CN111562477A - 功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统 - Google Patents

功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统 Download PDF

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CN111562477A CN201910085317.2A CN201910085317A CN111562477A CN 111562477 A CN111562477 A CN 111562477A CN 201910085317 A CN201910085317 A CN 201910085317A CN 111562477 A CN111562477 A CN 111562477A
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徐霄宇
刘洋
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Abstract

本发明公开了一种功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统，包括：电压电流检测单元、器件开关特性计算单元、结温‑开关特性‑电流关系表单元、结温及结温变化率估计单元、故障演变状态及分类判别单元。本发明系统利用电力电子系统的外部可测量信号，通过对特征参数的选择和提取，实现对功率半导体器件的在线状态监测和故障判定，具有实施简便、准确性高的优点。

Description

功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统
技术领域
本发明属于电性能的测试以及电故障判定领域，具体涉及功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统。
背景技术
随着世界各国经济的不断发展，各行业迫切需要基于电力电子技术的能量变换装置。目前，电力电子系统已有非常广泛的应用案例，例如变频调速、电能质量控制、机载牵引、风电和光伏并网发电、分布式独立电力系统、大型冶炼等领域，其应用范围不断扩大。通常，电力电子装置在不同类型的系统中完成电能变换的功用，是基于电能变换的系统中最为关键的部件，故该装置对系统整体性能起着异常重要的影响作用。如果系统中电力电子装置先兆失效症状出现，且未能快速地有效地完成系统失效过程的预测并采取实时的有效的维护措施，则可能造成严重的后果和巨额的经济损失。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半导体器件的电应力、热应力或机械应力等因素引起。因此，对于应用电力电子装置的不同行业及领域的系统来讲，监测功率半导体器件的健康状态对提高电力电子系统的整体的可靠性具有重要的意义。
电力电子系统中功率半导体器件的状态监测和故障判定的研究还处于初期阶段。目前，现有技术主要利用传感器监测功率半导体器件各种电参数实现器件健康状态评估与故障判定，常用的器件电参数包括器件通态压降、电压变化率、门极开启电压、米勒平台宽度等，但是，现有技术面临以下两方面的挑战：一方面，由于半导体器件的高功率密度，在器件内部嵌入传感器非常困难；另一方面，这些器件参数往往受多因素影响，难以直接反映器件故障情况，特别是不断变化的电力电子系统运行工况(电压、电流、频率、环境温度)往往造成器件参数明显波动，使得器件故障引起的参数微弱变化难以发现，影响了故障判定的准确性。以监测IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)通态压降来判定键合线故障为例：从空载到满载，IGBT通态电压将在0.5V～1.5V范围内明显变化；而温度变化也会引起通态压降变化(约10％)；但键合线故障引起通态压降的变化仅为5％(典型值)，这样微弱的通态压降的变化难以被发现。可见，选择合适的故障特征参数以及故障特征提取方法是功率半导体器件的状态监测和故障判定技术中的基础及难点，关于这一问题的研究对于提高电力电子电路的可靠性非常关键。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统，利用电力电子系统的外部可测量信号，通过对特征参数的选择和提取，实现对功率半导体器件的在线状态监测和故障判定，具有实施简便、准确性高的优点。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统，包括：电压电流检测单元、器件开关特性计算单元、结温-开关特性-电流关系表单元、结温及结温变化率估计单元、故障演变状态及分类判别单元，其中，所述电压电流检测单元与所述器件开关特性计算单元相连，所述电压电流检测单元与所述结温及结温变化率估计单元相连，所述器件开关特性计算单元与所述结温及结温变化率估计单元相连，所述结温-开关特性-电流关系表单元与所述结温及结温变化率估计单元相连，所述结温及结温变化率估计单元与所述故障演变状态及分类判别单元相连。
在本发明的一些具体实施例中，所述电压电流检测单元用于检测功率半导体器件的电流和电压量。
在本发明的一些具体实施例中，所述电压电流检测单元包括依次连接的电压电流传感器、电压电流调理电路、电压电流数据储存单元和输出单元，其中，所述电压电流传感器用于采集功率半导体器件的电压和电流信号，获得相应的电压波形和电流波形，并传输至所述电压电流调理电路；所述电压电流调理电路用于对采集的所述电压和电流信号进行放大而得到调理后的电压和电流信号，并将其发送到所述电压电流数据储存单元；所述电压电流数据储存单元用于存储调理后的电压和电流信号并将其发送到所述输出单元，所述输出单元同时与所述器件开关特性计算单元、所述结温及结温变化率估计单元连接，并将调理后的电压和电流信号传输至所述器件开关特性计算单元、所述结温及结温变化率估计单元。
在本发明的一些具体实施例中，所述器件开关特性计算单元用于计算功率半导体器件的开关特性信号，所述开关特性信号包括开通时间、关断时间、开通电压变化率及关断电压变化率。
在本发明的一些具体实施例中，所述器件开关特性计算单元包括开通时间计算单元、关断时间计算单元、开通电压变化率计算单元、关断电压变化率计算单元和数据储存单元。
在本发明的一些具体实施例中，所述结温-开关特性-电流关系表单元，用于存储预先获得的功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表。所述结温-开关特性-电流三维表反映的是：在功率半导体器件正常工作范围内，不同电流下所述功率半导体器件的开通时间与结温的关系、以及不同电流下所述功率半导体器件的关断时间与结温的关系。
在本发明的一些具体实施例中，所述结温及结温变化率估计单元，用于接收所述电压电流检测单元输出的电压电流信号、所述器件开关特性计算单元输出的开关特性信号、以及所述结温-开关特性-电流关系表单元中的结温-开关特性-电流三维表信息，并据此计算功率半导体器件的运行结温、结温变化率和热时间常数，并将所述运行结温、结温变化率和热时间常数的数据传输至所述故障演变状态及分类判别单元。
在本发明的一些具体实施例中，所述结温及结温变化率估计单元包括结温估计单元和结温变化率估计单元，其中，所述结温估计单元用于在线接收所述电压电流检测单元输出的功率半导体器件的实时电流信号和所述器件开关特性计算单元输出的所述功率半导体器件的开关特性信号，并调取所述结温-开关特性-电流关系表单元中的所述功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表，将所述电流信号与开关特性信号代入所述结温-开关特性-电流三维表，通过查表估计所述功率半导体器件的运行结温；所述结温变化率估计单元用于根据估计的运行结温以及相应时刻，计算热时间常数和各时刻对应的结温变化率。
在本发明的一些具体实施例中，所述故障演变状态及分类判别单元，用于接收由所述结温及结温变化率估计单元输出的运行结温、结温变化率和热时间常数的信息，并据此判断所述功率半导体器件是否异常及故障演变类型，以及输出异常报警信号到异常报警与输出单元。
在本发明的一些具体实施例中，所述故障演变状态及分类判别单元包括结温异常判别单元、结温变化率异常判别单元和异常报警与输出单元。
在本发明的一些具体实施例中，所述结温异常判别单元将所述结温估计单元输出的所述功率半导体器件的运行结温与所述功率半导体器件的正常结温进行对比，并判断所述功率半导体器件的运行结温是否超过所述功率半导体器件的正常工作范围，进而判断所述功率半导体器件是否异常以及判别故障演变类型。
在本发明的一些具体实施例中，所述结温变化率异常判别单元将所述结温变化率估计单元输出的所述功率半导体器件的结温变化率与所述功率半导体器件的正常结温变化率进行对比，将所述结温变化率估计单元输出的所述功率半导体器件的热时间常数与所述功率半导体器件的正常热时间常数进行对比，并判断所述功率半导体器件的结温变化率和热时间常数是否超过所述功率半导体器件的正常工作范围，进而判断所述功率半导体器件是否异常以及判别故障演变类型。
在本发明的一些具体实施例中，所述异常报警与输出单元用于根据所述结温异常判别单元或结温变化率异常判别单元的判别结果，发出提示或警告，并对异常信息进行提示、储存以及通信输出。
本发明中，首先，通过电压电流检测单元对电力电子系统中变流器输出电压和电流进行测量，得到待测功率半导体器件的电压和电流；然后，由器件开关特性计算单元计算待测功率半导体器件的开通时间、关断时间、开通电压变化率和关断电压变化率；最后，结温估计单元将待测功率半导体器件的实时电流与开关特性信号代入预先获得的待测功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表，通过查表计算待测功率半导体器件运行结温，根据计算得到的待测功率半导体器件运行结温以及相应时刻，结温变化率估计单元绘制结温变化曲线，并计算热时间常数和各时刻对应的结温变化率。结温及结温变化率估计单元将估计的运行结温、结温变化率和热时间常数输出至故障演变状态及分类判别单元，故障演变状态及分类判别单元据此判断待测功率半导体器件是否异常以及判别故障演变类型。
与现有技术相比，本发明功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统具有以下有益的技术效果：
1)利用电力电子系统外部方便可测量的电气信号对内部功率半导体器件进行状态监测和故障判别，既不会破坏器件的内部结构，也不会对待测功率半导体器件的安全性存在潜在威胁，还避开复杂的数学模型(目前世界上对可靠性机理研究尚未成熟)，使得本发明的系统实施起来简便又可靠。
2)提出预先建立待测功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表，从多个维度考察与电力电子器件可靠性相关的特征参数，并基于该三维表和实时测量的数据，估计得到器件的结温变化特征，由此来进行状态监测和故障判定，可适应不断变化的电力电子系统运行工况(如电压、电流、频率)的影响，并保障故障判定的准确性。
附图说明
图1为本发明的功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统的结构示意图。
图2为电压电流检测单元的结构示意图。
图3为结温及结温变化率估计单元的结构示意图。
图4为故障演变状态及分类判别单元的结构示意图。
图5为一个典型的直-交变流器的结构示意图。
图6为图5的直-交变流器接入本发明的电压电流检测单元的结构示意图。
图7为待检测IGBT管(VT3)的结温-开关特性-电流关系表。
具体实施方式
为了更好地说明本发明，以便于理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细说明。应理解，下述的实施实例仅用于说明本发明，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
一种功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统，如图1所示，包括：电压电流检测单元1、器件开关特性计算单元2、结温-开关特性-电流关系表单元3、结温及结温变化率估计单元4、故障演变状态及分类判别单元5，其中，电压电流检测单元1与器件开关特性计算单元2相连，电压电流检测单元1与结温及结温变化率估计单元4相连，器件开关特性计算单元2与结温及结温变化率估计单元4相连，结温-开关特性-电流关系表单元3与结温及结温变化率估计单元4相连，结温及结温变化率估计单元4与故障演变状态及分类判别单元5相连。
在上述功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统中，电压电流检测单元1，用于检测待测功率半导体器件的电流和电压量。
电压电流检测单元1的结构如图2所示。电压电流检测单元1包括依次连接的电压电流传感器11、电压电流调理电路12、电压电流数据储存单元13和输出单元14。输出单元14与器件开关特性计算单元2连接，同时，输出单元14还与结温及结温变化率估计单元4连接。
电压电流传感器11用于采集待测功率半导体器件的电压和电流信号，并获得相应的电压波形和电流波形。为了便于捕获待测功率半导体器件上电压和电流中高速变化的上升沿或下降沿(有的情况下，上升沿或下降沿是快速变化但可能是微弱的变化)，电压电流传感器11优先选用高精度、高保真、高带宽的电压电流传感器。对于高精度的电压电流传感器11，电压、电流检测误差一般应小于1％额定值。
电压电流调理电路12用于对电压电流传感器11所采集的电压、电流信号进行放大，得到调理后的电压、电流信号。同样，电压电流调理电路12也要求高精度，一般情况下，电压、电流检测误差应小于1％额定值。
电压电流数据储存单元13用于接收和储存由电压电流调理电路12输出的调理后的电压、电流信号。
输出单元14用于调取电压电流数据储存单元13中储存的调理后的电压、电流信号，并将调理后的电压、电流信号传输到器件开关特性计算单元2进行处理，同时也将调理后的电压、电流信号传输到结温及结温变化率估计单元4。
在上述功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统中，器件开关特性计算单元2，用于计算各待测功率半导体器件的开关特性信号，开关特性信号包括开通时间、关断时间、开通电压变化率及关断电压变化率。这里，开通时间为待测功率半导体器件开通过程中器件电压的下降时间，关断时间为待测功率半导体器件关断过程中器件电压的上升时间，开通电压变化率为待测功率半导体器件开通过程中器件电压的变化率，关断电压变化率为待测功率半导体器件关断过程中器件电压的变化率。开通时间、关断时间、开通电压变化率及关断电压变化率，可以根据电压电流检测单元1输出的待测功率半导体器件的电压波形来进行计算。
具体来说，器件开关特性计算单元2，包括开通时间计算单元、关断时间计算单元、开通电压变化率计算单元、关断电压变化率计算单元和数据储存单元。
在功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统中，结温-开关特性-电流关系表单元3，用于存储预先获得的各待测功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表。
存储在结温-开关特性-电流关系表单元3的结温-开关特性-电流三维表，反映的是：在待测功率半导体器件的正常工作范围内，不同电流下待测功率半导体器件的开通时间与结温的关系、以及不同电流下待测功率半导体器件的关断时间与结温的关系。结温-开关特性-电流三维表可以在待测功率半导体器件的正常工作范围内通过一系列双脉冲测试标定来预先得到。
在功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统中，结温及结温变化率估计单元4，用于接收电压电流检测单元1输出的电压电流信号、器件开关特性计算单元2输出的开关特性信号、以及结温-开关特性-电流关系表单元3输出的结温-开关特性-电流三维表信息，并据此计算各待测功率半导体器件的运行结温、结温变化率和热时间常数。
结温及结温变化率估计单元4，其结构如图3所示，包括：结温估计单元41和结温变化率估计单元42。
在电力电子系统的工作过程中，结温估计单元41在线接收电压电流检测单元1输出的待测功率半导体器件的实时电流信号和器件开关特性计算单元2输出的待测功率半导体器件的实时开关特性信号(开通时间和关断时间)，并调取结温-开关特性-电流关系表单元3中的待测功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表，将实时电流与开关特性信号代入待测功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表，结温估计单元41通过查表计算待测功率半导体器件的运行结温。具体来说，根据开关器件工作时的电流和关断时间来估计该器件结温，或根据开关器件工作时的电流和开通时间来估计与该器件换流所对应的功率二极管结温。
进一步，结温变化率估计单元42根据上述计算得到的待测功率半导体器件的运行结温以及相应时刻，绘制结温随时间变化的曲线，并计算热时间常数和各时刻对应的结温变化率(将估计所得的运行结温对时间求导，就可以直接计算出待测功率半导体器件的结温变化率)。
在功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统中，故障演变状态及分类判别单元5，用于接收由结温及结温变化率估计单元4输出的待测功率半导体器件的运行结温、结温变化率和热时间常数的信息，并据此判断电力电子系统中各待测功率半导体器件是否异常及故障演变类型，以及输出异常报警信号到异常报警与输出单元。
故障演变状态及分类判别单元5，其结构如图4所示，包括结温异常判别单元51，结温变化率异常判别单元52、异常报警与输出单元53。
结温异常判别单元51将结温估计单元41输出的待测功率半导体器件运行结温与待测功率半导体器件的正常结温进行对比，并判断待测功率半导体器件的运行结温是否超过待测功率半导体器件运行的正常工作范围，进而判断待测功率半导体器件是否异常以及判别故障演变类型。例如，判断IGBT模块是否发生铝键合线脱落或断裂故障。IGBT模块内的硅芯片与外部的电气互联由铝键合线完成。当铝键合线部分脱落或断裂时，会导致模块导电性能退化，芯片的等效电阻增大，内部损耗功率增加，继而热源产热增加。当结温异常判别单元51发现在相同散热条件下器件结温在波动过程中从初始值到稳态值的变化幅度增大即可以判断其发生铝键合线脱落或断裂故障。再例如，判断IGBT模块是否发生了暂态过温故障。当结温异常判别单元51发现器件结温剧烈增加并超过器件能够正常承受的温度阈值(如150℃)，即可判定器件发生了暂态过温故障。
结温变化率异常判别单元52将结温变化率估计单元42输出的待测功率半导体器件的结温变化率与待测功率半导体器件的正常结温变化率进行对比，将结温变化率估计单元42输出的待测功率半导体器件的热时间常数与待测功率半导体器件的正常热时间常数进行对比，并判断待测功率半导体器件的结温变化率和热时间常数是否超过待测功率半导体器件的正常工作范围，进而判断待测功率半导体器件是否异常以及判别故障演变类型。例如，判断IGBT模块是否发生焊层老化故障。当焊层老化时，会导致模块散热性能退化，有效接触面积减小，模块内部热阻增大，表现为特定热激励下模块结温增加，响应速度变快，即热时间常数变小。当结温变化率异常判别单元52发现器件结温变化率处于减小状态并且热时间常数变小，即可判定器件发生焊层老化故障。
热时间常数指的是：冷启动过程中，待测功率半导体器件的运行结温从环境温度逐渐上升并达到平衡的时间。冷启动指的是停机较长时间后内部温度下降到环境温度，然后再启动正常运行。例如，电动汽车驱动器在每天早上的第一次启动就属于冷启动。在冷启动过程中，待测功率半导体器件正常运行发热，结温逐渐上升并最终达到新的热平衡。在基于前述各单元的数据在线估计待测功率半导体器件的运行结温后，可根据运行结温的变化特性得到热时间常数。
异常报警与输出单元53，用于根据结温异常判别单元51、结温变化率异常判别单元52的判别结果，对系统发出提示或警告，并对异常信息进行储存(提示、异常信息储存)以及通信输出(如采用Can通信)。
上述功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统中，首先，通过电压电流检测单元1对电力电子系统中变流器输出电压和电流进行测量，得到待测功率半导体器件的电压和电流；然后，由器件开关特性计算单元2计算待测功率半导体器件开通时间、关断时间、开通电压变化率和关断电压变化率；最后，结温估计单元41将待测功率半导体器件的实时电流与开关特性信号代入预先获得的待测功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表，通过查表计算待测功率半导体器件运行结温，根据计算得到的待测功率半导体器件运行结温以及相应时刻，结温变化率估计单元42绘制结温变化曲线，并计算热时间常数和各时刻对应的结温变化率。结温及结温变化率估计单元4将估计的运行结温、结温变化率和热时间常数输出至故障演变状态及分类判别单元5，故障演变状态及分类判别单元5据此判断待测功率半导体器件是否异常以及判别故障演变类型。
为了帮助更好地理解上述功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统的结构以及工作原理，以下将以图5所示的一个典型的变流器(直-交变流器)为例进行具体的说明。
图5中，VT1～VT6代表的是直-交变流器的6个开关器件，两个一组，接在直流母线两端；VD1～VD6分别是各开关器件的反并联二极管。A、B、C为三相输出端，直流母线(正端、负端)接在电容Ud两端。这是常规的直-交变换器电路(也称为逆变器电路)。
将上述功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统用于对图5所示的三相两电平变流器中的6个开关器件进行在线状态监测和故障判定，开关器件以IGBT为例。选择变流器的三相输出相电压(这里的三相输出相电压是指变流器的三相输出端的相对地电压，为相端子对直流母线负端端子的电压)和三相输出电流作为观测量。因此，在三相输出端分别安装电压探头，在三相输出端处分别安装电流探头。即，将电压电流检测单元1中电压电流传感器11的电流探头和电压探头接入到变流器中，获得相应的电流电压信号及数据。接入后完整的电路结构如图6所示。
在图6中，VT1～VT6代表的是直-交变流器的6个开关器件，两个一组，接在直流母线两端；VD1～VD6分别是各开关器件的反并联二极管。A、B、C为三相输出端，直流母线(正端、负端)接在电容Ud两端。
在图6中，TVa、TVb、TVc分别是变流器输出三相电压测量传感器，电压探头型号为TPP0500，带宽为150MHz，用来测量各待测IGBT模块中IGBT的集射极电压Vce，并获得其电压波形，从而得到变流器A、B、C三相电压波形；TAa、TAb、TAc分别是变流器输出三相电流测量传感器，电流探头型号为CP8030B，带宽为50MHz，用来测量流过各待测IGBT模块中IGBT的变流器输出相电流Ic，并获得其电流波形，从而得到变流器A、B、C三相相电流波形。最右侧的星型连接的三相阻抗电路代表交流负载(如电机)。
如前所述，在电压电流传感器11采集到待测IGBT的电压和电流信号，并获得相应的电压波形和电流波形后，由电压电流调理电路12对信号进行放大从而得到调理后的电压电流信号，经电压电流数据储存单元13和输出单元14，同时传输给器件开关特性计算单元2和结温及结温变化率估计单元4。
根据电压电流检测单元1输出的待测IGBT的电压波形，器件开关特性计算单元2可以计算得到相应的开关特性信号。其中，开通时间等于IGBT集射电压Vce从90％下降到10％直流电压的时间；关断时间等于IGBT集射电压Vce从10％上升到90％直流电压的时间；开通电压变化率等于80％直流电压与IGBT集射电压Vce从90％下降到10％直流电压的时间之间的比率；关断电压变化率等于80％直流电压与IGBT集射电压Vce从10％上升到90％直流电压的时间之间的比率。
下面以图6中A相上下管IGBT(VT1与VT4)开关时间测量为例进行说明。当电流大于零时，A相上管IGBT(VT1)工作，测得的A相电压上升沿对应于上管IGBT(VT1)开通过程，测得的A相电压下降沿对应于上管IGBT(VT1)关断过程；当电流小于零时，A相下管IGBT(VT4)工作，测得的A相电压上升沿对应于下管IGBT(VT4)关断过程，测得的A相电压下降沿对应于下管IGBT(VT4)开通过程。根据开通和关断过程中各IGBT的电压(或电压波形)，就可以计算各IGBT的开通时间、关断时间、开通电压变化率、关断电压变化率。
在对变流器的6个IGBT进行在线状态监测和故障判定之前，还需要预先得到各IGBT的结温-开关特性-电流三维表。
在各IGBT的正常工作范围内，通过双脉冲测试标定，可以获得结温-开关特性-电流三维表。其具体过程如下：
这里以VT3为待检测IGBT管为例进行说明。
在关闭变流器冷却装置的条件下，将变流器与标准测试负载连接，通过控制待检测IGBT管VT3的栅极触发信号产生一定直流负载电流i(即，某一测试电流)。控制变流器通过负载自热加热待检测IGBT管VT3，使待检测IGBT管VT3的模块温度Tc逐渐升高到指定值Ts。等待检测IGBT管VT3内部达到热平衡后，闭锁待检测IGBT管VT3栅极信号以关断负载电流，让变流器处于停机冷却状态，使待检测IGBT管VT3的模块温度Tc从设定温度Ts缓慢下降。在待检测IGBT管VT3的模块温度Tc从设定温度Ts缓慢下降到某一测试温度的过程中，保持IGBT管VT2导通而其余IGBT管(VT1，VT4，VT5，VT6)处于关断状态，然后对VT3施加双脉冲，获取待检测IGBT管VT3的模块温度Tc(对应表中的结温Tj)和负载电流值i。
通过选择不同宽度的IGBT栅极脉冲，使不同大小的测试电流流过待检测IGBT管VT3，重复上述过程进行电流扫描；通过设定不同的测试温度进行电流扫描，实现温度扫描，由此获得待检测IGBT管VT3的结温-开关特性-电流三维表，如图7所示。
上述双脉冲测试包括开通与关断两个过程，因此可同时测量IGBT开通特性与关断特性。当测得的B相电流大于零时，B相上管IGBT(VT3)工作，测得的B相电压上升沿对应于上管IGBT(VT3)开通过程，测得的B相电压下降沿对应于上管IGBT(VT3)关断过程，相应地，可计算待检测IGBT管的开关特性参数(开通时间和关断时间)。
按照同样的方法，分别对其它各个IGBT管进行双脉冲标定测试，最终得到6个IGBT管的结温-开关特性-电流三维表，并将其预先存储在结温-开关特性-电流关系表单元3中，结温-开关特性-电流关系表单元3将结温-开关特性-电流三维表信息传输至结温及结温变化率估计单元4。
如此一来，结温及结温变化率估计单元4会接收电压电流检测单元1输出的电压电流信号、器件开关特性计算单元2输出的开关特性信号、以及结温-开关特性-电流关系表单元3输出的结温-开关特性-电流三维表信息。其中，结温估计单元41将待测IGBT的电流量与开关特性信号(开通与关断时间)代入结温-开关特性-电流三维表，通过查表来估计待测IGBT的运行结温。具体来说，根据IGBT工作时的电流和关断时间来估计该器件结温，或根据IGBT工作时的电流和开通时间来估计与该器件换流所对应的二极管结温。进一步，根据估计的待测IGBT(或二极管)的运行结温以及相应时刻，结温变化率估计单元42绘制结温随时间变化的曲线，并计算热时间常数和各时刻对应的结温变化率。
结温及结温变化率估计单元4计算得到的待测IGBT(或二极管)运行结温、结温变化率和热时间常数传送到故障演变状态及分类判别单元5，即可判断变流器中待测IGBT(或二极管)是否异常及故障演变类型，并即时输出异常报警信号到异常报警与输出单元。具体说明如下：
结温异常判别单元51将估计的待测IGBT(或二极管)运行结温与待测IGBT(或二极管)的正常结温进行对比，并判断待测IGBT(或二极管)的运行结温是否超过待测IGBT(或二极管)的正常工作范围，进而判断待测IGBT(或二极管)是否异常以及判别故障演变类型。例如，判断IGBT模块是否发生铝键合线脱落或断裂故障。IGBT模块内的硅芯片与外部的电气互联由铝键合线完成。当铝键合线部分脱落或断裂时，会导致模块导电性能退化，芯片的等效电阻增大，内部损耗功率增加，继而热源产热增加。当结温异常判别单元51发现在相同散热条件下器件结温在波动过程中从初始值到稳态值的变化幅度增大即可以判断其发生铝键合线脱落或断裂故障。再例如，判断IGBT模块是否发生了暂态过温故障。当结温异常判别单元51发现器件结温剧烈增加并超过器件能够正常承受的温度阈值(如150℃)，即可判定器件发生了暂态过温故障。
结温变化率异常判别单元52将估计的待测IGBT(或二极管)的结温变化率与待测IGBT(或二极管)的正常结温变化率对比，将估计的待测功率半导体器件的热时间常数与待测功率半导体器件的正常热时间常数进行对比，并判断待测IGBT(或二极管)的结温变化率和热时间常数是否超过待测IGBT(或二极管)的正常工作范围，进而判断待测IGBT(或二极管)是否异常以及判别故障演变类型。例如，判断IGBT模块是否发生焊层老化故障。当焊层老化时，会导致模块散热性能退化，有效接触面积减小，模块内部热阻增大，表现为特定热激励下模块结温增加，响应速度变快，即热时间常数变小。当结温变化率异常判别单元52发现结温变化率处于减小状态并且热时间常数变小，即可判定发生焊层老化故障。
基于结温异常判别单元51、结温变化率异常判别单元52的判别结果，异常报警与输出单元53对系统发出提示或警告，并对异常信息进行储存(提示、异常信息储存)以及通信输出(如采用Can通信)。
本领域技术人员可以理解，本发明的功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统不仅适用于图5所示的直-交变流器，更适用于所有的变流器(直-交变流器、交-直变流器、直-直变流器)。
本领域技术人员可以理解，变流器中各功率半导体器件，包括开关器件与功率二极管等，典型的开关器件有IGBT或MOSFET等。对于常见的阻感性负载(如电机、并网变流器等)，开关器件(如IGBT)开通过程实际上是IGBT与功率二极管换流的过程，IGBT开通时间主要由门极电阻、IGBT MOS沟道跨导纳gm以及二极管反向恢复时间决定。其中前两个因素对温度不敏感，而反向恢复时间随二极管结温明显增加。因此利用IGBT开通时间可以估计功率二极管结温。因此，本发明系统既适用于开关器件，也适用于功率二极管。
由此可见，本发明的目的已经完整并有效的予以实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。本发明包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。

Claims (9)

1.一种功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统，其特征在于，包括：电压电流检测单元、器件开关特性计算单元、结温-开关特性-电流关系表单元、结温及结温变化率估计单元、故障演变状态及分类判别单元，其中，所述电压电流检测单元与所述器件开关特性计算单元相连，所述电压电流检测单元与所述结温及结温变化率估计单元相连，所述器件开关特性计算单元与所述结温及结温变化率估计单元相连，所述结温-开关特性-电流关系表单元与所述结温及结温变化率估计单元相连，所述结温及结温变化率估计单元与所述故障演变状态及分类判别单元相连。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，
所述电压电流检测单元用于检测功率半导体器件的电流和电压量；
所述器件开关特性计算单元用于计算功率半导体器件的开关特性信号，所述开关特性信号包括开通时间、关断时间、开通电压变化率及关断电压变化率；
所述结温-开关特性-电流关系表单元，用于存储预先获得的功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表；
所述结温及结温变化率估计单元，用于接收所述电压电流检测单元输出的电压电流信号、所述器件开关特性计算单元输出的开关特性信号、以及所述结温-开关特性-电流关系表单元中的结温-开关特性-电流三维表信息，并据此计算功率半导体器件的运行结温、结温变化率和热时间常数，并将所述运行结温、结温变化率和热时间常数的数据传输至所述故障演变状态及分类判别单元；
所述故障演变状态及分类判别单元，用于接收由所述结温及结温变化率估计单元输出的运行结温、结温变化率和热时间常数的信息，并据此判断所述功率半导体器件是否异常及故障演变类型，以及输出异常报警信号到异常报警与输出单元。
3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压电流检测单元包括依次连接的电压电流传感器、电压电流调理电路、电压电流数据储存单元和输出单元，其中，所述电压电流传感器用于采集功率半导体器件的电压和电流信号，获得相应的电压波形和电流波形，并传输至所述电压电流调理电路；所述电压电流调理电路用于对采集的所述电压和电流信号进行放大而得到调理后的电压和电流信号，并将其发送到所述电压电流数据储存单元；所述电压电流数据储存单元用于存储调理后的电压和电流信号并将其发送到所述输出单元，所述输出单元同时与所述器件开关特性计算单元、所述结温及结温变化率估计单元连接，并将调理后的电压和电流信号传输至所述器件开关特性计算单元、所述结温及结温变化率估计单元。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述器件开关特性计算单元包括开通时间计算单元、关断时间计算单元、开通电压变化率计算单元、关断电压变化率计算单元和数据储存单元。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述结温及结温变化率估计单元包括结温估计单元和结温变化率估计单元，其中，所述结温估计单元用于在线接收所述电压电流检测单元输出的功率半导体器件的实时电流信号和所述器件开关特性计算单元输出的所述功率半导体器件的开关特性信号，并调取所述结温-开关特性-电流关系表单元中的所述功率半导体器件的结温-开关特性-电流三维表，将所述电流信号与开关特性信号代入所述结温-开关特性-电流三维表，通过查表估计所述功率半导体器件的运行结温；所述结温变化率估计单元用于根据估计的运行结温以及相应时刻，计算热时间常数和各时刻对应的结温变化率。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述故障演变状态及分类判别单元包括结温异常判别单元、结温变化率异常判别单元和异常报警与输出单元。
7.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述结温异常判别单元将所述结温估计单元输出的所述功率半导体器件的运行结温与所述功率半导体器件的正常结温进行对比，并判断所述功率半导体器件的运行结温是否超过所述功率半导体器件的正常工作范围，进而判断所述功率半导体器件是否异常以及判别故障演变类型。
8.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述结温变化率异常判别单元将所述结温变化率估计单元输出的所述功率半导体器件的结温变化率与所述功率半导体器件的正常结温变化率进行对比，将所述结温变化率估计单元输出的所述功率半导体器件的热时间常数与所述功率半导体器件的正常热时间常数进行对比，并判断所述功率半导体器件的结温变化率和热时间常数是否超过所述功率半导体器件的正常工作范围，进而判断所述功率半导体器件是否异常以及判别故障演变类型。
9.如权利要求6所述的系统，其特征在于，所述异常报警与输出单元用于根据所述结温异常判别单元或结温变化率异常判别单元的判别结果，发出提示或警告，并对异常信息进行提示、储存以及通信输出。
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