CN110741266A - 用于功率开关电子装置的故障检测和保护的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种检测功率开关电子装置(OT₁)中的故障的方法，该方法利用热声效应并包括以下步骤：a)在电子装置运行时，在该装置中检测由热声效应产生的声信号(SA)；确定(FFT)检测到的声信号的频谱，并且根据该频谱获得与检测到的声信号关联的频谱识别特征(SEP)；将该频谱识别特征(SEP)与多个参考频谱识别特征(Sgn)进行比较(CSG)；并且，当在用于在检测到的频谱识别特征和多个参考频谱识别特征之间进行比较的比较步骤c)中识别出至少一个重合时，判定(CSG)该电子装置中至少存在一个故障。

Description

用于功率开关电子装置的故障检测和保护的方法和装置

相关申请的交叉引用

本发明要求于2017年6月7日提交的申请号为1755041的法国专利申请的优先权，其内容(文本、附图和权利要求)在此通过引用并入本文。

技术领域

本发明总体上涉及电力电子技术领域。更具体地，本发明涉及一种用于在诸如功率模块、变换器和换流器的功率开关电子装置中检测故障及保持良好运行的方法和装置。

背景技术

功率开关电子装置存在于众多活动领域中，并且在例如铁路、电动汽车和混合动力汽车、以及航空领域中起着越来越重要的作用。随着向产生更少CO₂排放的可再生能源进行期望的能量过渡，电力电子技术需要得到进一步普及，并且应当应对日益增长的经济和技术要求。

为了满足尤其是在功率和紧凑性方面的需求，主要关注开发以更高功率密度运行的功率模块。这些功率模块在大的温度范围内运行，通常为-50℃至175℃甚至更高的温度，这对半导体元件和组合件提出严格要求。

功率模块的制造要求严格的控制，尤其是在制造结束时，以检测电子芯片和组合件中可能存在的故障，这些组合件尤其包括衬底、基板、镀金属层、焊料、称为“键合线”的电气互连线或芯片的其他电气互连装置。

此外，在使用中，功率模块暴露于不同的操作条件以及温度变化循环中，这可能导致尤其是在钎焊接缝或芯片烧结层中的故障，并且大大缩短了功率模块的使用寿命。

因此，有必要在制造以及使用过程中对功率开关电子装置进行测试，以保证其性能和可靠性。

在ISBN号为978-952-2659-11-8的托米〃柯卡宁(

Tommi)的论文“功率半导体中的声发射观测(Observations of Acoustic Emission in PowerSemiconductors)”中，作者描述了关于功率半导体芯片中出现的声学现象的研究结果和观测，并且建议利用这种现象来检测芯片的故障。作者确定了三种类型的声发射，即与芯片中的开关相关的声发射、芯片出现故障时的声发射、以及该芯片损坏后的声发射。作者将这些现象与放电或压电效应联系起来。该文献没有描述任意用于在功率开关电子装置中检测故障的解决方案。

在现有技术中，为了检测材料中的故障，已知的是通过热辐射而以脉冲的方式加热材料，并且根据其红外热成像图像形式的热响应来识别故障。

还已知的是，利用热声效应，以通过超声波来加热材料。通过比较材料的红外热响应的傅里叶变换和材料特有的参考热识别特征来进行故障的检测。

上述现有技术的热成像解决方案需要红外成像照相机，并且设置成在制造时进行实时试验或在设备运行过程中进行实时检查。这些解决方案不适用于对功率开关电子装置中的故障进行连续的检测。

发明内容

需要一种用于在功率开关电子装置中进行故障检测和保护的方法，其允许用于故障检测和保护的装置的架构更紧凑和更经济，并且允许对故障进行连续的检测。

根据第一方面，本发明涉及一种对功率开关电子装置进行故障检测和保护的方法，该方法利用热声效应并包括以下步骤：

a)当功率开关电子装置运行时，在该装置中检测由热声效应产生的声信号；

b)确定所检测到的声信号的频谱，并且根据该频谱获得与所检测到的声信号关联的频谱识别特征；

c)将检测到的频谱识别特征与多个参考频谱识别特征进行比较，并且

d)当在用于在检测到的频谱识别特征和多个参考频谱识别特征之间进行比较的比较步骤c)中识别出至少一个重合时，判定在电子功率开关装置中存在至少一个故障。

根据该方法的特定特征，确定步骤b)包括对检测到的声信号的频谱进行傅里叶变换计算。

根据第二方面，本发明涉及一种用于实施以上简述的方法的故障检测和保护装置，该装置用于监测可能出现故障的功率开关电子装置。根据本发明，该装置至少包括声音传感器、具有通常是英语中称为“登录(log-in)”类型的放大装置以及模数转换装置的输入接口、以及数字信号处理单元，该数字信号处理单元包括能够计算由声音传感器检测到的声信号的频谱识别特征的频谱识别特征计算软件模块、能够存储多个参考频谱识别特征的存储器、以及比较和故障判定软件模块，根据在检测到的声信号的频谱识别特征与存储在存储器中的多个参考频谱识别特征之间识别出的至少一个重合，该软件模块能够检测在功率开关电子装置中至少一个故障的存在。

根据另一实施例，根据本发明的装置包括多个声音传感器，并且输入接口是具有多个声信号输入通道的类型并还包括采样装置。

根据特定特征，当检测到故障时，数字信号处理单元输出针对处于监控下的功率开关电子装置的故障信号。

根据另一特定特征，当检测到故障时，数字信号处理单元输出故障警报，该故障警报包括指示或未指示出故障类型的光、声信号或在屏幕上的显示。

根据另一特定特征，根据本发明的故障检测和保护装置包括至少一个超声波传感器。

根据另一方面，本发明还涉及一种功率开关电子组装件，其至少包括功率开关电子装置以及与该功率开关电子组装件关联的如上所述的故障检测和保护装置。

按照根据本发明的功率开关电子组装件的特定特征，当检测到故障时，相关联的故障检测和保护装置控制功率开关电子装置中止运行或在降级模式下运行。

根据另一特定特征，功率开关电子装置是功率模块、变换器或换流器的形式，并且包括至少一个空腔，在该空腔中设置有声音传感器。

附图说明

通过阅读以下参照附图的本发明的多个特定实施例的详细描述，本发明的其他优点和特征将更清楚地显现，在附图中：

图1是功率开关电子组装件的第一实施例的框图，该功率开关电子组装件包括三相换流器以及配备有单个声音传感器的根据本发明的故障检测及保护装置；

图2是功率开关电子组装件的第二实施例的框图，该功率开关电子组装件包括三相换流器以及配备有三个声音传感器的根据本发明的另一故障检测及保护装置，并且

图3是包括声音传感器的常规功率模块的剖视图，该声音传感器是集成的并适用于图2的功率开关电子组装件。

具体实施方式

功率开关电子装置由功率模块构成，关联这些功率模块以形成例如多相换流器的完整开关桥或并联连接以传送所需的电流。功率模块通常是开关桥臂。

无论是根据电子芯片的平面架构还是根据3D架构来构建功率模块，该功率模块均具有由绝缘或导电材料制成的叠层结构，在这些层之间集成了电子芯片，该电子芯片包括诸如MOSFET或IGBT晶体管的半导体功率开关。功率开关的开关频率通常在几赫兹到几百千赫兹之间。由此引起重复的热脉冲，该重复的热脉冲导致在功率模块的层叠结构中产生热声波。通过热声效应，热脉冲部分转换成声音性质的机械能。声波在功率模块的层叠结构中传播、偏转或反射，并且承载有关该结构的信息。

本发明利用上述现象来检测功率开关电子装置中的故障。检测由受监控的功率开关电子装置产生的声波，并且通过与先前记录的参考频谱识别特征进行比较来检测从该功率开关电子装置的频谱推导出的频谱识别特征的变化。根据声波的频谱识别特征的变化，本发明允许在早期检测故障。本发明还允许检测故障的类型，例如层的脱落或去层化、芯片固定处的裂缝、功率模块的结构中的空隙。

因此，得益于本发明，可以通过相对于预限定规格来检查功率开关电子装置的声学响应，在制造过程中控制和检验该装置。在使用过程中，可以通过电子控制单元连续地或以预定周期跟踪功率开关电子装置的健康状态，该电子控制单元分析该装置发射的声波以检测故障的存在并保护设备免受损坏风险。

现在，以上对本发明的实施例的描述是在三相换流器中检测故障及保护的背景下进行的。

如图1所示，三相换流器OT1包括三个功率模块PM1_A、PM1_B和PM1_C以及开关控制电路SWC。

在图1中示出具有IGBT型晶体管的功率模块PM1_A的电路图。功率模块PM1_A包括标记为TI_HS的上部IGBT晶体管和标记为TI_LS的下部IGBT晶体管，其在英文中分别称为“下侧”晶体管和“上侧”晶体管。所谓“续流”二极管ID_HS和ID_LS分别与晶体管TI_HS和TI_LS关联。二极管ID_HS、ID_LS分别安装在晶体管TI_HS、TI_LS的集电极C_HS、C_LS和发射极E_HS、E_LS之间。晶体管TI_HS的集电极C_HS连接到正直流电压+DC，并且晶体管TI_LS的发射极E_LS连接到负直流电压-DC。晶体管TI_HS和TI_LS通过其各自的栅极G_HS和G_LS来控制开关。模块PM1_A的输出OUT_A对应于晶体管TI_HS的发射极E_HS和晶体管TI_LS的集电极C_LS的互连点，并且输送交流电压。

还应注意到，功率模块PM1_A、PM1_B和PM1_C还可以包括其他功率开关，诸如MOSFET晶体管或GTO晶体闸流管等。

开关控制电路SWC输送栅极控制信号SC_HS、SC_LS，其开关控制模块PM1_A、PM1_B和PM1_C的晶体管TI_HS、TI_LS。

如图1所示，故障检测装置DEP关联到三相换流器OT1。声音传感器CA在此处设置在换流器OT1附近，以检测由该换流器OT1发射的声信号SA₀。声信号SA₀被提供给故障检测装置DEP的模拟输入端。

故障检测装置DEP在此围绕专用的电子控制单元ECU构建。在另一实施例中，装置DEP可以安装在配备有合适的接口电路的微型计算机中。

电子控制单元ECU包括声信号输入接口IT以及数字信号处理单元SPU。

声信号输入接口IT包括输入放大器AP和模数变换器CAN。输入放大器AP在输入端接收由声音传感器CA输出的声信号SA₀。输入放大器AP对声信号SA₀实施带通滤波并调节其振幅电平以进行进一步的处理。放大声信号SA₁由放大器AP输出。放大声信号SA₁由模数变换器CAN数字化，以随后提供给数字信号处理单元SPU的数据输入端口。

数字信号处理单元SPU通常围绕微处理器μP构建，该微处理器μP关联到只读存储器ROM和随机存取存储器RAM、输入/输出接口装置(未示出)以及存储器MEM。微程序存储在单元SPU中，以通过指令序列的顺序运行确保信号处理功能。

由单元SPU实施的信号处理功能在图1中以模块FFT和模块CSG的形式示出。

模块FFT是用于计算声信号SA₁的频谱识别特征SEP的软件模块。通过傅里叶变换得出的声信号SA₁的频谱推导出频谱识别特征SEP。

模块CSG是用于比较和确定故障的软件模块。模块CSG将声信号SA₁的频谱识别特征SEP与预先存储在存储器MEM中的多个参考频谱识别特征Sgn进行比较，以便检测一个或多个可能的重合。存储器MEM存储知识库，该知识库包括多个参考频谱识别特征Sgn，该多个参考频谱识别特征Sgn代表在换流器OT1中可能出现的不同运行状态和不同类型的故障。模块CSG根据比较结果确定故障的存在及其可能的类型。当比较和判定模块CSG检测到换流器OT1中的故障时，该模块发送故障信号DI并可以激活故障警报WA。

故障信号DI传输到开关控制电路SWC，该开关控制电路SWC随后可以通过将栅极控制信号SC_HS、SC_LS锁定在无效电平来中止换流器OT1的运行，该栅极控制信号SC_HS、SC_LS控制切换该换流器OT1的晶体管TI_HS、TI_LS。该当检测到的故障并不严重时，开关控制电路SWC还可以控制换流器OT1在降级模式下运行。

故障警报WA可以例如包括例如指示或未指示出可能的故障类型的光信号或声信号、或者在屏幕上的显示。

参照图2和图3，现在描述标记为OT2的三相换流器的另一实施例，在该实施例中，三个功率模块PM2_A、PM2_B和PM2_C中的每一个包括集成在其结构中的声音传感器CA。另外，在该实施例中，换流器OT2包括集成在换流器OT2的控制单元UC中的电子控制单元ECU2，该电子控制单元ECU2用于根据本发明的故障检测和保护装置。

如图2所示，功率模块PM2_A、PM2_B和PM2_C在此处以平面设置的方式并排设置，并且分别包括集成的声音传感器CA_A、CA_B和CA_C。

控制单元UC包括开关控制电路SWC2和电子控制单元ECU2。因此，控制单元UC通过产生栅极控制信号SC_HS、SC_LS确保功率模块PM2_A、PM2_B和PM2_C的开关控制功能，并且通过与声音传感器CA_A、CA_B和CA_C关联来确保换流器OT2的故障检测及保护功能。

开关控制电路SWC 2与图1的换流器OT1的电路SWC类似，因此在此将不再描述。

电子控制单元ECU2与图1的单元ECU的区别在于，与电子控制单元ECU的接口IT仅包括用于信号SA₀的单个输入通道不同，该电子控制单元ECU2的输入接口IT2包括三个输入通道。由声音传感器CA_A、CA_B和CA_C输出的整体标记为SA_ABC的三个声信号分别作为输入提供到接口IT2的三个通道。对信号SA_ABC进行滤波和放大，然后进行采样和时分复用，以通过与接口IT的变换器CAN(图1)类似的模数变换器(未示出)进行数字化。电子控制单元ECU2中所包括的数字信号处理单元SPU2针对声信号SA_ABC中的每一个实施处理，该处理与数字信号处理单元SPU(图1)所实施的处理类似。在检测到故障的情况下，将该故障报告给开关控制电路SWC2，该电路根据检测到的故障的严重程度中止换流器OT2的运行或控制为降级模式。在本发明的该实施例中，由于功率模块中的每一个配备有其自身的声音传感器，因此相对于图1的实施例，对功率模块中的故障的检测变得容易了。

应注意到，本发明的方法适用于功率开关电子装置中的故障的空间定位。因此，可以借助于例如三个声音传感器来实现该空间定位功能，该三个声音传感器分别沿着限定空间坐标系的三个不同方向轴(X、Y、Z)设置。故障的空间定位根据这三个传感器所提供的声信号推导出。

图3示出了功率模块PM2_A的示例，该模块包括声音传感器CA_A并适于集成到换流器OT2。

此处的功率模块PM2_A具有常规的平面配置，并且包括固定在DBC(英文中的“直接键合铜”)类型的衬底上的电子芯片P1、P2。模块PM2_A的壳体CAS在此处是通过使用树脂二次成型制成的。应注意到，在其他实施例中，功率模块PM2_A将包括包含芯片并填充有绝缘胶的的壳体。

在图3的剖视图中示出的芯片P1和P2分别是开关支路的晶体管TI及其相关二极管DI(参照图1)。芯片P1和P2焊接到衬底SUB的铜质上表面。铜质导体CU和键合线BO确保电气连接到功率模块PM2_A的内部并与外部的连接接头BC电连接。衬底SUB的铜质下表面钎焊到金属基板SEM。基板SEM与散热器DIS紧密热接触。散热器DIS在此处是载热流体CAL循环类型。

如图3所示，声音传感器CA_A设置在空腔HO中，该空腔HO设置在功率模块PM2_A的成型壳体CAS中。声音传感器CA_A通常是压电型超声波检测器，其谐振频率基本上对应于功率模块的开关频率，例如大约40kHz。空腔HO的形状和尺寸被选择成改进传感器CA_A对声波信号的接收。可选地，可以将多孔材料板PP设置在空腔HO中，以便滤除声波中的噪声。

本发明不限于此处作为示例描述的特定实施例。根据本发明的应用，本领域技术人员可以进行属于所附权利要求范围内的各种修改和变型。

Claims (10)

1.一种对功率开关电子装置(PM、OT₁、OT₂)进行故障检测和保护的方法，所述方法利用热声效应并包括以下步骤：

a)在所述功率开关电子装置(PM、OT₁、OT₂)运行时，在所述功率开关电子装置中检测由热声效应产生的声信号(SA)；

b)确定(FFT)所述检测到的声信号(SA)的频谱，并且根据所述频谱获得与检测到的所述声信号(SA)关联的频谱识别特征(SEP)；

c)将所述频谱识别特征(SEP)与多个参考频谱识别特征(Sgn)进行比较(CSG)，并且

d)当在用于在所述频谱识别特征(SEP)和所述多个参考频谱识别特征(Sgn)之间进行比较的所述比较步骤c)中识别出至少一个重合时，判定(CSG)在所述功率开关电子装置(PM、OT₁、OT₂)中至少存在一个故障。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述确定步骤b)包括对所述检测到的声信号(SA)的所述频谱进行傅里叶变换(FFT)计算。

3.一种用于实施根据权利要求1或2所述的方法的故障检测和保护装置，所述装置用于监测可能出现故障的功率开关电子装置(PM、OT₁、OT₂)，其特征在于，所述装置至少包括声音传感器(CA、CA_A、CA_B、CA_C)、具有放大装置(AP)和模数转换装置(CAN)的输入接口(IT、IT2)、以及数字信号处理单元(SPU、SPU2)，所述数字信号处理单元(SPU、SPU2)包括适于计算由所述声音传感器(CA、CA_A、CA_B、CA_C)检测到的声信号(SA)的频谱识别特征(SEP)的频谱识别特征计算软件模块(FFT)、适于存储多个参考频谱识别特征(Sgn)的存储器(MEM)、以及比较和故障判定软件模块(CSG)，根据在所述检测到的声信号(SA)的所述频谱识别特征(SEP)与存储在所述存储器(MEM)中的所述多个参考频谱识别特征(Sgn)之间识别出的至少一个重合，所述比较和故障判定软件模块检测在所述功率开关电子装置(PM、OT₁、OT₂)中至少一个故障的存在。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，包括多个声音传感器(CA_A、CA_B、CA_C)，并且所述输入接口(IT2)是具有多个声信号输入通道的类型并还包括采样装置。

5.根据权利要求3或4所述的装置，其特征在于，当检测到故障时，所述数字信号处理单元(SPU、SPU2)输出针对处于监控下的所述功率开关电子装置(PM、OT₁、OT₂)的故障信号(DI、DI_ABC)。

6.根据权利要求3至5中任一项所述的装置，其特征在于，当检测到故障时，所述数字信号处理单元(SPU)输出故障警报(WA)，所述故障警报(WA)包括指示或未指示出故障类型的光、声信号或在屏幕上的显示。

7.根据权利要求3至6中任一项所述的装置，其特征在于，包括至少一个超声波传感器。

8.一种功率开关电子组装件，其至少包括功率开关电子装置(PM、OT₁、OT₂)以及相关联的故障检测和保护装置(DEP；CA_A、CA_B、CA_C、UC)，其特征在于，所述相关联的故障检测和保护装置(DEP；CA_A、CA_B、CA_C、UC)是根据权利要求3至6中任一项所述的装置。

9.根据权利要求8所述的组装件，其特征在于，当检测到故障时，所述相关联的故障检测和保护装置(DEP；CA_A、CA_B、CA_C、UC)控制所述功率开关电子装置(PM、OT₁、OT₂)中止运行或在降级模式下运行。

10.根据权利要求8或9所述的组装件，其特征在于，所述功率开关电子装置(PM2_A)是功率模块、变换器或换流器的形式，并且包括至少一个空腔(HO)，在所述空腔中设置有声音传感器(CA_A)。

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