大监测电流；所述小电流源(26)用来注入小监测电流；所述分流电阻(27)用来估算IGBT功率模块组(33)的结温和计算监测电流的大小；
所述继电器开关网络(23)中共有P个连接端子，每两个连接端子连接一个待测IGBT，共有Q种连接方式以实现对Q个待测IGBT的连接，Q为正整数，Q＝M×N。
5.根据权利1要求所述的即插即用型IGBT功率模块键合线故障监测系统，其特征在于，所述待测控制器(31)接收监测控制器(21)传送的监测指令，并根据监测指令修改PWM发波程序，具体的，待测控制器(31)在开始修改控制待测Cij开通与关断的PWM波形的同时向监测控制器(21)发送外部中断信号，使监测控制器(21)进入中断程序并控制IGBT开关管(24)动作以注入监测电流；待测控制器(31)在恢复PWM波形的同时向监测控制器(21)发送控制信号以关断继电器开关网络(23)与IGBT开关管(24)，停止监测电流的注入；所述驱动板B(32)用来控制IGBT功率模块组(33)中每一个待测IGBT的开通与关断。
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