CN116298721A - 一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统及方法，包括宽带光源、光纤隔离器、光纤环形器、单模3×3光纤耦合器、延迟光纤、第一单模1×2光纤耦合器、光纤传感器、第二单模1×2光纤耦合器、光功率计、第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤、第五单模光纤、第六单模光纤、光纤转接器、光纤转接器、平衡光电探测器、模拟低通滤波器、数据采集卡和上位机。本发明可以针对不同频段的局部放电信号调节光纤传感器本身的尺寸，以获得符合需求的检测信噪比；同时本发明不会受到电磁干扰的影响，可以应用在高压领域。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子设备局部放电测试技术领域，具体涉及一种基于光纤超声传感的高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统及方法。
背景技术
SiC MOSFET作为宽禁带功率半导体器件，相比于传统的硅器件具有很多优势，比如工作温度更高、通态损耗更低、开关频率更高和临界击穿场强更大等特点。随着碳化硅功率器件在高压领域应用的逐渐推广，目前针对高压碳化硅功率器件封装的绝缘可靠性的检测方法，还没有成熟统一的形式。现有的电气绝缘局部放电检测手段都是在传统电网电力设备中低频的基础上建立的，面对碳化硅功率器件的高开关频率和内部存在的快脉冲电压，传统的局部放电检测方法会受到严重的电磁干扰，该领域需要跟进研究，提出新的绝缘检测方法和评估策略。
对于脉冲电流法测量局部放电，其本身属于离线检测方法，需要被测设备脱离运行工况。同时该方法仅适用于工频局部放电的检测。在碳化硅高压功率模块的运行工况下，脉冲电流法存在以下无法解决的问题：耦合电容相当于积分元件，会减缓功率模块关断时的电压上升速度；在电压到稳定期时，耦合电容会充满电，然后在电压下降时会放电，这样导致检测到的局部放电脉冲电流幅值远远大于正常值；功率模块运行工况会引起模块绝缘系统产生高频容性的位移电流，该高频电流会影响局部放电信号的筛选。
对于特高频法，通过检测周围环境的电磁波来捕获局部放电信号，但面对高压碳化硅功率模块的运行条件，依然无法解决电磁干扰带来的问题。而进一步提高检测频带，虽然可以筛选出更高频带的局部放电信号，但同时局部放电信号会变得非常微弱，整体信噪比并不高，并且会受到通讯信号的影响。除此之外极高的带宽会给采样和信号处理带来很大的压力。
传统的基于压电陶瓷的超声传感器，其尺寸往往较大，同时受到封装外壳的影响，导致无法应用在空间有限并且处在高压环境的碳化硅功率模块中。另外虽然超声波检测不会受到电磁干扰，但是压电效应会把机械振动信号转换为电信号，此时的电信号会受到高压碳化硅模块和环境的电磁干扰。
以上检测方法的局限性都是高压碳化硅功率模块绝缘可靠性检测所面临的新问题。
发明内容
本发明目的在于提供一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统及方法，以解决高压碳化硅功率模块局部放电难以检测的问题，同时可以对功率模块进行实时在线监测。本发明可以针对不同频段的局部放电信号调节光纤传感器本身的尺寸，以获得符合需求的检测信噪比；同时本发明不会受到电磁干扰的影响，可以应用在高压领域。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，包括宽带光源、光纤隔离器、光纤环形器、单模3×3光纤耦合器、延迟光纤、第一单模1×2光纤耦合器、光纤传感器、第二单模1×2光纤耦合器、光功率计、第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤、第五单模光纤、第六单模光纤、光纤转接器、光纤转接器、平衡光电探测器、模拟低通滤波器、数据采集卡和上位机；
所述宽带光源与所述光纤隔离器通过单模光纤直接连接；所述光纤隔离器与所述光纤环形器的端口1通过单模光纤直接连接；所述光纤环形器的端口2与所述单模3×3光纤耦合器的一端第二端口通过单模光纤直接连接；所述单模3×3光纤耦合器的另一端第一端口与所述延迟光纤的一端通过所述第一单模光纤连接；所述延迟光纤的另一端与所述第一单模1×2光纤耦合器的一端第一端口通过所述第二单模光纤连接；所述单模3×3光纤耦合器的另一端第三端口与所述第一单模1×2光纤耦合器的一端第二端口通过所述第三单模光纤连接；所述第一单模1×2光纤耦合器的另一端端口与所述光纤传感器通过所述第四单模光纤连接；所述光纤传感器的另一端端口与所述第二单模1×2光纤耦合器的一端通过所述第五单模光纤连接；所述第二单模1×2光纤耦合器另一端的两个端口通过所述第六单模光纤连接；所述光纤环形器的端口3与所述光功率计连接；所述单模3×3光纤耦合器的一端第一端口与所述光纤转接器的一端通过单模光纤直接连接；所述单模3×3光纤耦合器的一端第三端口与所述光纤转接器的一端通过单模光纤直接连接；所述光纤转接器的另一端与所述平衡光电探测器的输入端口通过单模光纤连接；所述光纤转接器的另一端与所述平衡光电探测器的输入端口通过单模光纤连接；所述平衡光电探测器的三个输出端口与所述模拟低通滤波器的输入端口相连；所述模拟低通滤波器的三个输出端口与所述数据采集卡相连；所述数据采集卡的输出端口与上位机相连。
进一步地，所述光纤传感器为中心波长1550nm的抗弯折单模光纤绕制成圆形的，在半径为5mm时，每圈光纤产生的宏弯损耗低于0.10dB。
进一步地，所述光纤隔离器为双模隔离器，隔离度要求不低于55dB。
进一步地，所述单模3×3光纤耦合器为宽带耦合器，工作带宽范围不小于50nm，并且所述单模3×3光纤耦合器的分光比是1:1:1。
进一步地，所述第一单模1×2光纤耦合器和第二单模1×2光纤耦合器为宽带耦合器，工作带宽范围不小于50nm，并且所述第一单模1×2光纤耦合器和第二单模1×2光纤耦合器的分光比是50:50。
进一步地，所述光纤环形器具有以下特点：从端口1输入的信号能够从端口2低损耗输出，从端口2输入的信号能够从端口3低损耗输出。
一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测方法，包括以下步骤：
步骤1：令所述光纤传感器的直径R小于功率模块内部介质声波波长λ；
步骤2：将所述光纤传感器放置于功率模块内部灌封胶的表面，并均匀涂抹声耦合剂；
步骤3：开启所述宽带光源，功率模块内部局部放电超声信号对经过所述光纤传感器的光波进行调制，调制后的光波在所述单模3×3光纤耦合器内部进行干涉，并将包含相位变化的信号传输给所述平衡光电探测器，所述平衡光电探测器将包含相位变化的光信号转化为电压信号；
步骤4：所述平衡光电探测器输出的电压信号经过所述模拟低通滤波器的抗混叠滤波后，变为U1,U2和U3三路信号；U1,U2和U3传输到所述数据采集卡，所述数据采集卡中运行信号处理算法解调出原始局部放电超声信号；
步骤5：计算出测量得到的局部放电超声信号的峰值信噪比，同时绘制功率密度谱，结合功率密度谱的频率分布，判断信噪比是否满足需求；若需要频率分量f1附近的局部放电超声信号并且此时的信噪比不满足需求时，则取出所述光纤传感器，并重新从步骤1开始，制作符合频率f1的所述光纤传感器，并按照步骤2、步骤3、步骤4、步骤5重新完成测试。
进一步地，所述功率模块内部介质声波波长λ计算公式如下：
其中，f为高压功率模块内部局部放电超声信号的频率，v为功率模块内部介质的声速。
进一步地，所述运行信号处理算法按照以下公式运行：
其中，U1,U2和U3分别为所述模拟低通滤波器输出的三路信号，UPD为高压功率模块内部局部放电超声信号，UPD传输给所述上位机进行波形的显示。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明基于光纤干涉原理，将局部放电的声学信号转变为光波的相位变化，通过相干干涉，令两束相干的光波在光纤耦合器内相互干涉，进而把相位的变化转变为光功率幅值的变化，通过光电探测器和信号解调算法，可以还原出原始的局部放电声学信号，实现了高灵敏度的检测；可以结合实际频率需求，自由调节传感器尺寸；同时完全不受电磁干扰的影响；此外由于光纤本身为绝缘材料，因此完全满足高压功率模块的绝缘要求。
附图说明
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，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。
图1为本发明一种基于光纤超声传感的高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统的结构示意图；
图2为本发明选用的光纤环形器结构示意图；
图3为本发明一种基于光纤超声传感的高压碳化硅功率模块内部局部放电检测方法的步骤示意图。
其中，1-宽带光源，2-光纤隔离器，3-光纤环形器，4-单模3×3光纤耦合器，5-延迟光纤，6-第一单模1×2光纤耦合器，7-光纤传感器，8-第二单模1×2光纤耦合器，9-光功率计，10-第一单模光纤，11-第二单模光纤，12-第三单模光纤，13-第四单模光纤，14-第五单模光纤，15-第六单模光纤，16-光纤转接器，17-光纤转接器，18-平衡光电探测器，19-模拟低通滤波器，20-数据采集卡，21-上位机。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明技术方案进行进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
如图1和图2所示，本发明所设计的一种基于光纤超声传感的高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，包括宽带光源1、光纤隔离器2、光纤环形器3、单模3×3光纤耦合器4、延迟光纤5、第一单模1×2光纤耦合器6、光纤传感器7、第二单模1×2光纤耦合器7、光功率计7、第一单模光纤7、第二单模光纤11、第三单模光纤12、第四单模光纤13、第五单模光纤14、第六单模光纤15、光纤转接器16、光纤转接器17、平衡光电探测器18、模拟低通滤波器19、数据采集卡20、上位机21。所述宽带光源1与所述光纤隔离器2通过单模光纤直接连接；所述光纤隔离器3与所述光纤环形器4的端口1通过单模光纤直接连接；所述光纤环形器3的端口2与所述单模3×3光纤耦合器4的左端第二端口通过单模光纤直接连接；所述单模3×3光纤耦合器4的右端第一端口与所述延迟光纤5的左端通过所述第一单模光纤10连接；所述延迟光纤5的右端与所述第一单模1×2光纤耦合器6的左端第一端口通过所述第二单模光纤11连接；所述单模3×3光纤耦合器4的右端第三端口与所述第一单模1×2光纤耦合器(6)的左端第二端口通过所述第三单模光纤(12)连接；所述第一单模1×2光纤耦合器6的右端口与所述光纤传感器7通过所述第四单模光纤13连接；所述光纤传感器7的右端口与所述第二单模1×2光纤耦合器8的左端通过所述第五单模光纤14连接；所述第二单模1×2光纤耦合器8右端的两个端口通过所述第六单模光纤15连接；所述光纤环形器3的端口3与所述光功率计9连接；所述单模3×3光纤耦合器4的左端第一端口与所述光纤转接器16的一端通过单模光纤直接连接；所述单模3×3光纤耦合器4的左端第三端口与所述光纤转接器17的一端通过单模光纤直接连接；所述光纤转接器16的另一端与所述平衡光电探测器18的输入端口通过单模光纤连接；所述光纤转接器17的另一端与所述平衡光电探测器18的输入端口通过单模光纤连接；所述平衡光电探测器18的三个输出端口与所述模拟低通滤波器19的输入端口相连；所述模拟低通滤波器19的三个输出端口与所述数据采集卡20相连；所述数据采集卡20的输出端口与上位机21相连。
所述光纤传感器7为中心波长1550nm的抗弯折单模光纤绕制成圆形的，在半径为5mm时，每圈光纤产生的宏弯损耗低于0.10dB；所述光纤隔离器5为双模隔离器，隔离度要求不低于55dB；所述单模3×3光纤耦合器4为宽带耦合器，工作带宽范围不小于50nm，并且所述单模3×3光纤耦合器4的分光比是1:1:1；所述第一单模1×2光纤耦合器6和第二单模1×2光纤耦合器8为宽带耦合器，工作带宽范围不小于50nm，并且所述第一单模1×2光纤耦合器6和第二单模1×2光纤耦合器8的分光比是50:50；所述光纤环形器3具有以下特点：从端口1输入的信号可以从端口2低损耗输出，从端口2输入的信号可以从端口3低损耗输出。
如图3所示，一种基于光纤超声传感的高压碳化硅功率模块内部局部放电检测方法，包括以下步骤：
步骤1：构建权利要求1所述的一种基于光纤超声传感的高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，并用抗弯曲单模光纤绕制所述光纤传感器7，比较所述光纤传感器7的直径R和功率模块内部介质声波波长λ。
其中f为高压功率模块内部局部放电超声信号的频率，v为功率模块内部介质的声速。令所述光纤传感器7的直径R小于功率模块内部介质声波波长λ。
步骤2：将所述光纤传感器7放置于功率模块内部灌封胶的表面，并均匀涂抹声耦合剂；
步骤3：开启所述宽带光源1，功率模块内部局部放电超声信号会对经过所述光纤传感器7的光波进行调制，调制后的光波在所述单模3×3光纤耦合器4内部进行干涉，并将包含相位变化的信号传输给所述平衡光电探测器18，所述平衡光电探测器18将包含相位变化的光信号转化为电压信号。
步骤4：所述平衡光电探测器18输出的电压信号经过所述模拟低通滤波器19的抗混叠滤波后，变为U1,U2和U3三路信号；U1,U2和U3传输到所述数据采集卡20，所述数据采集卡20中运行信号处理算法解调出原始局部放电超声信号，解调算法按照以下公式运行。
其中，UPD为高压功率模块内部局部放电超声信号，UPD传输给所述上位机21进行波形的显示。
步骤5：计算出测量得到的局部放电超声信号的峰值信噪比，同时绘制功率密度谱，结合功率密度谱的频率分布，判断信噪比是否满足需求。若需要频率分量f1附近的局部放电超声信号并且此时的信噪比不满足需求时，则需要取出所述光纤传感器7，并重新从步骤1开始，制作符合频率f1的所述光纤传感器7，并按照步骤2、步骤3、步骤4、步骤5重新完成测试。
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。
Claims (9)
1.一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，包括宽带光源(1)、光纤隔离器(2)、光纤环形器(3)、单模3×3光纤耦合器(4)、延迟光纤(5)、第一单模1×2光纤耦合器(6)、光纤传感器(7)、第二单模1×2光纤耦合器(8)、光功率计(9)、第一单模光纤(10)、第二单模光纤(11)、第三单模光纤(12)、第四单模光纤(13)、第五单模光纤(14)、第六单模光纤(15)、光纤转接器(16)、光纤转接器(17)、平衡光电探测器(18)、模拟低通滤波器(19)、数据采集卡(20)和上位机(21)；
所述宽带光源(1)与所述光纤隔离器(2)通过单模光纤直接连接；所述光纤隔离器(2)与所述光纤环形器(3)的端口1通过单模光纤直接连接；所述光纤环形器(3)的端口2与所述单模3×3光纤耦合器(4)的一端第二端口通过单模光纤直接连接；所述单模3×3光纤耦合器(4)的另一端第一端口与所述延迟光纤(5)的一端通过所述第一单模光纤(10)连接；所述延迟光纤(5)的另一端与所述第一单模1×2光纤耦合器(6)的一端第一端口通过所述第二单模光纤(11)连接；所述单模3×3光纤耦合器(4)的另一端第三端口与所述第一单模1×2光纤耦合器(6)的一端第二端口通过所述第三单模光纤(12)连接；所述第一单模1×2光纤耦合器(6)的另一端端口与所述光纤传感器(7)通过所述第四单模光纤(13)连接；所述光纤传感器(7)的另一端端口与所述第二单模1×2光纤耦合器(8)的一端通过所述第五单模光纤(14)连接；所述第二单模1×2光纤耦合器(8)另一端的两个端口通过所述第六单模光纤(15)连接；所述光纤环形器(3)的端口3与所述光功率计(9)连接；所述单模3×3光纤耦合器(4)的一端第一端口与所述光纤转接器(16)的一端通过单模光纤直接连接；所述单模3×3光纤耦合器(4)的一端第三端口与所述光纤转接器(17)的一端通过单模光纤直接连接；所述光纤转接器(16)的另一端与所述平衡光电探测器(18)的输入端口通过单模光纤连接；所述光纤转接器(17)的另一端与所述平衡光电探测器(18)的输入端口通过单模光纤连接；所述平衡光电探测器(18)的三个输出端口与所述模拟低通滤波器(19)的输入端口相连；所述模拟低通滤波器(19)的三个输出端口与所述数据采集卡(20)相连；所述数据采集卡(20)的输出端口与上位机(21)相连。
2.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，所述光纤传感器(7)为中心波长1550nm的抗弯折单模光纤绕制成圆形的，在半径为5mm时，每圈光纤产生的宏弯损耗低于0.10dB。
3.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，所述光纤隔离器(5)为双模隔离器，隔离度要求不低于55dB。
4.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，所述单模3×3光纤耦合器(4)为宽带耦合器，工作带宽范围不小于50nm，并且所述单模3×3光纤耦合器(4)的分光比是1:1:1。
5.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，所述第一单模1×2光纤耦合器(6)和第二单模1×2光纤耦合器(8)为宽带耦合器，工作带宽范围不小于50nm，并且所述第一单模1×2光纤耦合器(6)和第二单模1×2光纤耦合器(8)的分光比是50:50。
6.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，所述光纤环形器(3)具有以下特点：从端口1输入的信号能够从端口2低损耗输出，从端口2输入的信号能够从端口3低损耗输出。
7.一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测方法，基于权利要求1-6任一项所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：令所述光纤传感器(7)的直径R小于功率模块内部介质声波波长λ；
步骤2：将所述光纤传感器(7)放置于功率模块内部灌封胶的表面，并均匀涂抹声耦合剂；
步骤3：开启所述宽带光源(1)，功率模块内部局部放电超声信号对经过所述光纤传感器(7)的光波进行调制，调制后的光波在所述单模3×3光纤耦合器(4)内部进行干涉，并将包含相位变化的信号传输给所述平衡光电探测器(18)，所述平衡光电探测器(18)将包含相位变化的光信号转化为电压信号；
步骤4：所述平衡光电探测器(18)输出的电压信号经过所述模拟低通滤波器(19)的抗混叠滤波后，变为U1,U2和U3三路信号；U1,U2和U3传输到所述数据采集卡(20)，所述数据采集卡(20)中运行信号处理算法解调出原始局部放电超声信号；
步骤5：计算出测量得到的局部放电超声信号的峰值信噪比，同时绘制功率密度谱，结合功率密度谱的频率分布，判断信噪比是否满足需求；若需要频率分量f1附近的局部放电超声信号并且此时的信噪比不满足需求时，则取出所述光纤传感器(7)，并重新从步骤1开始，制作符合频率f1的所述光纤传感器(7)，并按照步骤2、步骤3、步骤4、步骤5重新完成测试。
8.根据权利要求7所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测方法，其特征在于，所述功率模块内部介质声波波长λ计算公式如下：
其中，f为高压功率模块内部局部放电超声信号的频率，v为功率模块内部介质的声速。
9.根据权利要求7所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测方法，其特征在于，所述运行信号处理算法按照以下公式运行：
其中，U1,U2和U3分别为所述模拟低通滤波器(19)输出的三路信号，UPD为高压功率模块内部局部放电超声信号，UPD传输给所述上位机(21)进行波形的显示。
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