CN112305336A - 基于运行状况检测功率模块的故障 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于检测功率模块的故障的方法，所述方法包括以下操作：‑存储(201)至少一个模型，所述模型包括与所述功率模块的不同运行状况相关联的常规温度值；‑从位于所述功率模块附近的第一温度传感器获得(203)至少第一温度值；‑确定(206)所述功率模块的当前运行状况；‑将所述当前运行状况和至少所述第一温度值与所述至少一个存储的模型进行比较(208)；‑基于所述比较，确定(209)所述功率模块的故障。

Description

基于运行状况检测功率模块的故障
背景技术
本发明涉及对工业设备中老化/故障的检测，所述工业设备例如具体为但不限于功率模块。
功率模块是用于转换电能的功率系统(例如DC转换器、DC到AC逆变器，AC-DC-AC转换器等)中使用的功率半导体器件的物理容器。例如，功率模块可以集成在电机驱动器、不间断电源(Uninterruptible Power Source，UPS)、或光伏(Photo Voltaic，PV)逆变器中。就故障水平、使用寿命和维护成本而言，在可再生能源领域，功率电子转换器(PowerElectronic Converters)通常是最关键的组件之一。
电机驱动器是工业应用中最常用的功率电子转换器之一：其驱动泵、风扇和传送带的电机，使起重车辆和电梯移动。
功率模块通常包括例如二极管、金属氧化物半导体场效应器件(Metal OxydeSemiconductor Field Effect device，MOSFET)、或绝缘栅双极晶体管(Insulated GateBipolar Transistors，IGBT)等组件。
在功率系统中，具有IGBT、MOSFET和二极管的功率模块是关键组件。在运行中，功率模块容易受到不同的环境和功能压力因素的影响，例如环境温度、热循环、振动、湿度等。
由于功率循环和热循环，功率模块会遭受热机械损坏累积、过电压或过电流，这会影响功率模块的使用寿命，从而影响功率模块的可靠性。
功率模块的一些故障可能是由于管芯(die)与功率模块内部的陶瓷基板(substrate)之间或功率模块的底板(baseplate)与散热器之间的焊料分层(solderdelamination)所致。功率模块的一些故障也可能是由于功率模块和散热器之间的导热油脂老化所致。功率模块的一些故障也可能是由于模块的电触点和半导体和之间的引线键合剥离(wire-bond lift off)引起的。另外，当风扇栅上布满灰尘时，风扇执行的冷却功能的效率会降低。
因此，不同类型的故障可能会影响功率模块。
根据现有技术，已经开发出了基于故障物理(Physics-of-Failure，PoF)的寿命模型来监测功率模块中的常见故障并替代基于手册的恒定故障率模型。例如，请参考：
-H.Wang等,“Transitioning to physics-of-failure as a reliabilitydriver in power electronics”IEEE J.Emerg.Sel.Top.Power Electron.,第2卷,第1期,第97-114页,2014年3月；以及
-N.Patil,D.Das,C.Yin,H.Lu,C.Bailey,M.Pecht“A Fusion approach to IGBTpower module prognostics”Proc.13th Int.Conf.Thermal,Mech.Multi-Phys.Simul.Exp.Microelectron.Microsyst.,荷兰代尔夫特,2009年,第215-220页。
PoF方法是一种基于根本原因故障机制分析以及材料、缺陷和压力对产品可靠性的影响的方法。对于给定的组件，可能有多种故障机制，应分别进行识别。
这些寿命模型基于结点温度演变数据和带有线性或非线性损坏模型的计数算法技术。结点温度是指电子组件(如IGBT)中的管芯温度。
例如，请参考：
-M.Musallam和C.Mark Johnson,“An efficient implementation of therainflow counting algorithm for life consumption estimation”IEEE Trans.Rel.,第61卷,第4期,第978-986页,2012年12月；
-M.Denko“Efficient online-algorithm for the temperature cyclerecording of an IGBT power module in a hybrid car during inverter operation”Proc.CIPS,2014年,第25-27页；以及
-P.Rajaguru,H.Lu,C.Bailey,“Application of nonlinear fatigue damagemodels in power electronic module wire bond structure under various amplitudeloadings”Springer,第239-250页,2014年。
但是，基于专用电路的结点温度的在线测量是一项复杂的任务，并且在实际切换应用(例如在变频器中使用IGBT的脉宽调制PWM操作)中，要确定结点温度仍然难以实现。
因此需要在没有复杂计算的情况下识别功率模块中的故障，并尽可能地区分不同类型的故障。
发明内容
本发明的目的是克服上述缺点中的至少一些。
本发明的第一方面涉及一种用于检测功率模块的故障的方法，所述方法包括以下操作：
-存储至少一个模型，所述模型包括与所述功率模块的不同运行状况相关联的常规温度值；
-从位于所述功率模块附近的第一温度传感器获得至少第一温度值；
-确定所述功率模块的当前运行状况；
-将所述当前运行状况和至少所述第一温度值与所述至少一个存储的模型进行比较；
-基于所述比较，确定所述功率模块的故障。
由于考虑到了运行状况，使得能够高效地检测所述功率模块的故障。
根据一些实施例，所述第一温度传感器可以是负温度系数(NegativeTemperature Coefficient，NTC)传感器。
NTC传感器的优点是其时间常数远低于其他传感器的时间常数，并且使得能够快速地检测温度变化。还应注意，大多数功率模块本身就包含NTC传感器。然而，在现有技术系统中，NTC传感器仅用于保护功率模块免于温度过热。因此，使用NTC传感器不会影响功率模块的成本，因为它通常已经存在于其中了。
作为补充，所述第一温度传感器可以被布置用于测量所述功率模块的管芯上的温度。
根据一些实施例，所述方法可以进一步包括从位于与所述功率模块相关联的散热器附近的第二温度传感器获得至少一个第二温度值，并且将所述当前运行状况以及所述第一温度值和所述第二温度值与所述至少一个存储的模型进行比较。
使用两个温度传感器使得在检测功率模块的故障时能够提高准确性。
作为补充，所述方法可以进一步包括：
-从位于所述功率模块附近的第一温度传感器获得不同时刻的第一温度值；
-从位于散热器附近的第二温度传感器获得不同时刻的第二温度值；
-将所述第一温度值的演变与所述模型的至少一条第一预定曲线进行比较，并将所述第二温度值的演变与所述模型的至少一条第二预定曲线进行比较；
-基于两个比较，确定所述功率模块的故障。
该实施例使得能够提高故障检测的准确性。
根据一些实施例，所述方法可以进一步包括基于当前运行状况以及第一温度值和第二温度值与所述至少一个存储的模型的比较来确定功率模块的故障类型。
这使得能够区分不同类型的故障。
根据一些实施例，所述方法可以进一步包括获得至少一个环境温度值和当前运行状况，可以将所述第一温度值和所述环境温度与所述至少一个存储的模型进行比较。
这使得能够提高故障检测的准确性。
根据一些实施例，所述运行状况可以包括以下元素的任意组合：
-所述功率模块的输出电流；
-所述功率模块的输入电压；
-所述功率模块的输出电压；
-所述功率模块的输入电流；
-包括所述功率模块的电机的速度；
-包括所述功率模块电机的转矩；和/或
-环境温度值。
根据一些实施例，可以在预备阶段期间确定所述至少一个模型，且在预备阶段期间确定所述至少一个模型包括：
-获得各个运行状况下所述功率模块的常规温度值；
-基于与各个运行状况相对应的常规温度值来确定所述至少一个模型。
这使得能够使用与故障检测所用的硬件材料相同的硬件材料来初始地构建模型。
作为补充，可以控制功率模块的运行状况以在所述预备阶段期间获得各个常规温度值。
根据一些实施例，当确定所述功率模块发生故障时，可以生成警报。
根据一些实施例，所述方法包括：在获得所述第一温度值之前，检测所述功率模块处于稳定运行状况。
因此，故障检测更加准确。
本发明的第二方面涉及一种在其上存储计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质，所述计算机程序包括用于在由处理器运行时执行根据本发明的第一方面的方法的步骤的指令。
本发明的第三方面涉及一种被配置用于检测功率模块的故障的设备，所述设备包括：
-存储器，其存储至少一个模型，所述模型包括与所述功率模块的不同运行状况相关联的常规温度值；
-模块，用于从位于所述功率模块附近的第一温度传感器获得至少第一温度值；
-处理器，配置为：
确定所述功率模块的当前运行状况；
将所述当前运行状况和至少第一温度值与所述至少一个存储的模型进行比较；
基于所述比较，确定所述功率模块的故障。
在下面的多个示例性实施例的详细描述中，参考附图描述了本发明的其他目的、方面、效果和细节。
附图说明
仅作为示例，将参考附图描述本公开的实施例，附图中：
图1示出了根据本发明一些实施例的系统；
图2是示出了根据本发明一些实施例的方法的步骤的流程图；
图3示出了根据本发明一些实施例的存储的模型的曲线；以及
图4示出了功率模块的温度针对不同运行状况随时间的演变。
具体实施方式
参照图1，示出了根据本发明一些实施例的用于检测功率模块107中的故障以及可选地检测故障类型的设备100。设备100可以集成在包含功率模块107的系统中。功率模块107可以集成在较大的功率系统中，例如功率转换器(DC转换器、DC到AC逆变器、AC-DC-AC转换器，等等)。在下文中，仅出于说明目的，考虑集成在电机驱动器中的功率模块107的示例。
对功率模块107不进行任何限制，所述功率模块可以是参与功率系统的、且包括诸如二极管、MOSFET、和/或绝缘栅双极晶体管(IGBT)之类的元件的任何设备。功率模块107可以具有包括安装在基板上的芯片的层结构，基板被安装在底板和/或散热器111上。
功率模块107可以例如由多个管芯的组合体(取决于功率额定值)构成。例如，功率模块107可以包括与各个管芯相对应的二极管和IGBT的组合。
功率模块107与散热器111相关联，所述散热器111被配置为消散由功率模块107生成的热量。
设备100包括至少第一传感器101.1和第二传感器101.2，第一传感器101.1被配置用于获得代表功率模块107的温度的第一温度值，第二传感器101.2被配置用于获得代表散热器111的温度的第二温度值。例如，设备100可以是探头，其中传感器101.1和传感器101.2可以移动以分别放置在功率模块107和散热器111附近。
优选地，第一传感器和第二传感器被直接集成在功率模块107和散热器111上，作为被配置为分别获得第一温度值和第二温度值的第一本地传感器108.1和第二本地传感器108.2，而非第一传感器101.1和第二传感器101.2。为此，设备100可以包括通信接口104，通信接口104被配置为至少与位于功率模块107和散热器111附近或内部的第一本地传感器108.1和第二本地传感器108.2进行通信。第一本地传感器108.1被配置用于获得代表功率模块107的温度的第一温度值，第二本地传感器108.2被配置用于获得代表散热器111的温度的第二温度值。
根据本发明的一些实施例，第一(本地)传感器101.1或108.1可以是负温度系数(NTC)传感器。NTC传感器的优点是其时间常数远低于其他传感器的时间常数，并且NTC传感器使得能够快速地检测温度变化。还应注意，大多数功率模块本身就包含NTC传感器。然而，在现有技术系统中NTC传感器仅用于保护功率模块免于温度过热。
因此，使用NTC传感器不会影响功率模块107的成本，因为NTC传感器通常已经存在于功率模块中了。
而且，根据一些实施例，所述系统可以包括第三传感器112，所述第三传感器可以是环境温度传感器，其被配置为测量环境温度，例如功率模块107所位于的房间的环境温度。环境温度传感器112可以集成在设备100中，或者可以位于设备100的外部并经由通信接口104与设备100通信。
使用两个或三个传感器使得能够区分多种类型的故障。使用分开放置的两个或三个传感器的事实还使得能够提高确定故障类型的准确性。
例如，功率模块107的故障可以通过由NTC传感器101.1或108.1感测到的温度升高、而由散热器传感器101.2或108.2感测到的温度不受影响(保持基本恒定)来检测。在散热器故障(或散热器111的降级模式)的情况下，由NTC传感器101.1或108.1以及散热器传感器101.2或108.2感测到的温度都会升高(与此同时，环境温度可以是稳定的)。
设备100可以进一步包括处理器102和存储器103，处理器102和存储器103被配置用于执行图2所示的方法的步骤。
设备100可以进一步包括网络接口110，网络接口110被配置为与诸如IP网络的外部网络进行通信。对网络接口110不进行任何限制，该网络接口可以是无线的(Wifi，蓝牙或其他)或有线的(例如，以太网)。
设备100还包括传感器106，传感器106被配置用于感测代表所述功率模块的运行状况的数据。所述运行状况可以包括：
-功率模块107的输出电流；
-功率模块的输入电流；
-功率模块107的输入电压；
-功率模块107的输出电压；
-包括功率模块107的电机的速度；
-包括功率模块107的电机的转矩；和/或
-环境温度值。
用于获得这种数据的传感器是已知的，不再对其进行进一步描述。
用于感测环境温度的第三温度传感器112也可以用于确定所述运行状况。
基于传感器106获得的数据，并且可选地基于第一温度值和第二温度值以及基于环境温度值，可以确定功率模块107或集成了功率模块107的功率系统的当前运行状况。
当功率模块107被集成在电机驱动器中时，运行状况可以，例如，对应于电机驱动器输出功率和/或电机的速度、频率和/或转矩。
替代地，并且优选地，功率模块107可以包括运行状况本地传感器109(而非设备100包括传感器106)，并且由运行状况本地传感器109获得的测量值经由通信接口104被通信至设备100。
设备100的存储器103可以存储至少一个模型，所述至少一个模型至少包括与功率模块107或集成了功率模块107的功率系统的一个或多个运行状况相关联的常规温度值。例如，可以在存储器103中存储图3中所示并且将在下文中描述的模型。
图2是示出了根据本发明的一些实施例的方法的步骤的图。
在步骤201，至少一个模型被存储在存储器103中。如上所述，所述模型至少包括与功率模块107的不同运行状况相关联的常规温度值。例如，下文描述的图3所示的模型可以在步骤201进行存储。
步骤201可以是预备步骤，其在功率模块被调试(commission)之前实施或在包括功率模块的设备被启动之前实施。例如，每次启动包括功率模块107的功率系统时，设备100可以经由网络接口110检查所存储的模型是最新的。如果不是，则可以下载模型的更新版本并将其存储在设备100中。
步骤201也可以在功率模块107(或集成了功率模块的功率系统)的调试阶段期间执行。在该阶段期间，基于传感器101.1、101.2、108.1、108.2、106、109和/或112的测量值，获得不同运行状况下的温度值。这些温度值可以与它们对应的运行状况相关联地存储，并且能够被认为是功率模块107或集成了功率模块107的功率系统的健康状态。在调试阶段期间，可以控制电机以在不同的运行状况下运行，以便获得对于不同的运行状况中的每一个的温度值。例如，可以控制电机以5Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz和50Hz的频率运行。所述模型也可以使用机器学习算法来构建。
在步骤202，设备100经由传感器101.1、101.2、106、108.1、108.2和/或112检查功率模块107是否已经启动以及是否正在稳定的运行状况下运行。例如，这可以通过观察传感器101.1、101.2、106、108.1、108.2和/或112感测到的测量值的变化来确定。
如果功率模块107正在稳定的运行状况下运行，则所述方法进入步骤203至步骤205。否则，所述方法停留在步骤202，直到达到稳定的运行状况为止。
在步骤203，设备100(从第一温度传感器101.1)获得第一温度值或(从第一本地温度传感器108.1)接收第一温度值。如上所述，第一温度值可以由例如位于功率模块107的管芯之一上的NTC传感器获得，并且可以代表功率模块107的管芯的温度。
步骤204是可选的，在步骤204，设备100(从第二温度传感器101.2)获得(多个)第二温度值或(从本地温度传感器108.2)接收(多个)第二温度值。如上所述，第二温度值可以通过散热器温度传感器获得，并且可以代表散热器111附近的温度。
步骤205是可选的，在步骤205，设备100从环境温度传感器112获得(多个)环境温度值。
在步骤206，设备100基于由运行状况传感器106和/或109以及可选地由101.1、101.2、108.1、108.2和112中的一个或多个感测的数据来确定功率模块107的当前运行状况。
可以同时地或依次地(以任何顺序)执行步骤203、204、205和206。
步骤207是可选的，在步骤207，可以将在步骤203和步骤206获得的数据以及可选地在步骤204和步骤205获得的数据与日期相关联地存储在存储器103中。
图3示出了根据本发明一些实施例的模型，所述模型可以在上述步骤201中存储。
所述模型可以包括：
-第一曲线301，第一曲线301示出了针对不同运行状况(例如，电机的频率)的NTC温度值(第一温度值)的演变；以及
-第二曲线302，第二曲线302示出了针对不同的运行状况(例如，电机的频率)的散热器温度值(第二温度值)的演变。
可选地，所述模型还可以包括曲线303和曲线304，它们对应于散热器有缺陷(例如风扇故障)的情况。在这种情况下，303表示取决于电机频率的NTC温度值，304表示取决于电机频率的散热器温度值。
在所述模型包括曲线301和/或曲线302(但不包括曲线303和曲线304)的实施例中，当测量的温度值与模型的温度值相差超过预设阈值时，可以检测到故障。
在所述模型进一步包括曲线303和曲线304的实施例中，当测量的温度值相较于曲线301/曲线302、更接近曲线303/曲线304时，可以检测到故障。
对所述模型不进行任何限制，所述模型至少包括与不同运行状况相对应的温度值的集合。另外，对用于检测是否存在故障的规则的集合不进行任何限制。
要注意的是，在图3的示例中，由于负载的功率有限，对于高于30Hz的频率，电机驱动器的输出功率已降低：因此，当电机频率增加时，第一温度值和第二温度值更低。
如上所述，可以通过在调试阶段期间测量第一温度值和第二温度值来获得图3的模型，在调试阶段期间，电机被控制为以不同的频率(例如5Hz、10Hz、20Hz、30Hz、40Hz和50Hz)运行。
图4示出了不同运行状况(例如电机频率为20Hz、30Hz和50Hz)下平均NTC温度值或平均散热器温度值随时间的演变。
如图4所示，NTC温度值或散热器温度值在一定时间后升高，这意味着当测量到这种升高时，可以检测到功率模块107或集成了功率模块107的功率系统的老化。
因此，图4的图可用于定义对于每个运行状况的温度阈值，在所述温度阈值以上，就能检测到功率模块已老化且应更换。
再次参考图2，在步骤208，设备100将在步骤203和步骤205以及可选地在步骤204和步骤205获得的温度测量结果和在步骤206确定的运行状况，与存储在存储器103中的至少一个模型进行比较，并且基于所述比较，在步骤209确定是否检测到故障。
如果检测到故障，则可以在步骤210发出警报。替代地，可以将消息发送给操作员或集中式系统(例如，SCADA)。根据另一替代实施例或补充实施例，可以在检测到故障时停止包括功率模块107的功率系统。
如果未检测到故障，则所述方法可以返回步骤202。
尽管在上文已经参考具体实施例描述了本发明，但是本发明并不限于此处阐述的具体形式。而是，本发明仅由所附权利要求书限制，并且在这些所附权利要求书的范围内，同样可能存在除了以上具体描述之外的其他实施例。
此外，尽管以上已经通过部件和/或功能的一些示例性组合描述了示例性实施例，但是应当理解，可以通过构件和/或功能的不同组合来提供替代实施例，而不脱离本公开的范围。另外，特别地考虑到，单独地描述或作为实施例的一部分描述的特定特征可以与其他单独描述的特征或其他实施例的部分进行组合。

Claims (14)

1.一种用于检测功率模块(107)的故障的方法，所述方法包括以下操作：
-存储(201)至少一个模型，所述模型包括与所述功率模块的不同运行状况相关联的常规温度值；
-从位于所述功率模块附近的第一温度传感器(101.1；108.1)获得(203)至少第一温度值；
-确定(206)所述功率模块的当前运行状况；
-将所述当前运行状况和至少所述第一温度值与所述至少一个存储的模型进行比较(208)；
-基于所述比较，确定(209)所述功率模块的故障。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一温度传感器(101.1；108.1)是负温度系数NTC传感器。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一温度传感器(101.1；108.1)被布置用于测量所述功率模块(107)的管芯上的温度。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，还包括从位于与所述功率模块(107)相关联的散热器(111)附近的第二温度传感器(101.2；108.2)获得至少一个第二温度值，并且其中将所述当前运行状况以及所述第一温度值和所述第二温度值与所述至少一个存储的模型进行比较。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述方法包括：
-从位于所述功率模块(107)附近的第一温度传感器(101.1；108.1)获得不同时刻的第一温度值；
-从位于散热器(111)附近的第二温度传感器(101.2；108.2)获得不同时刻的第二温度值；
-将所述第一温度值的演变与所述模型的至少一条第一预定曲线进行比较，并将所述第二温度值的演变与所述模型的至少一条第二预定曲线进行比较；
-基于两个比较，确定所述功率模块的故障。
6.根据权利要求4和5中的任一项所述的方法，包括：基于所述当前运行状况以及所述第一温度值和所述第二温度值与所述至少一个存储的模型的比较来确定所述功率模块(107)的故障的类型。
7.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，进一步包括获得至少一个环境温度值，并且其中将所述当前运行状况、所述第一温度值和所述环境温度与所述至少一个存储的模型进行比较。
8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述运行状况包括以下元素的任意组合：
-所述功率模块的输出电流；
-所述功率模块的输入电压；
-所述功率模块的输出电压；
-所述功率模块的输入电流；
-包括所述功率模块的电机的速度；
-包括所述功率模块的电机的转矩；和/或
-环境温度值。
9.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在预备阶段(201)期间确定所述至少一个模型，且在预备阶段(201)期间确定所述至少一个模型包括：
-获得所述功率模块(107)在各个运行状况下的常规温度值；
-基于与各个运行状况相对应的所述常规温度值来确定所述至少一个模型。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述预备阶段期间，控制所述功率模块(107)的运行状况以获得各个常规温度值。
11.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，当确定所述功率模块的故障时，生成警报。
12.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，所述方法包括：在获得所述第一温度值之前，检测所述功率模块(107)处于稳定的运行状况。
13.一种非暂时性计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序包括用于在由处理器运行时执行根据权利要求1至12中的任一项所述的方法的步骤的指令。
14.一种配置用于检测功率模块的故障的设备，所述设备包括：
-存储器(103)，存储至少一个模型，所述模型包括与所述功率模块(107)的不同运行状况相关联的常规温度值；
-模块(104；101.1)，用于从位于所述功率模块附近的第一温度传感器获得至少第一温度值；
-处理器，配置为：
确定所述功率模块的当前运行状况；
将所述当前运行状况和至少第一温度值与所述至少一个存储的模型进行比较；
基于所述比较，确定所述功率模块的故障。
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