CN111650489A - 监测基于晶体管的功率转换器的工作条件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于监测基于晶体管的功率转换器(102)的工作条件的工作条件监测器(100)，该工作条件监测器包括：感测设备(106)，该感测设备被配置为测量该功率转换器(102)的关断瞬态能量；处理器(108)，该处理器与该感测设备(106)通信以接收该关断瞬态能量的测量值，该处理器被配置为：将该关断瞬态能量的该测量值与阈值进行比较；以及基于与该阈值的该比较满足比较标准而发出事件信号。还公开了监测基于晶体管的功率转换器的工作状态的方法(200,200')。

Description

监测基于晶体管的功率转换器的工作条件
技术领域
本公开涉及用于监测基于晶体管的功率转换器的工作条件的工作条件监测器。本公开还涉及监测基于晶体管的功率转换器的工作条件的方法。该功率转换器可以是用于提供电力转换的任何基于晶体管的器件。
背景技术
功率半导体器件已在可再生能源、航空航天和船舶应用中占据领先地位。然而，由于功率半导体器件暴露于电应力、热应力和机械应力的事实，这些部件的故障率相对较高，并且发现这是降低整个系统的可靠性的主要原因。因此，半导体功率器件或晶体管的可靠性是功率转换器中的关键考虑因素之一，尤其是在安全任务关键应用中。已经付出了许多努力来减少磨损故障，诸如焊料管芯劣化所引起的键合线脱落，其中焊料管芯劣化是由热膨胀系数(CTE)的失配引起的器件老化所导致的。这种热失配相关劣化的主要原因是来自工作条件(主动功率循环)的温度摆动或由于环境条件(被动温度循环)的温度摆动。
据估计，变速传动系统中约38％的故障是由功率器件或晶体管的故障引起的。逆变器故障是危险的，尤其是在飞行器应用和船舶应用中。这些应用通常需要适当的热管理系统来确保功率器件或晶体管避免发生热失控故障。尽管在提高功率半导体器件的可靠性方面从事了大量的工作，但仍然不断地目击功率电子器件的故障。虽然功率半导体是坚固的，但是它们遭受由于在许多应用中出现的电应力和热应力引起的故障，尤其是因为许多功率转换器以具有变化的工作电流的高感性负载连续工作。另外，当系统热管理不是最佳时，功率半导体的工作条件可能更为不利，并且这将最终触发功率模块磨损故障。因此，在安全关键应用中，过早发生故障可能导致系统完全关闭，并因此降低整个系统的可靠性。
解决该问题的一个解决方案是执行主动健康监测以便早期诊断潜在故障，从而增加可靠性并通过合适的预测方法来进行功率转换器的寿命估计。这在诸如航空电子设备、船舶、高铁和风力涡轮之内的任务关键应用中尤其受到关注，在这些应用中，直到下一个预定的维修期之前都不允许发生故障。
一般来讲，健康监测方法涉及监测指示即将发生的故障的适当参数。故障前兆参数是指示器件正在老化或即将出现故障的事件或一系列情况的指征。检测功率半导体器件的老化或故障更具挑战性，因为大多数现有技术只能够在最终阶段而不是在初期阶段识别故障机制。另外，大多数现有技术并不适合与现成的功率转换器一起使用，因为它们需要对器件本身的部件进行定制修改。
已知有几种基于故障前兆参数的方法用于监测由劣化或老化引起的功率器件或晶体管潜在故障。
Smet等人(V.Smet、F.Forest、J.-J.Huselstein、A.Rashed和F.Richardeau，“Evaluation of monitoring as a real-time method to estimate aging of bondwire-IGBT modules stressed by power cycling,”IEEE Transactions on IndustrialElectronics，第60卷，第2760-2770页，2013年)公开了功率循环测试以及使用八个IGBT样品在热过应力方面研究器件导通状态电压(VCE,on)响应。Smet等人报道了老化的功率器件或晶体管的器件导通状态电压(VCE,on)与老化后相比增加了差不多5％至8％(Smet等人的图1中所示)。这种变化归因于功率半导体器件的磨损故障。应用VCE,on来监测功率转换器故障具有挑战性。这主要是由于在劣化期间导通状态电压的变化被切换过程中的信号噪声或干扰所淹没，从而导致错误的识别。另外，该技术需要在高电压下进行测量，使得需要电压钳位以准确地测量电压。二极管的劣化行为也可能影响测量，并且难以将这种参数变化与测量分离。
重复的热机械应力可能导致焊料层中的裂纹。这些裂纹缩小了硅管芯中的到散热器的有效散热面积。因此，IGBT模块的热阻增大。这将最终导致器件的结温升高，并最终导致热失控或二次击穿。在器件工作期间，直接测量焊料裂纹或焊料疲劳很困难。基于热阻(Rth)的技术可以适用于监测功率转换器中的焊料疲劳故障。Coquery等人(G.Coquery和R.Lallemand，“Failure criteria for long term Accelerated Power Cycling Testlinked to electrical turn off SOA on IGBT module.A 4000hours test on 1200A–3300V module with AlSiC base plate,”Microelectronics reliability，第40卷，第1665-1670页，2000年)进行了4000小时的功率循环测试，同时监测了相对于劣化的热阻(Rth)变化。结果显示，热阻(Rth)值从其初始值增加到20％。
对热阻进行估计需要结温和功率耗散信息。获得不容易直接测量的结温信息具有挑战性。因此，准确地估计功率器件或晶体管的结温很重要。估计功率器件或晶体管的结温的最常见方法是电热参数方法。在该方法(即，G.Coquery等人的方法)中，使用器件电参数(诸如导通状态电压、导通状态电阻和栅极阈值电压信息)来提取功率器件或晶体管的结温。然而，这些参数受器件老化的影响。因此，准确估计温度很困难，并且热阻难以用作定义功率转换器的老化的潜在参数。
美国专利8,103,463公开了基于切换行为分析的方法，该方法利用了功率模块的换向期期间振铃行为的变化。这需要测量逆变器的高压侧的电压或电流，并使用带通滤波器来提取高频振铃分量。该方法依赖于以下事实，即老化的功率转换器中的电压和电流波形的高频振铃中的阻尼系数和衰减增加。
发明内容
根据第一方面，提供了用于监测基于晶体管的功率转换器的工作条件的工作条件监测器，包括：
感测设备，所述感测设备被配置为测量所述功率转换器的关断瞬态能量，
处理器，所述处理器与所述感测设备通信以接收所述关断瞬态能量的测量值，所述处理器被配置为：
将所述关断瞬态能量的所述测量值与阈值进行比较；并且
基于与所述阈值的所述比较满足比较标准而发出事件信号。
工作条件监测器可以利用基于晶体管的功率转换器的关断切换能量的测量值，以便检测器件的劣化和潜在故障。关断瞬态能量的这种变化可以提供劣化的指示，诸如由于功率转换器的晶体管内的焊料管芯劣化而导致的焊丝剥离。否则，在器件工作期间可能难以检测到这种劣化。通过检测关断切换能量的变化，可以提供改进的健康监测和剩余使用寿命(RUL)估计。
该感测设备可以包括：电流传感器，该电流传感器被配置为测量功率转换器的关断瞬态电流；电压传感器，所述电压传感器被配置为测量所述功率转换器的关断瞬态电压；乘法器电路，所述乘法器电路被配置为将所述关断瞬态电流的测量值与所述关断瞬态电压的测量值相乘，以获得关断瞬态功率的测量值；以及积分器电路，该积分器电路被配置为对关断瞬态功率的测量值进行积分以获得关断瞬态能量的测量值。
通过测量关断瞬态电流和关断瞬态电压，连同对所得的测量值进行积分和相乘，可以获得关断瞬态功率和关断瞬态能量。
电流传感器可以包括罗果夫斯基线圈。这可以允许使用功率转换器外部的部件来测量关断瞬态电流。这可能有助于与现成的功率转换器一起使用。
电压传感器可以包括电容器。电容器可以是米勒电容器或集电极电容器。
感测设备可以被布置成测量设置在功率转换器中的一个或多个功率器件的关断瞬态电压。电压传感器可以包括被布置成测量一个或多个功率器件的关断瞬态电压的一个或多个相应的米勒电容器。功率器件可以是晶体管。
感测设备可以被布置成测量功率转换器的一个或多个相脚的关断瞬态电压。电压传感器可以包括被布置成测量一个或多个相脚的关断瞬态电压的一个或多个相应的集电极电容器。
感测设备可以被配置为：通过测量功率转换器的多个部分(例如，单独的功率器件、晶体管或相脚)中的每个部分的关断瞬态能量来测量功率转换器的关断瞬态能量，并且处理器可以被配置为将这些部分中的一个部分的关断瞬态能量的测量值与阈值进行比较。
处理器可以被配置为：通过将功率转换器的多个部分中的每个部分的关断瞬态能量的测量值相对于功率转换器的每个相应部分或整体功率转换器的工作参数归一化，来将关断瞬态能量的测量值归一化，以获得功率转换器的每个部分的关断瞬态能量的归一化测量值。
阈值可以是功率转换器的多个部分中的另一个部分的关断瞬态能量的测量值。附加地或另选地，阈值可以是功率转换器的多个部分中的每个部分的关断瞬态能量的测量值的平均值。
处理器可以被进一步配置为识别功率转换器的多个部分中具有与阈值的最大偏差的一个部分。事件信号可以指示功率转换器的所识别部分。处理器可以被配置为输出控制信号以修改功率转换器的所识别部分的工作参数。
处理器可以被配置为通过将关断瞬态能量的测量值相对于功率转换器的工作参数归一化，来获得关断瞬态能量的归一化测量值。与阈值相比的关断瞬态能量的测量值可以是归一化测量值。工作参数可以基于设置在功率转换器中的晶体管的结温。通过将测量值归一化，可以将由劣化导致的变化与由其他原因(例如，变化的工作条件)导致的瞬态关断能量的变化区分开。
阈值可以是存储的参考值。这可以允许将关断瞬态能量的测量值与正常工作的器件(即，没有劣化的器件)的预期值进行比较。
处理器可以被布置成将事件信号输出至功率转换器的控制器。控制器可以基于事件信号来修改功率转换器的工作参数。响应于事件信号，控制器可以被配置为激活功率转换器的冗余部分或电路(例如，冗余晶体管、相脚或逆变器)。
根据第二方面，提供了监测基于晶体管的功率转换器的工作状态的方法，包括：
测量所述功率转换器的关断瞬态能量；
将所述关断瞬态能量的测量值与阈值进行比较；以及
基于所述比较满足比较标准而发出事件信号。
测量功率转换器的关断瞬态能量可以包括：
测量所述功率转换器的关断瞬态电流；
测量所述功率转换器的关断瞬态电压；
将所述关断瞬态电流的测量值与所述关断瞬态电压的测量值相乘，以获得所述关断瞬态功率的测量值；以及
对所述关断瞬态功率的所述测量值进行积分以获得所述关断瞬态能量的所述测量值。
可以使用罗果夫斯基线圈来测量关断瞬态电流。
可以使用电容器来测量关断瞬态电压。电容器可以是米勒电容器或集电极电容器。
设置在功率转换器中的一个或多个功率器件的关断瞬态电压可以使用被布置成测量一个或多个功率器件的关断瞬态电压的一个或多个相应的米勒电容器来测量。
功率转换器的一个或多个相脚的关断瞬态电压可以使用被布置成测量一个或多个相脚的关断瞬态电压的一个或多个相应的集电极电容器来测量。
功率转换器可以包括多个部分(例如，单独的功率器件、晶体管或相脚)。
测量功率转换器的关断瞬态能量可以包括测量功率转换器的多个部分中的每个部分的关断瞬态能量。该方法还可以包括将功率转换器的每个部分的关断瞬态能量的测量值相对于功率转换器的该部分的或该功率转换器的工作参数归一化，以获得功率转换器的每个部分的关断瞬态能量的归一化测量值。
将关断瞬态能量的测量值与阈值进行比较可以包括：执行功率转换器的多个部分中的一个部分的关断瞬态能量的测量值与功率转换器的另一个部分的关断瞬态能量的测量值的比较；以及/或者执行功率转换器的多个部分中的一个部分的关断瞬态能量的测量值与功率转换器的多个部分中的每个部分的关断瞬态能量的平均测量值的比较。
该方法还可以包括识别功率转换器的多个部分中具有与阈值的最大偏差的一个部分。
该方法还可以包括修改功率转换器的该部分的工作参数。事件信号可以指示功率转换器的所识别部分。该方法可以包括输出控制信号以修改功率转换器的所识别部分的工作参数。
该方法还可以包括将关断瞬态能量的测量值相对于功率转换器的工作参数归一化，以获得关断瞬态能量的归一化测量值。与阈值相比的关断瞬态能量的测量值于是可以是归一化测量值。工作参数可以是设置在功率转换器中的晶体管的结温。
将关断瞬态能量的测量值与阈值进行比较可以包括将测量的关断瞬态能量与存储的参考值进行比较。
发出事件信号可以包括将该事件信号输出至功率转换器的控制器，并且基于该事件信号修改功率转换器的工作参数。该方法还可以包括响应于事件信号被发出而激活功率转换器的冗余备用部分。
本领域的技术人员将理解，除非相互排斥，否则关于任何一个上述方面描述的特征或参数可应用于任何其他方面。此外，除非相互排斥，否则本文中描述的任何特征或参数可应用于任何方面以及/或者与本文中描述的任何其他特征或参数组合。
附图说明
现在将仅通过示例的方式参考附图来描述实施方案，附图仅为示意图并且未按比例绘制，并且在附图中：
图1是根据一个实施方案的工作条件监测器和基于晶体管的功率转换器的示意图；
图2A是根据一个实施方案的工作条件监测器和基于晶体管的功率转换器的示意图；
图2B是根据一个实施方案的工作条件监测器和基于晶体管的功率转换器的另一个实施方案的示意图；
图3A是图2A中所示的工作条件监测器的感测设备的示意图；
图3B是图2B中所示的工作条件监测器的感测设备的示意图；
图4是功率转换器关断电流和测量的瞬态关断电流的曲线图；
图5是功率转换器关断电压和测量的瞬态关断电压的曲线图；
图6是劣化和未劣化功率转换器的关断瞬态能量的曲线图；
图7示出了测量的关断瞬态能量和预期的关断瞬态能量的比较；
图8是在功率转换器的工作期内的关断瞬态能量的曲线图；
图9示出了监测基于晶体管的功率转换器的工作条件的方法的一个实施方案；并且
图10示出了监测基于晶体管的功率转换器的工作条件的方法的另一个实施方案。
具体实施方式
用于监测基于晶体管的功率转换器102的工作条件的工作条件监测器100示意性地在图1中示出。
被监测的基于晶体管的功率转换器102可以是采用一个或多个晶体管部件来提供电功率转换的任何功率转换器。在本实施方案中，功率转换器是三相AC-AC转换器，如将参照图2A和图2B进一步描述的。设置在功率转换器中的晶体管可以是本领域已知的任何类型，诸如IGBT、MOSFET、SiCMOSFET或GaN半导体器件。功率转换器可以用于提供或接收来自负载104的电功率。在其他实施方案中，功率转换器可以是例如AC至DC整流器、DC至AC逆变器或DC至DC转换器。负载可以是例如AC或DC马达或发电机。然而，工作条件监测器100可以用于监测任何类型的基于晶体管的功率转换器，并且不限于本文描述的示例。
工作条件监测器100包括感测设备106和处理器108。该感测设备被配置为测量功率转换器102的关断瞬态能量。感测设备106可以包括在功率转换器102外部的传感器，这些传感器被配置为提供测量值，从这些测量值可以导出关断瞬态能量。如稍后将描述的，关断瞬态能量的测量值可以从关断瞬态电压的测量值和关断瞬态电流的测量值导出。然而，测量或获得关断瞬态能量的其他方法也是可能的。例如，高带宽电流和电压传感器可以用于估计功率转换器的切换能量。
处理器108与感测设备106通信，以接收已经由传感器106测得的关断瞬态能量的测量值。在本实施方案中，由处理器接收关断瞬态能量的测量值，而不是实际关断瞬态能量本身。
处理器108被进一步配置为将关断瞬态能量的测量值与阈值进行比较。该处理器还被配置为基于关断瞬态能量的测量值与阈值的比较满足比较标准而发出事件信号。比较标准可以是关断瞬态的测量值达到或超过阈值。事件信号可以指示功率转换器102的工作条件已改变，因此可以用于指示功率转换器102的劣化。
工作条件监测器100使用基于晶体管的功率转换器的关断切换能量的测量值作为用于检测器件的劣化和潜在故障的前兆。关断瞬态能量的变化可以提供由于功率转换器的晶体管内的焊料管芯劣化而导致的焊丝剥离的指示。否则，在器件工作期间难以检测到这种劣化。通过检测关断切换能量的变化，可以提供改进的健康监测和剩余使用寿命(RUL)估计。功率转换器的其他形式的劣化也可以通过测量关断切换能量的变化来检测，并且条件监测器不限于仅检测这种类型的劣化。
处理器108可以被配置为通过将由感测设备106测得的关断瞬态能量的测量值归一化，来获得关断瞬态能量的归一化测量值。在这样的实施方案中，处理器108被配置为将关断瞬态能量的归一化测量值与阈值进行比较。归一化可以相对于功率转换器102的工作参数来执行。通过将关断瞬态能量的测量值归一化，可以将工作条件的变化对关断瞬态能量的影响与由其他因素(例如，由工作参数(诸如正被转换的电压或电流的幅值)的变化)导致的变化区分开。因此，与使用原始测量的关断瞬态能量值相比，归一化可以有助于提供对工作条件的准确测量。
在一些实施方案中，不需要将关断瞬态能量测量值归一化。例如，当关断瞬态能量测量值与其进行比较的阈值基于功率转换器的其他部分时，可能就是这种情况，如稍后将描述的。如果比较同一功率转换器的不同部分，则可以不需要归一化，因为那些部分可能正在类似的条件下工作。然而，在此类实施方案中仍然可以使用归一化。
图2A和图2B示出了其中工作条件监测器100测量功率转换器102的一个或多个单独部分的关断瞬态能量的实施方案。功率转换器的一个或多个单独部分可以包括该功率转换器的单独功率器件(例如晶体管)或单独相脚，如将在下文更详细描述的。
工作条件监测器100的一个实施方案在图2A中更详细地示出。
在图2A中所示的实施方案中，功率转换器102是耦接到马达104a形式的负载的三相AC-AC转换器。功率转换器102包括整流器110、电感器112、DC电容器链路114以及逆变器116，该逆变器被配置为以常规方式提供AC-AC转换。
在该示例中，整流器接收三相AC输入，并且逆变器包括六个相脚116a、116b、116c。每个相脚116a、116b、116c包括两个功率器件117a、117b、117c、117d、117e、117f，每个功率器件都包括晶体管。功率转换器102还可以包括控制器118。控制器可以是栅极驱动器，该栅极驱动器被布置成控制逆变器的相脚116a、116b、116c中的每一者的工作，以提供对器件输出的控制。
为了测量关断瞬态能量，传感器106可以包括瞬态关断电流传感器和瞬态关断电压传感器。在图2A所示的实施方案中，感测设备被布置成分别测量每个功率器件(例如每个晶体管)117a、117b、117c、117d、117e和117f的瞬态关断能量。感测设备106包括耦接到功率转换器的每个相脚输出121a、121b和121c的瞬态电流传感器120。在该实施方案中，瞬态电流传感器120包括多个罗果夫斯基线圈120a、120b、120c，每个罗果夫斯基线圈连接到相脚输出中的相应一个。感测设备106还包括瞬态电压传感器122。瞬态电压传感器122包括多个米勒电容器(在图2A中每个被标记为C-m)，每个米勒电容器都耦接在功率器件(例如晶体管)117a、117b、117c、117d、117e和117f中的每一者的相应栅极与集电极之间。在另一个实施方案中，感测设备可以被布置成测量功率器件117a-117f中的任何一个或多个而不是全部功率器件117a-117f的瞬态关断能量，如图2B中所示。功率器件117a-117f各自形成功率转换器的由工作条件监测器监测的一部分。
可以基于功率转换器102的各种不同的系统工作条件来将关断瞬态能量的测量值归一化。归一化可以相对于功率转换器102的晶体管的结温(例如，图2A中所示逆变器的功率器件117a、117b、117c、117d、117e和117f的晶体管中的一个晶体管的结温)。可以使用其他系统工作条件。例如，归一化可以基于工作电流和/或工作电压。即使关断切换能量相对于结温的变化与其他工作参数相比相对较小，但它仍然可以提供有利的参考，相对于该参考可以执行归一化并且可以有助于识别器件劣化和故障的早期迹象。
功率转换器的工作条件可以从内建传感器测量或获得，内建传感器提供系统电压、环境温度和负载电流信息的测量值。控制器可以访问这些信号并相应地归一化测量的切换能量。
通过以这种方式将关断瞬态能量的测量值归一化，可以改进工作条件监测器102的总准确度，这可以有助于识别器件劣化和故障的早期迹象。
为了发出事件信号，处理器108被配置为将关断瞬态能量的归一化测量值与阈值进行比较，以确定是否满足比较标准。如果关断瞬态能量的归一化测量值达到或超过阈值，则可以发出性能指示符信号以指示已发生器件劣化。用于比较的阈值可以是可由处理器108访问的存储的参考值(例如，在本地或远程存储器或者其他存储装置中)。存储的参考值可以存储在查找表中。存储的参考值可以是在其中已发生很少或没有发生器件劣化的工作期间关断瞬态能量的先前测量值。在其他实施方案中，参考值可以是当已发生很少或没有发生劣化时基于功率转换器102的工作的模拟或模型确定的预期值。
在其他实施方案中，可以测量和比较设置在功率转换器中的功率器件(例如，每个晶体管)的关断瞬态能量的归一化测量值或非归一化测量值，而不是执行与存储的参考值的比较。这将在稍后更详细地描述。
工作条件监测器100的另一个实施方案在图2B中示出。图2B中所示的功率转换器包括与图2A中所示的那些特征对应的特征，并且这些特征被赋予了相同的参考标号。在该示例中，分别监测功率转换器的单独相脚116a、116b、116c。因此，相脚116a、116b、116c各自形成功率转换器的由工作条件监测器监测的一部分。在该实施方案中，感测设备包括用于监测功率转换器的每个相脚的多个传感器。在图2B的实施方案中，感测设备106包括第一瞬态关断电流传感器120a、第二瞬态关断电流传感器120b和第三瞬态关断电流传感器120c。每个瞬态关断电流传感器被布置成测量相脚116a、116b、116c中的每一者的输出处的瞬态电流。为了测量瞬态电流，电流传感器120a、120b、120c中的每一者可以包括如本文相对于其他实施方案所述的罗果夫斯基线圈。然而，可以使用其他类型的电流传感器。
感测设备106还包括第一瞬态关断电压传感器122a、第二瞬态关断电压传感器122b和第三瞬态关断电压传感器122c。每个瞬态关断电压传感器被布置成测量相脚116a、116b、116c中的每一者的输出处的瞬态切换电压。为了测量瞬态电压，电压传感器122a、122b、122c中的每一者可以包括集电极电容器。每个集电极电容器都耦接到每个相脚的输出，如图2B中所示。然而，可以使用其他类型的电压传感器。在图2B中所示的实施方案中，感测设备被布置成测量功率转换器的相脚116a、116b、116c中的每一者的关断瞬态电压。在其他实施方案中，可以仅监测相脚中的一个或多个相脚。
在图2A和图2B的任一实施方案中，处理器108可以被配置为将正被监测的功率转换器的多个部分中的每个部分(例如，每个功率器件117a-117f或每个相脚116a-116c)的关断瞬态能量的测量值相对于功率转换器的该相应部分的工作参数归一化。
处理器于是可以被配置为通过执行功率转换器的多个部分中的一个部分的归一化关断瞬态能量测量值与功率转换器的多个部分中的另一个部分的关断瞬态能量的归一化测量值的比较，来将归一化关断瞬态能量测量值与阈值进行比较。因此，该阈值是功率转换器的多个部分中的另一个部分的关断瞬态能量的归一化测量值。这可以允许在器件之间进行比较(例如，在不同的相脚之间和不同的晶体管之间进行比较)，而不是与参考值进行比较。
在一些实施方案中，处理器可以被配置为执行功率转换器的多个部分中的一个部分的关断瞬态能量的归一化测量值与功率转换器的多个部分的关断瞬态能量的平均归一化测量值的比较。因此，阈值是在功率转换器的多个部分上的关断瞬态能量的平均归一化测量值。这可以允许发现关断瞬态能量的测量值与平均值的偏差，从而可以提供该特定晶体管器件或相脚已发生劣化的指示。
在另外一些实施方案中，处理器108可以被配置为执行功率转换器的多个部分中的每个部分的关断瞬态能量的归一化测量值与关断瞬态能量的平均归一化测量值的比较。处理器108还可以被配置为识别功率转换器的多个部分中具有与阈值的最大偏差(即，与它们之间的平均值的最大偏差)的一个部分。这可以允许处理器108识别系统中最弱的部分。这可以有助于在早得多的时候识别能够进行基于条件的控制的故障条件，并且有助于从那些不需要维护的部件中识别需要维护的部件。标识符可以被包括在事件信号中，以标识功率转换器的多个部分中的哪个部分已经被识别为最弱，使得它可以被替换或修理。
在一些实施方案中，关断瞬态能量的测量值可以不如上所述被归一化。例如，在将功率转换器的一个部分的关断瞬态能量的测量值与功率转换器的另一个部分的关断瞬态能量的测量值进行比较或者与平均值进行比较的实施方案中，可以省去归一化。在这种情况下，功率转换器的不同部分可以在类似的条件下工作，使得可以不需要归一化。
在一些实施方案中，处理器108可以被布置成将事件信号输出至合适的显示器或其他输出装置，使得操作员可以基于可能已发生劣化的指示来采取适当的行动。在其他实施方案中，处理器108可以被布置成将事件信号输出至控制器118。在该实施方案中，控制器118可以被布置成基于事件信号来修改功率转换器102的工作参数。修改的工作参数可以包括功率转换器102的晶体管的结温、或者功率转换器或其一个部分的工作电压或电流中的任何一者或多者。在其中识别功率转换器102的最弱部分的实施方案中，处理器可以被配置为输出控制信号以修改功率转换器的所识别部分的工作参数。控制器可以例如被布置成去激活功率转换器的所识别部分并且激活功率转换器的冗余或备用部分。冗余部分可以包括与用于正常工作的相脚并联包括的冗余相脚。在其他实施方案中，冗余部分可以包括冗余逆变器，其连同所述实施方案的逆变器一起被包括在功率转换器中。
在一些实施方案中，处理器可以被配置为确定功率转换器102的剩余寿命(RUL)参数。RUL参数可以基于关断瞬态能量从预定阈值的变化来确定。这可以使用卡尔曼滤波器来完成。然而，可以使用其他方法。
图3A和图3B示出了可以形成工作条件监测器100的一部分的感测设备106的实施方案。在图3A和图3B所示的实施方案中，感测设备106包括电流传感器120和电压传感器122，其可以用于提供数据源以获得功率转换器102的关断瞬态能量的测量值。电流传感器120可以被配置为测量功率转换器102的关断瞬态电流。电压传感器122可以被配置为测量功率转换器102的关断瞬态电压。
在图3A的实施方案中，感测设备106被布置成测量功率转换器102的单独功率器件(例如晶体管117a-117f)中的一个或多个的关断瞬态电流和电压。因此，该实施方案可以与图2A中所示的实施方案一起使用。电流传感器120包括罗果夫斯基线圈121。罗果夫斯基线圈121被夹在功率转换器的相脚中的一个相脚的输出周围。罗果夫斯基线圈121由具有导线的螺旋线圈形成，该导线从一端通过线圈的中心返回到另一端，使得两个端子位于该线圈的同一端处。电压传感器122包括耦接在正被监测的晶体管的基极与集电极之间的米勒电容器123。可以提供附加的米勒电容器和罗果夫斯基线圈，以监测如上所述的功率器件和相脚输出中的每一者。
由罗果夫斯基线圈121测量的每个相脚的瞬态电流被馈送至控制器134。控制器被布置成使用功率器件电流重构方法来提取每个功率器件117a-117f瞬态电流。每个功率器件117a-117f的瞬态电流测量值可以使用以下运算式来得到：
Figure BDA0002355205600000141
其中：
ic1至ic6表示每个功率器件117a-117f的电流；
S1 to S2表示每个功率器件117a-117f的栅极脉冲，
IA、IB和Ic表示每个相脚120a、120b、120c的电流。
图3A中所示的感测设备106被配置为测量功率转换器的一个相脚中的每个功率器件(例如每个晶体管)的瞬态电压和电流。可以提供类似于图3A的感测设备的另外的感测设备，以测量功率转换器的其他相脚中的功率器件的瞬态电压和电流。
图3B中所示的感测设备以与图3A的感测设备类似的方式工作。对应的部件已被相应地标记。
图3B中所示实施方案的电流传感器120类似地包括罗果夫斯基线圈121。罗果夫斯基线圈121可以包括被夹到功率转换器的每个相脚的线圈，以提供关断瞬态电流的测量值。
电压传感器122包括集电极电容器123'，以提供关断瞬态电压的测量值。集电极电容器123'可以耦接到功率转换器的相脚中的一个相脚，如上文结合图2B所述。外部集电极电容器可以是具有高电压阻断能力的极小范围电容器。
在图3A和图3B所示的这两个实施方案中，电流传感器120和电压传感器122至少部分地形成连接到功率转换器102的外部子系统。通过使用相对于功率转换器102的部件附加的外部部件来测量瞬态电压和电流，可以最小化对功率转换器的工作的任何中断。这还可以允许工作条件监测器更容易地与现成的功率转换器一起使用。然而，图3A和图3B中所示的电流传感器和电压传感器仅仅是一个示例，并且可以使用其他类型的传感器。
功率转换器关断电流和测量的瞬态关断电流的示例在图4中示出，该图示出了在功率转换器切换期间电流对时间的曲线图。图4的数据集202示出了正在被切换的电流，数据集204则示出了测量的关断瞬态电流。在该示例中，使用如上所述的罗果夫斯基线圈来测量关断瞬态电流。
功率转换器关断电压和测量的瞬态关断电压的示例在图5中示出。该图示出了在功率转换器切换期间电压对时间的曲线图。图5的数据集206示出了正在被切换的电压，数据集208则示出了测量的关断瞬态电压。在该示例中，使用如上所述的集电极电容器来测量关断瞬态电压。
在图3A和图3B所示的实施方案中，感测设备106还包括乘法器电路124，该乘法器电路被配置为将关断瞬态电流的测量值与关断瞬态电压的测量值相乘，以获得关断瞬态功率的测量值。乘法器电路可以是任何合适的乘法器电路。例如，它可以是具有高带宽和高信噪比的任何合适的乘法器电路。
传感器设备106还包括积分器电路126，该积分器电路被配置为对关断瞬态功率的测量值进行积分以获得关断瞬态能量的测量值。积分器电路126可以是任何合适的积分器电路，例如具有高带宽和高信噪比的积分器电路。
传感器设备还可以包括模拟隔离电路128a、128b，以将乘法器电路126与电压传感器120和电流传感器122隔离。这样，可以获得瞬态电压和瞬态电流的测量值并将其传送至乘法器电路，而不是将瞬态电压和瞬态电流本身传送至乘法器电路。瞬态电压和瞬态电流的测量值因此是指示瞬态切换电压和瞬态切换电流的信号。在其他实施方案中，可以使用其他类型的隔离器，或者可以没有隔离器。
在一些实施方案中，工作条件监测器100包括信号放大器或增益环路，其被配置为放大由电压传感器和电流传感器测量的瞬态关断电流和/或电压。这可以允许从由电压传感器和电流传感器测量的信号获得功率器件或相脚的实际瞬态关断电流和/或电压的测量值。信号放大器可以应用线性放大因子。电流传感器和电压传感器的输出与实际瞬态关断电流和电压相比可能较小。例如，100V量级的实际瞬态关断电压可以导致由电压传感器测得的10mV量级的信号。因此，可以施加100,000的增益以获得实际瞬态关断电压。类似的增益因子也可以应用于由电流传感器测量的信号。
在一些实施方案中，基于特定的实施方式或功率水平，功率转换器102可以在赫兹量级的频率至兆赫兹量级的频率之间范围内的快速频率下切换。因此，在高频工作的情况下，来自电流传感器120和电压传感器122的测量数据的量可能很大，因此可能难以管理。通过使用乘法器电路124和积分器电路126，可以减少发送至处理器以供进一步处理的数据量。
使用感测设备106获得的关断瞬态能量的示例在图6中示出，该图示出了图4中所示实施方案的积分器电路126的输出的示例。图6的数据集210对应于劣化的功率转换器的测得的关断瞬态能量。数据集212对应于已知不具有任何劣化的新功率转换器的测得的关断瞬态能量。从图6中可以看出，在新器件和劣化器件的关断瞬态能量之间存在差异，该差异可以用于检测劣化的存在。
图7示出了使用根据本申请的一个实施方案的条件监测器测量的关断切换能量与从功率转换器规格表中获取的值的比较。在该示例中，选择了由德国纽伦堡(Nuremberg,Germany)的赛米控国际有限责任公司(Semikron International GmbH)生产的SKM150GB12T4G模块。可以观察到，本申请的测量方法遵循与数据表值相同的模式，最大估计误差分别为约0.25％和0.5％。
图8示出了在功率转换器的工作期内的关断瞬态能量变化的示例。在图8中，关断瞬态能量针对由功率转换器执行的切换周期的数量绘制，以示出关断瞬态能量如何随着器件的寿命而变化。图8示出了在低数量的切换周期处，关断切换能量示出了一些小的变化。在约10000个周期处，测得的关断瞬态能量存在显著变化。
监测基于晶体管的功率转换器的工作条件的方法200在图9中示出。方法200可以例如由图2A中所示的工作条件监测器100来执行。
方法200包括测量功率转换器件的关断瞬态能量202。一旦已经测量了关断瞬态能量，方法200还包括将关断瞬态能量的测量值归一化204。可以相对于功率转换器的工作参数将关断瞬态能量的测量值归一化，以获得如上所述的关断瞬态能量的归一化测量值。该方法还包括将关断瞬态能量的归一化测量值与阈值进行比较206，并且基于该比较满足比较标准而发出事件信号208。
测量关断瞬态能量的步骤202可以包括：测量功率转换器的一个或多个功率器件116a-116f(例如晶体管)的关断瞬态电流210a。可以使用上述控制器器件电流重构方法来获得每个功率器件的关断瞬态电流。测量步骤202因此可以包括测量每个相脚120a、120b、120c电流并且重构功率器件117a-117f中的一个或多个的关断瞬态电流。测量步骤202还包括测量功率器件117a-117f(例如，图2A和图2B中所示的晶体管)中的一个或多个的关断瞬态电压210b。测量关断瞬态电流和电压的步骤可以在功率转换器工作期间同时执行以提供实时监测。
可以使用一个或多个罗果夫斯基线圈来测量关断瞬态电流210a。可以使用一个或多个米勒电容器来测量关断瞬态电压210b。如上所讨论，罗果夫斯基线圈连同该器件电流重构方法和/或米勒电容器一起使用可以允许测量关断瞬态电流和电压，同时最小化对功率转换器的工作的任何影响。通过使用功率转换器的外部部件来测量电压和电流，方法200可以与现成的功率转换器一起使用。然而，可以使用其他类型的传感器来测量关断瞬态电流和/或电压。
在测量关断瞬态电压和电流之后，该方法包括将关断瞬态电流的测量值与关断瞬态电压的测量值相乘212，以获得功率器件的关断瞬态功率的测量值。一旦已经以这种方式获得了关断瞬态功率测量值，方法200还包括对关断瞬态功率的测量值进行积分214，以获得关断瞬态能量的测量值。
合适的工作参数可以用于在步骤204中执行的归一化。在一个实施方案中，工作参数可以是设置在功率转换器中的一个或多个晶体管的结温。附加地或另选地，可以在归一化步骤204中使用其他工作参数，诸如工作电流和/或工作电压。
将关断瞬态能量的归一化测量值与阈值进行比较的步骤206可以包括将归一化关断瞬态能量的测量值与存储的参考值进行比较。如上所讨论，存储的参考值可以存储在查找表中。存储的参考值可以是关断瞬态能量的先前测量值。在这种情况下，方法200还可以包括记录测量的(以及归一化的或非归一化的)关断瞬态能量值的历史记录以创建查找表。在其他实施方案中，查找表可以包括使用未劣化功率转换器的模型或模拟来确定的参考值。
方法200还包括基于关断瞬态能量的归一化测量值与阈值的比较来发出事件信号208。发出事件信号可以包括将该事件信号输出至功率转换器的控制器218，以便该控制器基于事件信号修改功率转换器的工作参数220。在其他实施方案中，可以发出事件信号至任何其他器件或输出显示器，以提供对正被监测的功率转换器的条件的指示。
不使用图2A的工作条件监测器的“每个功率器件”监测方法，而是可以使用图2B的工作条件监测器来实现“每个相脚”监测方法。根据这种实施方案的方法200'在图10中示出。在该实施方案中，设置在功率转换器中的一个或多个相脚的瞬态关断能量的测量值可以分别确定。图10的实施方案包括与图9的实施方案的步骤对应的步骤，并且这些步骤已被相应地标记。
在图10中所示的实施方案中，测量功率转换器的关断瞬态能量202'可以包括测量功率转换器的多个部分中的每个部分(在这种情况下为图2A和图2B中所示相脚中的每一者)的关断瞬态能量202'。关断瞬态能量的测量值的归一化步骤204'可以包括将多个相脚中的每一个相脚的关断瞬态能量的测量值相对于该相应相脚或整体功率转换器本身的工作参数归一化204'。因此，归一化步骤204'可以获得多个相脚中的每一个相脚的关断瞬态能量的归一化测量值。可以通过测量相脚中每一个相脚的关断瞬态电压210b'并测量相脚中每一个相脚的关断瞬态电流210a'，然后将每个相脚的瞬态电压和瞬态电流的所得测量值相乘212'并积分214'，以获得相脚中每一个相脚的瞬态关断能量的测量值，来执行对每个相脚的关断瞬态能量的测量。
在图10的实施方案中，将关断瞬态能量的归一化测量值与阈值进行比较包括执行相脚中的一个相脚的关断瞬态能量的归一化测量值与相脚中的另一个相脚的关断瞬态能量的归一化测量值的比较206'。另选地，该比较可以包括执行相脚中的一个相脚的关断瞬态能量的归一化测量值与多个相脚的关断瞬态能量的平均归一化测量值的比较206'。
方法200还可以包括识别多个相脚中具有与阈值的最大偏差的一个相脚222'。这可以允许识别多个相脚中最弱的一个相脚。在该实施方案中，发出事件指示符208'可以包括将事件指示符输出至功率转换器的控制器218'。事件指示符可以包括标识符，用于标识具有与平均值的最大偏差的相脚。该方法还可以包括修改被识别为最弱的相脚的工作参数220'。修改的工作参数可以包括负载电流和/或负载电压。然而，可以修改其他工作参数。该方法可以包括激活功率转换器的冗余备用部分221'，以替换识别的最弱部分。
在图9中所示的实施方案中，方法200包括将归一化关断瞬态能量的测量值与存储的参考值进行比较。然而，可以将功率器件中的一个功率器件的关断瞬态能量的测量值与其他功率器件117a-117f中的另一个功率器件的归一化关断瞬态能量的测量值、或者针对功率器件中的每一个功率器件测量的瞬态关断能量的平均值(即类似于图10的方法200')进行比较。
在图10中所示的实施方案中，方法200'包括将相脚中的一个相脚的关断瞬态能量的归一化测量值与相脚中的另一个相脚的关断瞬态能量的归一化测量值(或相脚的平均值)进行比较。然而，可以将关断瞬态能量的测量值与参考值进行比较(即，类似于图9的方法200)。
在图9和图10的任一实施方案中，可以省去归一化步骤204、204'。例如，在将功率转换器的不同部分的瞬态关断能量相互比较的情况下，如上所讨论，可以不需要归一化。
本文所述的工作条件监测器和监测工作条件的方法可以在需要监测基于晶体管的功率转换器的许多不同领域中得到应用。这可以包括起动器发电机、电力驱动装置和混合动力推进转换器。其他应用对于技术人员来说将是显而易见的。
应当理解，本发明不限于上述实施方案，并且在不脱离本文中描述的概念的情况下可进行各种修改和改进。除非相互排斥，否则任何特征可以单独使用或与任何其他特征组合使用，并且本公开扩展到并包括本文中描述的一个或多个特征的所有组合和子组合。

Claims (20)

1.一种用于监测基于晶体管的功率转换器的工作条件的工作条件监测器，包括：
感测设备，所述感测设备被配置为测量所述功率转换器的关断瞬态能量，
处理器，所述处理器与所述感测设备通信以接收所述关断瞬态能量的测量值，所述处理器被配置为：
将所述关断瞬态能量的所述测量值与阈值进行比较；并且
基于与所述阈值的所述比较满足比较标准而发出事件信号。
2.根据权利要求1所述的工作条件监测器，其中所述感测设备包括：
电流传感器，所述电流传感器被配置为测量所述功率转换器的关断瞬态电流；
电压传感器，所述电压传感器被配置为测量所述功率转换器的关断瞬态电压；
乘法器电路，所述乘法器电路被配置为将所述关断瞬态电流的测量值与所述关断瞬态电压的测量值相乘，以获得关断瞬态功率的测量值；和
积分器电路，所述积分器电路被配置为对所述关断瞬态功率的所述测量值进行积分以获得所述关断瞬态能量的所述测量值。
3.根据权利要求2所述的工作条件监测器，其中所述电流传感器包括罗果夫斯基线圈。
4.根据权利要求2所述的工作条件监测器，其中所述电压传感器包括电容器，并且可选地：
a)所述感测设备被布置成测量设置在所述功率转换器中的一个或多个功率器件的所述关断瞬态电压，并且所述电压传感器包括被布置成测量所述一个或多个功率器件的所述关断瞬态电压的一个或多个相应的米勒电容器；或者
b)所述感测设备被布置成测量所述功率转换器的一个或多个相脚的所述关断瞬态电压，并且所述电压传感器包括被布置成测量所述一个或多个相脚的所述关断瞬态电压的一个或多个相应的集电极电容器。
5.根据权利要求1所述的工作条件监测器，其中所述感测设备被配置为：
通过测量所述功率转换器的多个部分中的每个部分的所述关断瞬态能量来测量所述功率转换器的所述关断瞬态能量，并且所述处理器可以被配置为将所述部分中的一个部分的所述关断瞬态能量的所述测量值与所述阈值进行比较；
并且其中所述处理器可选地被配置为：
通过将所述功率转换器的所述多个部分中的每个部分的所述关断瞬态能量的所述测量值相对于所述功率转换器的每个相应部分或整体功率转换器的工作参数归一化，来将所述关断瞬态能量的所述测量值归一化，以获得所述功率转换器的每个部分的所述关断瞬态能量的归一化测量值。
6.根据权利要求5所述的工作条件监测器，其中所述阈值为：
所述功率转换器的所述多个部分中的另一个部分的所述关断瞬态能量的测量值；以及/或者
所述功率转换器的所述多个部分中的每个部分的所述关断瞬态能量的所述测量值的平均值。
7.根据权利要求6所述的工作条件监测器，其中所述处理器被进一步配置为识别所述功率转换器的所述多个部分中具有与所述阈值的最大偏差的一个部分，并且可选地其中所述事件信号指示所述功率转换器的所识别部分，并且/或者所述处理器被配置为输出控制信号以修改所述功率转换器的所识别部分的工作参数。
8.根据权利要求1所述的工作条件监测器，其中所述处理器被配置为：
通过将所述关断瞬态能量的所述测量值相对于所述功率转换器的工作参数归一化来获得所述关断瞬态能量的归一化测量值，并且其中与所述阈值相比的所述关断瞬态能量的所述测量值是所述归一化测量值；并且可选地：
其中所述工作参数基于设置在所述功率转换器中的晶体管的结温。
9.根据权利要求1所述的工作条件监测器，其中所述阈值为存储的参考值。
10.根据权利要求1所述的工作条件监测器，其中所述处理器被布置成将所述事件信号输出至所述功率转换器的控制器，以便所述控制器基于所述事件信号修改所述功率转换器的工作参数，并且可选地其中所述控制器被配置为激活所述功率转换器的冗余部分或电路。
11.一种监测基于晶体管的功率转换器的工作状态的方法，包括：
测量所述功率转换器的关断瞬态能量；
将所述关断瞬态能量的测量值与阈值进行比较；
基于所述比较满足比较标准而发出事件信号。
12.根据权利要求11所述的方法，其中测量所述功率转换器的所述关断瞬态能量包括：
测量所述功率转换器的关断瞬态电流；
测量所述功率转换器的关断瞬态电压；
将所述关断瞬态电流的测量值与所述关断瞬态电压的测量值相乘，以获得所述关断瞬态功率的测量值；
对所述关断瞬态功率的所述测量值进行积分以获得所述关断瞬态能量的所述测量值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述关断瞬态电流使用罗果夫斯基线圈来测量。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述关断瞬态电压使用电容器来测量，并且可选地：
a)设置在所述功率转换器中的一个或多个功率器件的所述关断瞬态电压使用被布置成测量所述一个或多个功率器件的所述关断瞬态电压的一个或多个相应的米勒电容器来测量；或者
b)所述功率转换器的一个或多个相脚的所述关断瞬态电压使用被布置成测量所述一个或多个相脚的所述关断瞬态电压的一个或多个相应的集电极电容器来测量。
15.根据权利要求11所述的方法，其中所述功率转换器包括多个部分，并且其中：
测量所述功率转换器的所述关断瞬态能量包括测量所述功率转换器的所述多个部分中的每个部分的所述关断瞬态能量；并且可选地，所述方法还包括
将所述功率转换器的每个部分的所述关断瞬态能量的所述测量值相对于所述功率转换器的所述部分的或所述功率转换器的工作参数归一化，以获得所述功率转换器的每个部分的所述关断瞬态能量的归一化测量值。
16.根据权利要求15所述的方法，其中将所述关断瞬态能量的所述测量值与所述阈值进行比较包括：
执行所述功率转换器的所述多个部分中的一个部分的所述关断瞬态能量的所述测量值与所述功率转换器的另一个部分的所述关断瞬态能量的所述测量值的比较；以及/或者
执行所述功率转换器的所述多个部分中的一个部分的所述关断瞬态能量的所述测量值与所述功率转换器的所述多个部分中的每个部分的所述关断瞬态能量的平均测量值的比较。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括识别所述功率转换器的所述多个部分中具有与所述阈值的最大偏差的一个部分，以及修改所述功率转换器的所述部分的工作参数，并且可选地其中所述事件信号指示所述功率转换器的所识别部分，并且/或者所述方法包括输出控制信号以修改所述功率转换器的所识别部分的工作参数。
18.根据权利要求11所述的方法，还包括：
将所述关断瞬态能量的所述测量值相对于所述功率转换器的工作参数归一化，以获得所述关断瞬态能量的归一化测量值，并且其中与所述阈值相比的所述关断瞬态能量的所述测量值是所述归一化测量值，并且可选地：
其中所述工作参数是设置在所述功率转换器中的晶体管的结温。
19.根据权利要求11所述的方法，其中将所述关断瞬态能量的所述测量值与所述阈值进行比较包括将所测量的关断瞬态能量与存储的参考值进行比较。
20.根据权利要求11所述的方法，其中发出所述事件信号包括将所述事件信号输出至所述功率转换器的控制器，并且基于所述事件信号修改所述功率转换器的工作参数，
可选地所述方法还包括响应于所述事件信号被发出而激活所述功率转换器的冗余备用部分。
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