CN114337225A

CN114337225A - 一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法

Info

Publication number: CN114337225A
Application number: CN202111651125.7A
Authority: CN
Inventors: 王俊; 胡波; 贺敏敏; 张超; 柯子鹏; 梁世维; 邓高强; 王雨薇
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Hunan University
Priority date: 2021-12-30
Filing date: 2021-12-30
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明属于开关器件的健康管理技术领域，具体涉及一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，包括顺次连接的直流源、变换器拓扑、负载和监测装置，所述变换器拓扑包括开关器件，所述开关器件包括IGBT、SiC MOSFET和GaN HEMT；所述监测装置通过对开关器件的电参数或非电参数在线监测，并对获得的电参数或非电参数进行线性拟合，得到某些参数如均压电路中电压和均流电路中电流与开关器件老化情况的函数关系，用于预测所述开关器件的老化程度。本发明利用电路参数和精确的控制算法在监测装置的辅助下平衡各器件的老化程度，提高器件使用寿命从而达到减少维修成本，提高系统整体运行时间的目的。

Description

一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法

技术领域

本发明属于开关器件的健康管理技术领域，具体涉及一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法。

背景技术

近年来，新能源发电因其具有清洁，高效，可再生，分布广泛等特点，被越来越广泛的应用。然而随着风电、光伏发电的装机容量不断增加，如何能安全、可靠、经济、高效的利用新能源对于我国构建低碳经济网络变得愈发重要。同时，风电、光电发电机组通常安装在海上、荒漠、滩涂等偏远地方，运行环境恶劣，若其发生故障，工作人员进场维修困难，势必增加维护费用，降低经济性；同时频发的机组故障也会给电网的安全、稳定运行带来困扰。如何降低发电机组故障率和提高维修率以提高新能源发电系统的可靠性成为当前面临的挑战之一。

另外，在其它一些对可靠性要求较高的关键电力电子应用装置中，例如轨道交通，电动汽车和航空航天等，电力电子装置稳定可靠运行也至关重要。而功率器件是功率变流器的核心部件之一，也是造成功率变流器失效的根本原因之一。一旦功率器件出现失效，可能会造成重大安全问题。而功率器件发生退化，可能会影响变换器的正常运行，增加电力电子应用的维护成本，造成经济损失。因此，研究和提高功率器件的运行可靠性，是降低功率变流器故障的基础。

目前已有一些提升系统可靠性的方法。其中之一是状态监测(ConditionMonitoring–CM)技术。CM技术通过对运行中的器件模块的健康状态进行实时评估，当探测到器件模块状态接近失效阈值时，提示运行维护者及时对器件模块进行维修或更换。实际运行电路中常是多个器件共同工作，系统总体运行时间取决于可靠性最低的器件。而CM技术只能起到提前提示的作用，没有增加单个器件的可靠性，且增加了维修成本。

另一种方法主要是从器件由于某些原因完全失效的角度考虑的。采用该方法需要系统有以下三个元素，(1)组件冗余，(2)故障检测和识别机制，以及(3)补救或重新配置机制。这种方法虽然可以有效的较少对模块维修和更换的成本，但系统组成变得复杂，整体体积增大，总成本也变高，且故障容错运行会导致系统性能水平降低。

因此，针对目前提升电力电子装置可靠性的问题，采用何种方式以实现成本与性能的折中成为一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种提升电力电子装置的可靠性的新方法，具体是一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，所述方法针对电路中某些电参数与器件老化程度相关的变换器，利用已有的状态监测技术，得到这些电参数与各器件老化程度的关系，通过控制算法改变这些电参数来平衡各器件的老化程度，达到提升系统总体运行时间的目的。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，包括顺次连接的直流源、变换器拓扑、负载和监测装置，所述变换器拓扑包括开关器件，所述开关器件包括IGBT、SiCMOSFET和GaN HEMT。

优选地，所述监测装置通过对开关器件的电参数或非电参数在线监测，并对获得的电参数或非电参数进行线性拟合，得到飞跨电容电压与开关器件老化情况的函数关系，用于预测所述开关器件的老化程度。

优选地，所述电参数或非电参数为与开关器件的老化程度相关的特征参数，包括键合线电阻、动态阈值电压和通态压降。

优选地，所述变换器包括三电平飞跨电容Boost电路或多电平飞跨电容逆变电路。

优选地，通过控制算法精确控制所述开关器件承受的电压和电流。

优选地，所述控制算法包括移向载波控制法和模型预测控制法。

优选地，所述变换器采用三电平飞跨电容Boost电路，三电平飞跨电容Boost电路的组成包括恒定直流电压源，电感L1，开关器件S1，S2，S3，S4，飞跨电容C_f，输出电容C_o和负载R；

采用监测装置离线获得开关器件S1，S2，S3，S4在不同飞跨电容电压下的老化情况，并进行数据拟合，得到飞跨电容电压与器件老化情况的函数关系；

图2为本发明方法的控制框图。在三电平飞跨电容Boost电路运行中采用状态监测装置在线得到S1，S2的老化情况；

当开关S1，S2老化程度出现差异时，通过离线获得的飞跨电容电压与器件老化程度的函数关系，得到最优飞跨电容电压；

改变上述控制算法中的飞跨电容电压参考值以平衡两器件老化程度。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果如下：

本发明通过在线对开关器件状态监测及老化预测，当开关器件老化程度出现差异时，利用控制算法改变电路中某些参数，间接地改变开关器件的电压，电流应力等，以平衡器件的老化程度，从而达到提高变换器整体运行时间的目的。

本发明利用电路参数和精确的控制算法在监测装置的辅助下平衡各器件的老化程度，提高器件的使用寿命从而达到减少维修成本，提高系统整体运行时间的目的。

本发明充分利用了变换器某些电参数与器件老化程度相关的特征，结合在线健康状态监测装置与相应的控制算法，实现了提高变换器可靠性的目的。与现有的方法相比，减少了维修次数，从本质上提高了器件本身的寿命。可运用于均压，均流为代表的各种电力电子装置中，为电力电子变换器实现高可靠性的目标提供一种新的解决方案。

附图说明

图1为本发明实施例中的Boost电路；

图2为本发明方法的控制策略；

图3为键合线电阻与循环周期数的关系；

图4为芯片电阻与循环周期数的关系；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面将结合附图1-3对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1-3，一种新型的提高变换器的可靠性的方法，包括开关器件健康状态监测装置以及精确控制电路参数的算法；

本实施例中，先对单个器件进行功率循环测试，获得其键合线电阻与封装老化，芯片电阻，动态阈值电压等与芯片老化对应的数据。图3为键合线电阻与循环周期数的关系。图4为芯片电阻退化与循环周期数的关系。综合考虑这些数据，建立这些数据与器件老化的模型。

离线获得各器件在飞跨电容电压分别为…Vo/2+3ΔV，Vo/2+2ΔV，Vo/2+ΔV，Vo/2，Vo/2-ΔV，Vo/2-2ΔV，Vo/2-3ΔV…时各开关器件的键合线电阻，动态阈值电压和通态压降。

将所述数据进行拟合得到各器件老化情况与飞跨电容电压的函数关系式。

当变换器开始运行时，开关S1与S2的老化情况基本相同，控制飞跨电容电压在Vo/2，以便使各器件电压应力相同。

随着运行时间的增加，当监测到S1的老化程度与S2的老化程度出现差异时，根据上述各器件老化程度与时间的函数关系预测在不同飞跨电容电压V下各器件的寿命Ls1，Ls2。通过算法遍历找到使min(Ls1,Ls2)最大的飞跨电容电压值Vref并改变控制算法中飞跨电容电压的参考值为Vref。

在飞跨电容电压为Vref时，老化程度大的器件相较于老化程度小的器件老化速度会变慢，在时间T后，两器件老化程度达到一致。随着时间的进行当监测到老化程度不同时继续采用上述方法平衡器件老化程度。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，其特征在于，包括顺次连接的直流源、变换器拓扑、负载和监测装置，所述变换器拓扑包括开关器件，所述开关器件包括IGBT、SiC MOSFET和GaN HEMT。

2.根据权利要求1所述的一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，其特征在于，所述监测装置通过对开关器件的电参数或非电参数在线监测，并对获得的电参数或非电参数进行线性拟合，得到这些参数与开关器件老化情况的函数关系，用于预测所述开关器件的老化程度。

3.根据权利要求2所述的一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，其特征在于，所述电参数或非电参数为与开关器件的老化程度相关的特征参数，包括但不限于电压、电流、键合线电阻、动态阈值电压和通态压降。

4.根据权利要求2所述的一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，其特征在于，所述变换器包括但不限于多电平电平飞跨电容均压电路或并联均流电路。

5.根据权利要求1所述的一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，其特征在于，通过控制算法精确控制所述开关器件承受的电压和电流。

6.根据权利要求5所述的一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，其特征在于，所述控制算法包括但不限于移向载波控制法和模型预测控制法。

7.根据权利要求2所述的一种基于健康状态监测提升变换器可靠性的方法，其特征在于，所述变换器以三电平飞跨电容Boost电路为例讲述其工作过程，三电平飞跨电容Boost电路的组成包括恒定直流电压源，电感L1，开关器件S1，S2，S3，S4，飞跨电容C_f，输出电容C_o和负载R；

采用监测装置离线获得开关器件S1，S2，S3，S4在不同飞跨电容电压下的键合线电阻，导通电压V_ds(on)，动态阈值电压Vth等值，并将其与循环周期数进行数据拟合，得到飞跨电容电压与器件老化情况的函数关系；

在变换器实际工作中，通过监测电路发现开关器件某些参数如键合线电阻，导通电压V_ds(on)，出现差异时，通过离线获得的飞跨电容电压与器件老化程度的函数关系，得到最优飞跨电容电压；

改变上述控制算法中的飞跨电容电压参考值以平衡各器件的老化程度。