CN112433115B - 老化注入器及功率器件、牵引变流器老化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体技术领域，公开一种老化注入器及功率器件、牵引变流器老化建模方法，以提供较为真实可靠的故障模拟环境。本发明方法包括：用分段函数描述正常情况下的功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压，建立正常情况下功率器件行为模型；确定功率器件老化情况下集射极电压在各个阶段的变化，建立老化情况下功率器件行为模型；使用老化情况下功率器件行为模型描述牵引变流器桥臂的换流回路特性，建立牵引变流器老化模型；构建功率器件老化注入器，实施牵引变流器老化注入。该方法能够对单桥臂上任意一个功率器件进行老化注入实验，无需进行实物损伤性实验，就能得到牵引变流器老化的数据和特征，并且可以进行重复性实验。

Description

老化注入器及功率器件、牵引变流器老化建模方法

技术领域

本发明涉及功率半导体技术领域，具体涉及一种老化注入器及功率器件、牵引变流器老化建模方法。

背景技术

牵引变流器是列车关键部件之一，主要功能是转换直流制和交流制之间的电能量，为列车运行提供动力。功率器件是构成牵引变流器的核心部件，随着变流器使用时间的推移，功率器件的某些性能指标将不断退化而引起功率器件老化和失效，若不能及时发现并采取措施，极易引发短路、开路故障，造成器件烧毁或爆炸，甚至导致整个变流器系统故障。为了提高牵引变流器使用的有效性和安全性，对功率器件老化进行深度的研究，建立一个结构简单、精确、体现老化整个过程的功率器件老化模型，进而建立变流器老化模型并进行模拟仿真，对于系统状态评估、故障诊断、故障预测具有重要意义。

因此，现需提供一种牵引变流器老化过程建模方法及老化注入器，提高牵引变流器老化过程模拟的真实性和有效性，为牵引变流器老化的检测、诊断、隔离和容错技术研究提供较为真实可靠的模拟环境。

发明内容

本发明目的在于公开一种老化注入器及功率器件、牵引变流器老化建模方法，以提供较为真实可靠的故障模拟环境。

为达上述目的，本发明公开一种牵引变流器老化建模方法，包括：

步骤一、用分段函数描述正常情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(nor)，建立正常情况下功率器件行为模型；

步骤二、确定功率器件老化情况下集射极电压V_ce(aged)各个阶段的变化，用分段函数描述老化情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(aged)，建立老化情况下功率器件行为模型；

步骤三、使用功率器件行为模型描述牵引变流器桥臂的换流回路特性，建立牵引变流器老化模型；

步骤四、构建功率器件老化注入器，实施牵引变流器老化注入。

与上述方法相对应的，本发明还公开一种老化注入器，包括：

用户设定模块，用于设定功率器件老化参数和注入时间；

模型选项模块，用于存功率器件正常情况下的模型和老化情况下的行为模型；

老化注入模块，用于根据设定的功率器件老化参数和注入时间，在老化注入时将正常模型切换为老化模型，模拟功率器件老化过程。

基于与上述方法和老化注入器的同一技术构思，本发明还公开一种功率器件老化建模方法，包括：

步骤一、用九段线性的分段函数描述正常情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(nor)，建立正常情况下功率器件行为模型；具体包括：

从功率器件接收到开通指令至开通稳态之前，将开通瞬态过程分为5个阶段：第一阶段为从功率器件接收到开通指令的瞬间至集射极电压开始下降的瞬间，该阶段为时长t_d(on)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从0上升到负载电流I_L的百分之十；第三阶段为集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十；第四阶段为集射极电压下降到最小值；第五阶段为集射极电流从最大值恢复到负载电流；

从功率器件接收到关断指令至关断稳态之前，将关断瞬态过程分为4个阶段：第一阶段为从功率器件接收到关断指令的瞬间至集射极电压开始上升的瞬间，该阶段为时长t_d(off)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从负载电流下降到其百分之九十；第三阶段为集射极电压上升至尖峰电压V_spi；第四阶段为集射极电压下降到关断稳态值；

步骤二、确定功率器件老化情况下集射极电压V_ce(aged)各个阶段的变化，用九段线性的分段函数描述老化情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(aged)，建立老化情况下功率器件行为模型；

相比于正常态，功率器件老化后，开通过程整体表现为开通过程变慢、开通提前，具体为开通的初始延迟时间t_d(on)减少，开通速度下降，开通时间增大，通态压降上升到原来的百分之十；关断过程整体表现为关断变慢、关断滞后，具体为关断的初始延迟时间t_d(off)增大，可忽略不计，关断速度下降，关断时间增大，尖峰电压减小；

其中，所述老化情况下功率器件行为模型携带分段的老化系数信息，具体包括：

定义值为0至1的老化系数k_i，表示功率器件各个阶段的老化程度，k_i的值越接近1老化程度越严重，i的值为1至9，依次对应表示功率器件的开通瞬态过程第一、二、三、四、五阶段和关断瞬态过程第一、二、三、四阶段的老化程度；开通第二阶段、关断第一阶段和第四阶段老化前后功率器件集射极电压无变化，k₂、k₆和k₉不存在。

本发明具有以下有益效果：

模型能够较为精确的反映功率器件老化前后的瞬态特性，如延迟时间、电流上升时间、电流下降时间、通态电压、尖峰电流等；模型复杂度低，在牵引变流器电路仿真中实现方便；可以模拟正常和老化两种运行状态，根据不同需要，能够对单桥臂上任意一个功率器件进行任意程度的老化注入实验，无需进行实物损伤性实验，就能得到牵引变流器老化的数据和特征，并且可以进行重复性实验，为数据采集提供方便，为牵引变流器老化的检测、诊断、隔离和容错技术研究提供较为真实可靠的模拟环境。同时，本发明的功率器件在正常和老化情况下的对比参照建模方法还可以广泛应用在牵引变流器之外的相关故障注入或老化模拟等场景中。

下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是本发明的正常情况下功率器件开通和关断瞬态的集射极电压示意图；

图2是牵引变流器单个桥臂输出电流流出时电流路径图；

图3是牵引变流器单个桥臂输出电流流入时电流路径图；

图4是本发明实施例1正常和老化情况下IGBT开通瞬态的集射极电压波形图；

图5是本发明实施例1正常和老化情况下IGBT关断瞬态的集射极电压波形图；

图6是本发明实施例1的IGBT由正常逐渐老化时开通和关断瞬态集射极电压波形图；

图7是本发明实施例1的牵引变流器单个桥臂输出电压波形图；

图8是本发明的老化注入器结构示意图；

图9是本发明牵引变流器老化建模方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

参照附图1至附图9，本实施例公开一种牵引变流器老化建模方法。

定义功率器件开通时的稳态电压为V_ce(on)，关断时的稳态电压为V_ce(off)，功率器件开通和关断瞬态的各个阶段和行为模型如图1所示。

第一步，用分段函数描述正常情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(nor)，建立正常情况下功率器件行为模型。包括以下子步骤：

步骤11：确定功率器件开通和关断瞬态过程的各个阶段：

从功率器件接收到开通指令至开通稳态之前，将开通瞬态过程分为5个阶段：第一阶段为从功率器件接收到开通指令的瞬间至集射极电压开始下降的瞬间，此阶段为时长t_d(on)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从0上升到负载电流I_L的百分之十；第三阶段为集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十；第四阶段为集射极电压下降到最小值；第五阶段为集射极电流从最大值恢复到负载电流；

从功率器件接收到关断指令至关断稳态之前，将关断瞬态过程分为4个阶段：第一阶段为从功率器件接收到关断指令的瞬间到集射极电压开始上升的瞬间，此阶段为时长t_d(off)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从负载电流下降到其百分之九十；第三阶段为集射极电压上升至尖峰电压V_spi；第四阶段为集射极电压下降到关断稳态值。

步骤12：用分段函数描述正常情况下各个阶段内集射极电压V_ce(nor)；

定义正常情况下功率器件开通时的稳态电压为V_ce(on)，关断时的稳态电压为V_ce(off)，正常情况下功率器件开通和关断各个阶段和集射极电压V_ce(nor)变化如图1所示。

[t₀―t₁]：为开通瞬态过程第一阶段。功率器件开通前输出电压是关断时的稳态电压V_ce(off)，驱动发出开通信号，功率器件接收到开通指令的瞬间定义为t₀时刻，集射极电压V_ce(nor)开始下降的瞬间定义为t₁时刻，此阶段是功率器件正式开通前的初始延迟，V_ce几乎无变化，如下式所示：

V_ce(nor)(t)＝V_ce(off) (1)

[t₁―t₂]:为开通瞬态过程第二阶段。随着集射极电流上升到负载电流I_L的百分之十，集射极电压V_ce(nor)缓慢下降，到t₂时刻下降到关断稳态电压V_ce(off)的百分之九十，如下式所示：

[t₂―t₃]:为开通瞬态过程第三阶段，此阶段称为上升时间。集射极电流快速上升，集射极电压V_ce(nor)以固定斜率快速下降，到t₃时刻集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t₃―t₄]：为开通瞬态过程第四阶段。集射极电流继续上升，上升到最大值后逐步下降，集射极电压V_ce(nor)继续下降，直至t₄时刻下降到最小值V_ce(min)，如下式所示：

[t₄―t₅]：为开通瞬态过程第五阶段。集射极电流继续下降到负载电流，集射极电压V_ce(nor)从最小值上升至开通稳态电压V_ce(on)，即饱和压降，功率器件开通并进入相对稳定的状态，如下式所示：

[t₆―t₇]：为关断瞬态过程第一阶段。功率器件关断前输出电压是开通时的稳态电压V_ce(on)，驱动发出关断信号，功率器件接收到关断指令的瞬间定义为t₆时刻，集射极电压V_ce(nor)开始上升的瞬间定义为t₇时刻，此阶段是功率器件正式关断前的初始延迟，集射极电压几乎无变化，如下式所示：

V_ce(nor)(t)＝V_ce(on) (6)

[t₇―t₈]：为关断瞬态过程第二阶段。集射极电流开始缓慢下降，集射极电压V_ce(nor)开始缓慢上升，到t₈时刻集射极电流下降到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t₈―t₉]：为关断瞬态过程第三阶段。集射极电压V_ce(nor)继续上升，至t₉时刻V_ce(nor)产生一个超过稳态关断电压的尖峰电压V_spi，如下式所示：

[t₉―t₁₀]：为关断瞬态过程第四阶段。V_ce(nor)到达尖峰电压后开始下降，到t₁₀时刻下降到关断稳态值V_ce(off)，此过程描述为:

步骤13：公式(1)～(9)构成正常情况下功率器件的行为模型。

第二步，确定功率器件老化情况下集射极电压V_ce(aged)各个阶段的变化，用分段函数描述老化情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(aged)，建立老化情况下功率器件行为模型，包括以下子步骤：

步骤21：功率器件老化后，开通过程整体表现为开通过程变慢、开通提前，具体为开通的初始延迟时间t_d(on)显著减少，开通速度显著下降，开通时间增大，通态压降上升到原来的百分之十；关断过程整体表现为关断变慢、关断滞后，具体为关断的初始延迟时间t_d(off)增大，可忽略不计，关断速度显著下降，关断时间增大，尖峰电压显著减小。

步骤22：参考正常情况下功率器件行为模型的建立过程，根据上述功率器件老化后开通和关断瞬态过程各个阶段的改变，确定功率器件老化后开通和关断过程各个阶段和各个阶段集射极电压V_ce(aged)的初始值和最终值，以及各个阶段的持续时间，用分段函数重新描述老化情况下各个阶段的集射极电压V_ce(aged)；

定义值为0至1的老化系数k_i，表示功率器件各个阶段的老化程度，i的值为1到9，依次对应表示功率器件的开通瞬态过程第一、二、三、四、五阶段和关断瞬态过程第一、二、三、四阶段的老化程度；对于老化前后功率器件集射极电压无变化的阶段，k_i不存在。

[t′₀―t′₁]：为开通瞬态过程第一阶段。此阶段是功率器件正式开通前的初始延迟，老化后的功率器件初始延迟时间t′_d(on)减少为原t_d(on)的百分之八十五，功率器件开通前集射极电压V_ce(aged)几乎无变化，是关断时的稳态电压V′_ce(off)，关断时稳态电压无变化，如下式所示：

[t′₁―t′₂]:为开通瞬态过程第二阶段。老化前后功率器件的集射极电压V_ce(aged)在此阶段无变化，此阶段时长无变化，随着集射极电流上升到负载电流的百分之十，集射极电压V_ce(aged)缓慢下降，到t′₂时刻下降到关断稳态电压V′_ce(off)的百分之九十，如下式所示：

[t′₂―t′₃]:为开通瞬态过程第三阶段。此阶段时长增大百分之二十五，老化后的功率器件集射极电流上升速度变慢，集射极电压V_ce(aged)下降变慢，到t′₃时刻集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t′₃―t′₄]：为开通瞬态过程第四阶段。此阶段时长增大百分之二十,集射极电流继续上升，集射极电压V_ce(aged)继续下降，直至t′₄时刻下降到最小值V′_ce(min)，如下式所示：

[t′₄―t′₅]：为开通瞬态过程第五阶段。老化后的功率器件开通稳态电压V′_ce(on)增大百分之十，且此阶段时长无变化，V_ce(aged)上升至开通稳态电压V′_ce(on)，功率器件开通并进入相对稳定的状态，如下式所示：

[t′₆―t′₇]：为关断瞬态过程第一阶段。此阶段是功率器件正式关断前的初始延迟，老化后的功率器件初始延迟时间t′_d(off)几乎不变，功率器件关断前集射极电压V_ce(aged)几乎无变化，是开通稳态电压V′_ce(on)，如下式所示：

[t′₇―t′₈]：为关断瞬态过程第二阶段。此阶段时长增大百分之七，集射极电流开始缓慢下降，集射极电压V_ce(aged)开始缓慢上升，到t′₈时刻，集射极电流下降到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t′₈―t′₉]：为关断瞬态过程第三阶段。此阶段时长增大百分之八十，V_ce(aged)继续上升，至t′₉时刻，产生一个超过稳态关断电压的尖峰峰值V′_spi，V′_spi减小为原V_spi的百分之九十，如下式所示：

[t′₉―t′₁₀]：为关断瞬态过程第四阶段。此阶段时长无变化且V_ce(aged)到达尖峰电压后下降至关断稳态值V′_ce(off)，此过程描述为：

步骤23：公式(10)～(18)构成老化情况下功率器件的行为模型。

第三步，将换流回路中的功率器件、反并联二极管作为一个二端口，使用老化情况下功率器件行为模型描述牵引变流器桥臂的换流回路特性，通过桥臂的输出电流方向和四个功率器件通断信号确定输出电压，建立牵引变流器老化模型。

输出电流流出桥臂时，即I_L≥0，输出电压U_x取决于上桥臂的两个功率器件通断状态和直流输入电压；输出电流流入桥臂时，即I_L<0，输出电压U_x取决于下桥臂的两个功率器件通断状态和直流输入电压，输出电压U_x表示为

式中U是直流侧上、下侧电容两端电压；V_{ce_s1}、V_{ce_s2}、V_{ce_s3}、V_{ce_s4}分别是桥臂从上至下的四个功率器件S1、S2、S3、S4的集射极电压；i_{x_1}和i_{x_2}分别是上桥臂输出电流和下桥臂输出电流；T_S1、T_S2、T_S3、T_S4模拟控制功率器件的控制脉冲信号，值为0或1，分别控制四个功率器件，当值为0时，对应的功率器件关断，当值为1时，对应的功率器件开通。

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为1100时，导通模式为上桥臂导通，如图2(a)所示；若I_L≥0，电流I_L流经S1、S2，公式(19)中各输出为：U_x＝V_{ce_s1}+V_{ce_s2}―U，i_{x_1}＝I_L，i_{x_2}＝0；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为1100时，导通模式为上桥臂导通，如图3(b)所示；若I_L<0，电流I_L流经S1、S2对应的反并联二极管D1、D2，公式(19)中各输出为：U_x＝U―V_{ce_s1}―V_{ce_s2}，i_{x_1}＝I_L，i_{x_2}＝0；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为0110时，导通模式为中点钳位，如图2(c)所示；若I_L≥0，电流I_L流经上钳位二极管D5、S2，公式(19)中各输出为：U_x＝V_{ce_s1}+V_{ce_s2}―U，i_{x_1}＝0，i_{x_2}＝0；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为0110时，导通模式为中点钳位，如图3(c)所示；若I_L<0，电流I_L流经下钳位二极管D6、S3，公式(19)中各输出为：U_x＝U―V_{ce_s1}―V_{ce_s2}，i_{x_1}＝0，i_{x_2}＝0；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为0011时，导通模式为下桥臂导通，如图2(b)所示；若I_L≥0，电流I_L流经S3、S4对应的反并联二极管D3、D4，公式(19)中各输出为：U_x＝V_{ce_s1}+V_{ce_s2}―U，i_{x_1}＝0，i_{x_2}＝I_L；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为0011时，导通模式为下桥臂导通，如图3(a)所示；若I_L<0，电流I_L流经S3、S4，公式(19)中各输出为：U_x＝U―V_{ce_s1}―V_{ce_s2}，i_{x_1}＝0，i_{x_2}＝I_L。

第四步，构建功率器件老化注入器，实施牵引变流器老化注入。包括以下子步骤：

步骤41：构建功率器件老化注入器；

故障注入器包括用户设定、控制实现、模型三部分，用户设定部分用于设定老化参数和注入时间；控制实现部分包括老化注入控制器，所述控制实现用于接收用户设定的老化参数和注入时间，还用于发出控制信号；模型部分包括功率器件正常情况下的行为模型和老化情况下的行为模型，所述模型用于进行功率器件正常状态与老化过程的模拟；

步骤42：实施老化注入；

设定功率器件老化参数和注入时间；故障注入控制器发出控制信号，将运行的正常模型切换至老化模型，在设定的老化注入时间完成老化注入。

本发明公开的实施例以IGBT为例，建立牵引变流器老化模型，参照CM50DU-24FIGBT的数据，具体参数表如表1所示。

表1：

图4是本发明实施例1正常和老化情况下IGBT开通瞬态的集射极电压波形图，图5是本发明实施例1正常和老化情况下IGBT关断瞬态的集射极电压波形图，图4和图5均是1us时刻IGBT接收到通断指令信号，图6是本发明实施例1的IGBT由正常逐渐老化时开通和关断的瞬态集射极电压波形图，图7是本发明实施例1牵引变流器单个桥臂输出电压波形图。从图中可以看出，本发明的功率器件行为模型能够应用于电路仿真，能够较准确的反映功率器件正常和老化情况下通断瞬态过程中的集射极电压主要特征，如延迟时间、通断时间、通断速度、电压尖峰等，也能够较准确的反映功率器件老化过程中开通和关断瞬态过程集射极电压的变化。

实施例2

与上述方法实施例相对应的，本实施例公开一种老化注入器，如图8所示，包括：用户设定、控制实现、故障模型库三部分。用户设定模块，用于设定功率器件老化参数和注入时间；模型选项模块，用于存功率器件正常情况下的模型和老化情况下的行为模型；老化注入模块，用于根据设定的功率器件老化参数和注入时间，在老化注入时将正常模型切换为老化模型，模拟功率器件老化过程。

本发明建立牵引变流器老化动态模型，可以模拟正常和老化两种运行状态，根据不同需要，能够对单桥臂上任意一个功率器件进行任意程度的老化注入实验，无需进行实物损伤性实验，就能得到牵引变流器老化的数据和特征，并且可以进行重复性实验，为数据采集提供方便，能够为牵引变流器老化的检测、诊断、隔离和容错技术研究提供较为真实可靠的模拟环境。

实施例3

基于与实施例1的同一技术构思，本实施例公开一种功率器件老化建模方法，包括：

步骤一、用九段线性的分段函数描述正常情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(nor)，建立正常情况下功率器件行为模型；具体包括：

从功率器件接收到开通指令至开通稳态之前，将开通瞬态过程分为5个阶段：第一阶段为从功率器件接收到开通指令的瞬间至集射极电压开始下降的瞬间，该阶段为时长t_d(on)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从0上升到负载电流I_L的百分之十；第三阶段为集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十；第四阶段为集射极电压下降到最小值；第五阶段为集射极电流从最大值恢复到负载电流；

从功率器件接收到关断指令至关断稳态之前，将关断瞬态过程分为4个阶段：第一阶段为从功率器件接收到关断指令的瞬间至集射极电压开始上升的瞬间，该阶段为时长t_d(off)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从负载电流下降到其百分之九十；第三阶段为集射极电压上升至尖峰电压V_spi；第四阶段为集射极电压下降到关断稳态值；

步骤二、确定功率器件老化情况下集射极电压V_ce(aged)各个阶段的变化，用九段线性的分段函数描述老化情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(aged)，建立老化情况下功率器件行为模型；

相比于正常态，功率器件老化后，开通过程整体表现为开通过程变慢、开通提前，具体为开通的初始延迟时间t_d(on)减少，开通速度下降，开通时间增大，通态压降上升到原来的百分之十；关断过程整体表现为关断变慢、关断滞后，具体为关断的初始延迟时间t_d(off)增大，可忽略不计，关断速度下降，关断时间增大，尖峰电压减小；

其中，所述老化情况下功率器件行为模型携带分段的老化系数信息，具体包括：

定义值为0至1的老化系数k_i，表示功率器件各个阶段的老化程度，k_i的值越接近1老化程度越严重，i的值为1至9，依次对应表示功率器件的开通瞬态过程第一、二、三、四、五阶段和关断瞬态过程第一、二、三、四阶段的老化程度；开通第二阶段、关断第一阶段和第四阶段老化前后功率器件集射极电压无变化，k₂、k₆和k₉不存在。

本实施例对正常情况和老化情况下的线性分段函数的具体设计同实施例1，不做赘述。需要指出的是，在本实施例及本发明上述各实施例中的上述描述中，相对于负载电流和集射极电压分段用的中间态比例、老化情况下的时长和尖峰峰值变化比例均为最佳值，其微调范围分布在相对应最佳值上下百分之五的范围内，可以根据不同应用场景其不同器件型号进行差异化设置，此种变形皆属于本领域技术人员所熟知的技术，均为本发明的方案的等同替换。

综上，本发明上述各实施例所分别公开的老化注入器及功率器件、牵引变流器老化建模方法，至少具有以下有益效果：

模型能够较为精确的反映功率器件老化前后的瞬态特性，如延迟时间、电流上升时间、电流下降时间、通态电压、尖峰电流等；模型复杂度低，在牵引变流器电路仿真中实现方便；可以模拟正常和老化两种运行状态，根据不同需要，能够对单桥臂上任意一个功率器件进行任意程度的老化注入实验，无需进行实物损伤性实验，就能得到牵引变流器老化的数据和特征，并且可以进行重复性实验，为数据采集提供方便，为牵引变流器老化的检测、诊断、隔离和容错技术研究提供较为真实可靠的模拟环境。同时，本发明的功率器件在正常和老化情况下的对比参照建模方法还可以广泛应用在牵引变流器之外的相关故障注入或老化模拟等场景中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种牵引变流器老化建模方法，其特征在于，包括：

步骤一、用分段函数描述正常情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(nor)，建立正常情况下功率器件行为模型；

步骤二、确定功率器件老化情况下集射极电压V_ce(aged)各个阶段的变化，用分段函数描述老化情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(aged)，建立老化情况下功率器件行为模型；所述步骤二包括：

步骤21：功率器件老化后，开通过程整体表现为开通过程变慢、开通提前，具体为开通的初始延迟时间t_d(on)减少，开通速度下降，开通时间增大，通态压降上升到原来的百分之十；关断过程整体表现为关断变慢、关断滞后，具体为关断的初始延迟时间t_d(off)增大，可忽略不计，关断速度下降，关断时间增大，尖峰电压减小；

步骤22：根据上述功率器件老化后开通和关断瞬态过程各个阶段的改变，确定功率器件老化后开通和关断过程各个阶段和各个阶段集射极电压V_ce(aged)的初始值和最终值，以及各个阶段的持续时间，用分段函数重新描述老化情况下各个阶段的集射极电压V_ce(aged)；

定义值为0至1的老化系数k_i，表示功率器件各个阶段的老化程度，k_i的值越接近1老化程度越严重，i的值为1至9，依次对应表示功率器件的开通瞬态过程第一、二、三、四、五阶段和关断瞬态过程第一、二、三、四阶段的老化程度；开通第二阶段、关断第一阶段和第四阶段老化前后功率器件集射极电压无变化，k₂、k₆和k₉不存在；

[t′₀-t′₁]：为开通瞬态过程第一阶段，该阶段是功率器件正式开通前的初始延迟，老化后的功率器件初始延迟时间t′_d(on)减少为原t_d(on)的百分之八十五，功率器件开通前集射极电压V_ce(aged)几乎无变化，是关断时的稳态电压V′_ce(off)，关断时稳态电压无变化，如下式所示：

[t′₁-t′₂]：为开通瞬态过程第二阶段，老化前后功率器件的集射极电压V_ce(aged)在该阶段无变化，该阶段时长无变化，随着集射极电流上升到负载电流的百分之十，集射极电压V_ce(aged)缓慢下降，到t′₂时刻下降到关断稳态电压V′_ce(off)的百分之九十，如下式所示：

[t′₂-t′₃]：为开通瞬态过程第三阶段，该阶段时长增大百分之二十五，老化后的功率器件集射极电流上升速度变慢，集射极电压V_ce(aged)下降变慢，到t′₃时刻集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t′₃-t′₄]：为开通瞬态过程第四阶段，该阶段时长增大百分之二十，集射极电流继续上升，集射极电压V_ce(aged)继续下降，直至t′₄时刻下降到最小值V′_ce(min)，如下式所示：

[t′₄-t′₅]：为开通瞬态过程第五阶段，老化后的功率器件开通稳态电压V′_ce(on)增大百分之十，且该阶段时长无变化，V_ce(aged)上升至开通稳态电压V′_ce(on)，功率器件开通并进入相对稳定的状态，如下式所示：

[t′₆-t′₇]：为关断瞬态过程第一阶段，该阶段是功率器件正式关断前的初始延迟，老化后的功率器件初始延迟时间t′_d(off)几乎不变，功率器件关断前集射极电压V_ce(aged)几乎无变化，是开通稳态电压V′_ce(on)，如下式所示：

[t′₇-t′₈]：为关断瞬态过程第二阶段，该阶段时长增大百分之七，集射极电流开始缓慢下降，集射极电压V_ce(aged)开始缓慢上升，到t′₈时刻，集射极电流下降到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t′₈-t′₉]：为关断瞬态过程第三阶段，该阶段时长增大百分之八十，V_ce(aged)继续上升，至t′₉时刻，产生一个超过稳态关断电压的尖峰峰值V′_spi，V′_spi减小为原V_spi的百分之九十，如下式所示：

[t′₉-t′₁₀]：为关断瞬态过程第四阶段，该阶段时长无变化且V_ce(aged)到达尖峰电压后下降至关断稳态值V′_ce(off)，此过程描述为：

步骤23：公式(10)～(18)构成老化情况下功率器件的行为模型；

步骤三、使用功率器件行为模型描述牵引变流器桥臂的换流回路特性，建立牵引变流器老化模型；

步骤四、构建功率器件老化注入器，实施牵引变流器老化注入。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤一包括：

步骤11：确定功率器件开通和关断瞬态过程的各个阶段：

从功率器件接收到开通指令至开通稳态之前，将开通瞬态过程分为5个阶段：第一阶段为从功率器件接收到开通指令的瞬间至集射极电压开始下降的瞬间，该阶段为时长t_d(on)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从0上升到负载电流I_L的百分之十；第三阶段为集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十；第四阶段为集射极电压下降到最小值；第五阶段为集射极电流从最大值恢复到负载电流；

从功率器件接收到关断指令至关断稳态之前，将关断瞬态过程分为4个阶段：第一阶段为从功率器件接收到关断指令的瞬间至集射极电压开始上升的瞬间，该阶段为时长t_d(off)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从负载电流下降到其百分之九十；第三阶段为集射极电压上升至尖峰电压V_spi；第四阶段为集射极电压下降到关断稳态值；

步骤12：用分段函数描述正常情况下各个阶段内集射极电压V_ce(nor)；

定义正常情况下功率器件开通时的稳态电压为V_ce(on)，关断时的稳态电压为V_ce(off)；

[t₀-t₁]：为开通瞬态过程第一阶段，功率器件开通前输出电压是关断时的稳态电压V_ce(off)，驱动发出开通信号，功率器件接收到开通指令的瞬间定义为t₀时刻，集射极电压V_ce(nor)开始下降的瞬间定义为t₁时刻，该阶段是功率器件正式开通前的初始延迟，V_ce几乎无变化，如下式所示：

V_ce(nor)(t)＝V_ce(off) (1)

[t₁-t₂]：为开通瞬态过程第二阶段；随着集射极电流上升到负载电流I_L的百分之十，集射极电压V_ce(nor)缓慢下降，到t₂时刻下降到关断稳态电压V_ce(off)的百分之九十，如下式所示：

[t₂-t₃]：为开通瞬态过程第三阶段，该阶段称为上升时间，集射极电流快速上升，集射极电压V_ce(nor)以固定斜率快速下降，到t₃时刻集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t₃-t₄]：为开通瞬态过程第四阶段，集射极电流继续上升，上升到最大值后逐步下降，集射极电压V_ce(nor)继续下降，直至t₄时刻下降到最小值V_ce(min)，如下式所示：

[t₄-t₅]：为开通瞬态过程第五阶段，集射极电流继续下降到负载电流，集射极电压V_ce(nor)从最小值上升至开通稳态电压V_ce(on)，即饱和压降，功率器件开通并进入相对稳定的状态，如下式所示：

[t₆-t₇]：为关断瞬态过程第一阶段，功率器件关断前输出电压是开通时的稳态电压V_ce(on)，驱动发出关断信号，功率器件接收到关断指令的瞬间定义为t₆时刻，集射极电压V_ce(nor)开始上升的瞬间定义为t₇时刻，该阶段是功率器件正式关断前的初始延迟，集射极电压几乎无变化，如下式所示：

V_ce(nor)(t)＝V_ce(on) (6)

[t₇-t₈]：为关断瞬态过程第二阶段；集射极电流开始缓慢下降，集射极电压V_ce(nor)开始缓慢上升，到t₈时刻集射极电流下降到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t₈-t₉]：为关断瞬态过程第三阶段，集射极电压V_ce(nor)继续上升，至t₉时刻V_ce(nor)产生一个超过稳态关断电压的尖峰电压V_spi，如下式所示：

[t₉-t₁₀]：为关断瞬态过程第四阶段，V_ce(nor)到达尖峰电压后开始下降，到t₁₀时刻下降到关断稳态值V_ce(off)，此过程描述为：

步骤13：公式(1)～(9)构成正常情况下功率器件的行为模型。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三包括：

将换流回路中的功率器件、反并联二极管作为一个二端口，使用老化情况下功率器件行为模型描述牵引变流器桥臂的换流回路特性，通过桥臂的输出电流方向和四个功率器件通断信号确定输出电压，建立牵引变流器老化模型；

输出电流流出桥臂时，即I_L≥0，输出电压U_x取决于上桥臂的两个功率器件通断状态和直流输入电压；输出电流流入桥臂时，即I_L＜0，输出电压U_x取决于下桥臂的两个功率器件通断状态和直流输入电压，输出电压U_x表示为：

式中U是直流侧上、下侧电容两端电压；V_{ce_s1}、V_{ce_s2}、V_{ce_s3}、V_{ce_s4}分别是桥臂从上至下的四个功率器件S1、S2、S3、S4的集射极电压；i_{x_1}和i_{x_2}分别是上桥臂输出电流和下桥臂输出电流；T_S1、T_S2、T_S3、T_S4模拟控制功率器件的控制脉冲信号，值为0或1，分别控制四个功率器件，当值为0时，对应的功率器件关断，当值为1时，对应的功率器件开通；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为1100时，导通模式为上桥臂导通；若I_L≥0，电流I_L流经S1、S2，公式(19)中各输出为：U_x＝V_{ce_s1}+V_{ce_s2}-U，i_{x_1}＝I_L，i_{x_2}＝0；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为1100时，导通模式为上桥臂导通；若I_L＜0，电流I_L流经S1、S2对应的反并联二极管D1、D2，公式(19)中各输出为：U_x＝U-V_{ce_s1}-V_{ce_s2}，i_{x_1}＝I_L，i_{x_2}＝0；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为0110时，导通模式为中点钳位；若I_L≥0，电流I_L流经上钳位二极管D5、S2，公式(19)中各输出为：U_x＝V_{ce_s1}+V_{ce_s2}-U，i_{x_1}＝0，i_{x_2}＝0；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为0110时，导通模式为中点钳位；若I_L＜0，电流I_L流经下钳位二极管D6、S3，公式(19)中各输出为：U_x＝U-V_{ce_s1}-V_{ce_s2}，i_{x_1}＝0，i_{x_2}＝0；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为0011时，导通模式为下桥臂导通；若I_L≥0，电流I_L流经S3、S4对应的反并联二极管D3、D4，公式(19)中各输出为：U_x＝V_{ce_s1}+V_{ce_s2}-U，i_{x_1}＝0，i_{x_2}＝I_L；

当开关函数T_S1T_S2T_S3T_S4为0011时，导通模式为下桥臂导通；若I_L＜0，电流I_L流经S3、S4，公式(19)中各输出为：U_x＝U-V_{ce_s1}-V_{ce_s2}，i_{x_1}＝0，i_{x_2}＝I_L。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四包括：

步骤41：构建功率器件老化注入器；

故障注入器包括用户设定、控制实现、模型三部分，用户设定部分用于设定老化参数和注入时间；控制实现部分包括老化注入控制器，所述控制实现用于接收用户设定的老化参数和注入时间，还用于发出控制信号；模型部分包括功率器件正常情况下的行为模型和老化情况下的行为模型，所述模型用于进行功率器件正常状态与老化过程的模拟；

步骤42：实施老化注入；

设定功率器件老化参数和注入时间；故障注入控制器发出控制信号，将运行的正常模型切换至老化模型，在设定的老化注入时间完成老化注入。

5.一种用于执行上述权利要求1至4任一所述方法的老化注入器，其特征在于，包括：

用户设定模块，用于设定功率器件老化参数和注入时间；

模型选项模块，用于存功率器件正常情况下的模型和老化情况下的行为模型；

老化注入模块，用于根据设定的功率器件老化参数和注入时间，在老化注入时将正常模型切换为老化模型，模拟功率器件老化过程。

6.一种功率器件老化建模方法，其特征在于，包括：

步骤一、用九段线性的分段函数描述正常情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(nor)，建立正常情况下功率器件行为模型；具体包括：

从功率器件接收到开通指令至开通稳态之前，将开通瞬态过程分为5个阶段：第一阶段为从功率器件接收到开通指令的瞬间至集射极电压开始下降的瞬间，该阶段为时长t_d(on)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从0上升到负载电流I_L的百分之十；第三阶段为集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十；第四阶段为集射极电压下降到最小值；第五阶段为集射极电流从最大值恢复到负载电流；

从功率器件接收到关断指令至关断稳态之前，将关断瞬态过程分为4个阶段：第一阶段为从功率器件接收到关断指令的瞬间至集射极电压开始上升的瞬间，该阶段为时长t_d(off)的初始延迟；第二阶段为集射极电流从负载电流下降到其百分之九十；第三阶段为集射极电压上升至尖峰电压V_spi；第四阶段为集射极电压下降到关断稳态值；

步骤二、确定功率器件老化情况下集射极电压V_ce(aged)各个阶段的变化，用九段线性的分段函数描述老化情况下功率器件开通和关断过程中各个阶段的集射极电压V_ce(aged)，建立老化情况下功率器件行为模型；老化情况下所对应的九段线性分段函数具体包括：

[t′₀-t′₁]：为开通瞬态过程第一阶段，该阶段是功率器件正式开通前的初始延迟，老化后的功率器件初始延迟时间t′_d(on)减少为原t_d(on)的百分之八十五，功率器件开通前集射极电压V_ce(aged)几乎无变化，是关断时的稳态电压V′_ce(off)，关断时稳态电压无变化，如下式所示：

[t′₁-t′₂]：为开通瞬态过程第二阶段，老化前后功率器件的集射极电压V_ce(aged)在该阶段无变化，该阶段时长无变化，随着集射极电流上升到负载电流的百分之十，集射极电压V_ce(aged)缓慢下降，到t′₂时刻下降到关断稳态电压V′_ce(off)的百分之九十，如下式所示：

[t′₂-t′₃]：为开通瞬态过程第三阶段，该阶段时长增大百分之二十五，老化后的功率器件集射极电流上升速度变慢，集射极电压V_ce(aged)下降变慢，到t′₃时刻集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t′₃-t′₄]：为开通瞬态过程第四阶段，该阶段时长增大百分之二十，集射极电流继续上升，集射极电压V_ce(aged)继续下降，直至t′₄时刻下降到最小值V′_ce(min)，如下式所示：

[t′₄-t′₅]：为开通瞬态过程第五阶段，老化后的功率器件开通稳态电压V′_ce(on)增大百分之十，且该阶段时长无变化，V_ce(aged)上升至开通稳态电压V′_ce(on)，功率器件开通并进入相对稳定的状态，如下式所示：

[t′₆-t′₇]：为关断瞬态过程第一阶段，该阶段是功率器件正式关断前的初始延迟，老化后的功率器件初始延迟时间t′_d(off)几乎不变，功率器件关断前集射极电压V_ce(aged)几乎无变化，是开通稳态电压V′_ce(on)，如下式所示：

[t′₇-t′₈]：为关断瞬态过程第二阶段，该阶段时长增大百分之七，集射极电流开始缓慢下降，集射极电压V_ce(aged)开始缓慢上升，到t′₈时刻，集射极电流下降到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t′₈-t′₉]：为关断瞬态过程第三阶段，该阶段时长增大百分之八十，V_ce(aged)继续上升，至t′₉时刻，产生一个超过稳态关断电压的尖峰峰值V′_spi，V′_spi减小为原V_spi的百分之九十，如下式所示：

[t′₉-t′₁₀]：为关断瞬态过程第四阶段，该阶段时长无变化且V_ce(aged)到达尖峰电压后下降至关断稳态值V′_ce(off)，此过程描述为：

步骤23：公式(10)～(18)构成老化情况下功率器件的行为模型；

相比于正常态，功率器件老化后，开通过程整体表现为开通过程变慢、开通提前，具体为开通的初始延迟时间t_d(on)减少，开通速度下降，开通时间增大，通态压降上升到原来的百分之十；关断过程整体表现为关断变慢、关断滞后，具体为关断的初始延迟时间t_d(off)增大，可忽略不计，关断速度下降，关断时间增大，尖峰电压减小；

其中，所述老化情况下功率器件行为模型携带分段的老化系数信息，具体包括：

定义值为0至1的老化系数k_i，表示功率器件各个阶段的老化程度，k_i的值越接近1老化程度越严重，i的值为1至9，依次对应表示功率器件的开通瞬态过程第一、二、三、四、五阶段和关断瞬态过程第一、二、三、四阶段的老化程度；开通第二阶段、关断第一阶段和第四阶段老化前后功率器件集射极电压无变化，k₂、k₆和k₉不存在。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，用分段函数描述正常情况下各个阶段内集射极电压V_ce(nor)，定义正常情况下功率器件开通时的稳态电压为V_ce(on)，关断时的稳态电压为V_ce(off)；所述九段线性分段函数具体包括：

[t₀-t₁]：为开通瞬态过程第一阶段，功率器件开通前输出电压是关断时的稳态电压V_ce(off)，驱动发出开通信号，功率器件接收到开通指令的瞬间定义为t₀时刻，集射极电压V_ce(nor)开始下降的瞬间定义为t₁时刻，该阶段是功率器件正式开通前的初始延迟，V_ce几乎无变化，如下式所示：

V_ce(nor)(t)＝V_ce(off) (1)

[t₁-t₂]：为开通瞬态过程第二阶段；随着集射极电流上升到负载电流I_L的百分之十，集射极电压V_ce(nor)缓慢下降，到t₂时刻下降到关断稳态电压V_ce(off)的百分之九十，如下式所示：

[t₂-t₃]：为开通瞬态过程第三阶段，该阶段称为上升时间，集射极电流快速上升，集射极电压V_ce(nor)以固定斜率快速下降，到t₃时刻集射极电流上升到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t₃-t₄]：为开通瞬态过程第四阶段，集射极电流继续上升，上升到最大值后逐步下降，集射极电压V_ce(nor)继续下降，直至t₄时刻下降到最小值V_ce(min)，如下式所示：

[t₄-t₅]：为开通瞬态过程第五阶段，集射极电流继续下降到负载电流，集射极电压V_ce(nor)从最小值上升至开通稳态电压V_ce(on)，即饱和压降，功率器件开通并进入相对稳定的状态，如下式所示：

[t₆-t₇]：为关断瞬态过程第一阶段，功率器件关断前输出电压是开通时的稳态电压V_ce(on)，驱动发出关断信号，功率器件接收到关断指令的瞬间定义为t₆时刻，集射极电压V_ce(nor)开始上升的瞬间定义为t₇时刻，该阶段是功率器件正式关断前的初始延迟，集射极电压几乎无变化，如下式所示：

V_ce(nor)(t)＝V_ce(on) (6)

[t₇-t₈]：为关断瞬态过程第二阶段；集射极电流开始缓慢下降，集射极电压V_ce(nor)开始缓慢上升，到t₈时刻集射极电流下降到负载电流I_L的百分之九十，集射极电压为

如下式所示：

[t₈-t₉]：为关断瞬态过程第三阶段，集射极电压V_ce(nor)继续上升，至t₉时刻V_ce(nor)产生一个超过稳态关断电压的尖峰电压V_spi，如下式所示：

[t₉-t₁₀]：为关断瞬态过程第四阶段，V_ce(nor)到达尖峰电压后开始下降，到t₁₀时刻下降到关断稳态值V_ce(off)，此过程描述为：

上述公式(1)～(9)构成正常情况下功率器件的行为模型。

8.根据权利要求6至7任一所述的功率器件老化建模方法，其特征在于，上述描述中，相对于负载电流和集射极电压分段用的中间态比例、老化情况下的时长和尖峰峰值变化比例均为最佳值，微调范围分布在相对应最佳值上下百分之五的范围内。

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