CN211086505U - 电力电子变电站中igbt的可靠性状态检测装置 - Google Patents

电力电子变电站中igbt的可靠性状态检测装置 Download PDF

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谭协初
庞广明
侯晓明
徐国卿
向大为
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温志恒
李鑫善
师盟宇
张海锋
皇甫倩
陶富有
房磊磊
赵国宪
陈继祥
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State Grid Qinghai Electric Power Co Ltd
PowerChina Qinghai Electric Power Engineering Co Ltd
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Abstract

本实用新型公开了电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，包括：电流检测单元、电压检测单元、关断时间采集单元、器件关断损耗计算单元、结温‑电流‑关断损耗关系表单元、结温计算单元和IGBT状态检测单元。本实用新型装置通过实时检测待测IGBT的外部数据，包括IGBT的电流、电压和关断时间等信号，在不影响IGBT的正常运行且不破坏IGBT内部结构的情况下，获得关断损耗，进而根据关断损耗以及电流来获得实时运行结温，并基于结温数据完成了对IGBT可靠性状态的检测。本实用新型易于实现、准确度高。

Description

电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置
技术领域
本实用新型涉及电力电子功率模块领域，尤其涉及电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置。
背景技术
近年来，随着我国输变电技术的发展，电网规模在不断扩大，输变电电压等级在不断提高。这使得电力设备的数量和复杂性不断上升，设备的检修费用占电网运行总成本的比例日渐增大，继电保护设备的维护工作量急剧增加。为确保在这种设备数量多、设备复杂性高的情况下电网的稳定可靠运行，同时控制检修费用以降低成本，减少继保检验的工作量，电力设备的检修策略也从过去的定期检修向状态检修发展。
在电力系统包括变电站中也有很多电力电子装置，这些装置承担着电能质量提升、电压补偿等重要功能，电力电子装置中的每个组件都会影响系统的可靠性和稳定性，而功率半导体器件在装置的稳定性和可靠性方面起着决定性作用。IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)功率模块作为电力电子装置的主要部件，因IGBT失效而导致系统的故障率也较高。因此，IGBT可靠性状态检测对于电力系统如变电站的状态检修和整体稳定性具有重要的意义。
我国西部青海、西藏等地区海拔较高，青海的果洛地区海拔在3800-4500m，半年温度低于-30℃。通常，海拔超过1000m的地区称作高原地区(即，高海拔地区)。由于海拔较高、空气稀薄，风流量减小，相对散热能力会大幅减弱，电力系统如变电站内部运行的热量无法正常散出，则会影响IGBT等器件正常运行的环境且温度过高时会烧毁器件。在类似这样的恶劣和不稳定的应用环境中，IGBT的可靠性状态更需要实时监控和评估。
由于IGBT的结温可以反映该器件是否处于正常状态，而结温波动则是导致IGBT失效的最关键的因素之一，所以，基于结温的IGBT可靠性状态检测成为研究的热点。目前，现有的IGBT可靠性状态检测技术主要利用传感器监测IGBT各种电参数实现基于结温的可靠性检测，常用的器件电参数包括器件通态压降Vce、电压变化率dv/dt、门极开启电压Vth等，但是，现有技术面临以下两方面的挑战：一方面，由于半导体器件的高功率密度，在器件内部嵌入传感器非常困难；另一方面，这些器件参数往往受多因素影响，难以直接反映器件结温，特别是不断变化的电力电子系统运行工况(电压、电流、频率、环境温度)往往造成器件参数明显波动，使得由器件结温引起的参数微弱变化难以发现，影响了结温计算的准确性，从而影响了器件可靠性状态检测的准确性。因此，迫切需要开发一种新的方便可靠的IGBT可靠性状态检测装置。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供了一种电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，在不影响IGBT的正常运行且不破坏IGBT内部结构的情况下，通过IGBT的外部数据的实时检测，实现对实时运行结温的计算，并基于结温数据完成了对IGBT可靠性状态的实时检测。
为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
一种电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，包括：电流检测单元、电压检测单元、关断时间采集单元、器件关断损耗计算单元、结温-电流-关断损耗关系表单元、结温计算单元和IGBT状态检测单元，其中，所述电流检测单元、所述电压检测单元、所述关断时间采集单元分别与所述器件关断损耗计算单元相连，所述电流检测单元与所述结温计算单元相连，所述器件关断损耗计算单元与所述结温计算单元相连，所述结温-电流-关断损耗关系表单元与所述结温计算单元相连，所述结温计算单元与所述IGBT状态检测单元相连。
所述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，所述电流检测单元，用于检测待测IGBT的电流信号。
所述电流检测单元包括依次连接的电流传感器、电流调理电路、电流数据储存单元和电流输出单元，所述电流输出单元与所述器件关断损耗计算单元连接，同时，所述电流输出单元还与所述结温计算单元相连接；其中，
所述电流传感器用于采集待测IGBT的电流信号，并获得相应的电流波形；所述电流调理电路用于对所述电流传感器所采集的电流信号进行放大，得到调理后的电流信号；所述电流数据储存单元用于接收和储存由所述电流调理电路输出的调理后的电流信号；所述电流输出单元用于调取所述电流数据储存单元中储存的调理后的电流信号，并将调理后的电流信号传输到所述器件关断损耗计算单元进行处理，同时也将调理后的电流信号传输到所述结温计算单元。
所述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，所述电压检测单元，用于检测待测IGBT的电压信号。
所述电压检测单元包括依次连接的电压传感器、电压调理电路、电压数据储存单元和电压输出单元，所述电压输出单元与器件关断损耗计算单元连接；其中，
所述电压传感器用于采集待测IGBT的电压信号，并获得相应的电压波形；所述电压调理电路用于对所述电压传感器所采集的电压信号进行放大，得到调理后的电压信号；所述电压数据储存单元用于接收和储存由所述电压调理电路输出的调理后的电压信号；所述电压输出单元用于调取所述电压数据储存单元中储存的调理后的电压信号，并将调理后的电压信号传输到所述器件关断损耗计算单元进行处理。
所述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，所述关断时间采集单元用于采集待测IGBT的关断时间信号，所述IGBT的关断时间为：在一个关断过程中，从栅极-发射极间电压的脉冲下降至其幅值的90％的时刻起，到集电极电流下降至其幅值的10％的时刻止的这段时间。
所述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，所述器件关断损耗计算单元，用于计算待测IGBT关断损耗。所述器件关断损耗计算单元包括关断损耗计算单元和数据储存单元，其中，
所述关断损耗计算单元用于接收所述电流检测单元输出的电流信号、所述电压检测单元输出的电压信号以及所述关断时间采集单元采集的关断时间信号，并根据下式(Ⅰ)计算待测IGBT的关断损耗(即，关断损耗功率)；
Figure BDA0002237253150000031
其中Poff为关断损耗，fsw为开关频率，toff为关断时间，vce为集电极-发射极间电压，ic为集电极电流；
所述数据储存单元用于储存关断损耗信号。
所述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，所述结温-电流-关断损耗关系表单元，用于存储预先获得的待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表。存储在所述结温-电流-关断损耗关系表单元的结温-电流-关断损耗三维表，反映的是：在待测IGBT的正常工作范围内，不同电流下待测IGBT的关断损耗与结温的关系。
所述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，所述结温计算单元，用于接收所述电流检测单元输出的电流信号、所述器件关断损耗计算单元输出的关断损耗信号、以及所述结温-电流-关断损耗关系表单元输出的待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表信息，并据此计算待测IGBT的实时运行结温。
所述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，所述IGBT状态检测单元，用于待测IGBT的可靠性状态检测。所述IGBT状态检测单元，包括：结温比较单元和可靠性状态判断单元，其中，所述结温比较单元，用于将所接收到的待测IGBT的实时运行结温与待测IGBT的最高允许结温进行比较，并得到比较结果；可靠性状态判断单元，用于根据所述比较结果来判断待测IGBT的可靠性状态：当待测IGBT的实时运行结温不高于待测IGBT的最高允许结温时，说明待测IGBT器件处于安全工作区；当待测IGBT的实时运行结温超过待测IGBT的最高允许结温时，说明待测IGBT器件正处于不正常状态。待测IGBT的最高允许结温依据IGBT器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求而定。
在变电站的工作过程中，电流检测单元、电压检测单元和关断时间采集单元对电力电子变电站中各待测IGBT的电流、电压和关断时间信号进行实时检测和采集，这些信号在线传输给器件关断损耗计算单元，由器件关断损耗计算单元计算各待测IGBT的关断损耗，通过调取结温-电流-关断损耗关系表单元中的待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表，并将获得的关断损耗、以及检测获得电流信号代入待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表中，结温计算单元通过查表计算得到待测IGBT的实时运行结温，继而，IGBT状态检测单元通过将待测IGBT的实时运行结温与最高允许结温比较，来判断IGBT的可靠性状态。
可见，本实用新型电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，通过实时检测待测IGBT的外部数据，包括IGBT的电流、电压和关断时间等信号，在不影响IGBT的正常运行的情况下就可以获得关断损耗，并进而根据关断损耗以及电流来获得实时运行结温，并基于结温数据完成了对IGBT可靠性状态的检测。
与现有技术相比，本实用新型电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置具有以下有益的技术效果：
本实用新型电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，利用的是方便测量和观测的外部数据，不会影响器件的正常运行，不会破坏器件的内部结构，也不会对待测IGBT的安全性带来潜在威胁；而且，关断损耗计算公式简单，关断损耗计算单元的运行计算量小，容易实现在线实时检测，也不易出错。本实用新型电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置对于IGBT运行结温检测的准确度高，从而能够实现对IGBT可靠性状态的实时检测。本实用新型电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置尤其适合用于工况复杂或多变的电力电子变电站，例如，高海拔地区的电力电子变电站，再例如，用于提升电能质量、提升电压的电力电子补偿变电站，
附图说明
图1为本实用新型电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置的结构示意图。
图2为电流检测单元的结构示意图。
图3为电压检测单元的结构示意图。
图4为器件关断损耗计算单元的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地说明本实用新型，以便于理解本实用新型的技术方案，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型作进一步详细说明。应理解，下述的实施实例仅用于说明本实用新型，并不代表或限制本实用新型的权利保护范围，本实用新型的保护范围以权利要求书为准。
一种电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，如图1所示，包括：电流检测单元1、电压检测单元2、关断时间采集单元3、器件关断损耗计算单元4、结温-电流-关断损耗关系表单元5、结温计算单元6和IGBT状态检测单元7，其中，电流检测单元1、电压检测单元2、关断时间采集单元3分别与器件关断损耗计算单元4相连，电流检测单元1与结温计算单元6相连，器件关断损耗计算单元4与结温计算单元6相连，结温-电流-关断损耗关系表单元5与结温计算单元6相连，结温计算单元6与IGBT状态检测单元7相连。
上述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，电流检测单元1，用于检测待测IGBT的电流信号。
电流检测单元1，如图2所示，包括依次连接的电流传感器11、电流调理电路12、电流数据储存单元13和电流输出单元14，电流输出单元14与器件关断损耗计算单元4连接，同时，电流输出单元14还与结温计算单元6相连接。
电流传感器11用于采集待测IGBT的电流信号，并获得相应的电流波形。为了便于精确计算IGBT的关断损耗，电流传感器11优先选用高精度、高保真、高带宽的电流传感器。对于高精度的电流传感器11，电流检测误差一般应小于1％额定值。
电流调理电路12用于对电流传感器11所采集的电流信号进行放大，得到调理后的电流信号。同样，电流调理电路12也要求高精度，一般情况下，电流检测误差应小于1％额定值。
电流数据储存单元13用于接收和储存由电流调理电路12输出的调理后的电流信号。
电流输出单元14用于调取电流数据储存单元13中储存的调理后的电流信号，并将调理后的电流信号传输到器件关断损耗计算单元4进行处理，同时也将调理后的电流信号传输到结温计算单元6。
上述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，电压检测单元2，用于检测待测IGBT的电压信号。
电压检测单元2，如图3所示，包括依次连接的电压传感器21、电压调理电路22、电压数据储存单元23和电压输出单元24。电压输出单元24与器件关断损耗计算单元4连接。
电压传感器21用于采集待测IGBT的电压信号，并获得相应的电压波形。为了便于精确计算IGBT的关断损耗，电压传感器21优先选用高精度、高保真、高带宽的电压传感器。对于高精度的电压传感器11，电压检测误差一般应小于1％额定值。
电压调理电路22用于对电压传感器21所采集的电压信号进行放大，得到调理后的电压信号。同样，电压调理电路22也要求高精度，一般情况下，电压检测误差应小于1％额定值。
电压数据储存单元23用于接收和储存由电压调理电路22输出的调理后的电压信号。
电压输出单元24用于调取电压数据储存单元23中储存的调理后的电压信号，并将调理后的电压信号传输到器件关断损耗计算单元4进行处理。
上述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，关断时间采集单元3用于采集待测IGBT关断时间信号，IGBT关断时间toff为：在一个关断过程中，从栅极-发射极间电压vge的脉冲下降至其幅值的90％的时刻起，到集电极电流ic下降至其幅值的10％的时刻止的这段时间。
上述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，器件关断损耗计算单元4用于计算待测IGBT的关断损耗。器件关断损耗计算单元4包括关断损耗计算单元41和数据储存单元42。
关断损耗计算单元41，用于接收电流检测单元1输出的电流信号、电压检测单元2输出的电压信号以及关断时间采集单元3采集的关断时间信号，并根据以下式(Ⅰ)计算待测IGBT的关断损耗(即，关断损耗功率)：
Figure BDA0002237253150000071
其中Poff为关断损耗，fsw为开关频率，vce为集电极-发射极间电压，ic为集电极电流。
数据储存单元42用于储存关断损耗信号。
上述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，结温-电流-关断损耗关系表单元5，用于存储预先获得的待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表。存储在结温-电流-关断损耗关系表单元5的结温-电流-关断损耗三维表，反映的是：在待测IGBT的正常工作范围内，不同电流下待测IGBT的关断损耗与结温的关系。由公式(Ⅰ)可知，在不同结温下，电流与关断损耗一一对应，因此，可以建立三者关系模型，并且结温-电流-关断损耗三维表可以在待测IGBT的正常工作范围内通过一系列双脉冲测试标定来预先得到。
上述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，结温计算单元6，用于接收电流检测单元1输出的电流信号、器件关断损耗计算单元4输出的关断损耗信号、以及结温-电流-关断损耗关系表单元5输出的待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表信息，并据此计算待测IGBT的实时运行结温。
上述电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置中，IGBT状态检测单元7，用于待测IGBT的可靠性状态检测。包括：结温比较单元和可靠性状态判断单元，其中，结温比较单元，用于将所接收到的待测IGBT的实时运行结温与待测IGBT的最高允许结温Tjmax进行比较，并得到比较结果；可靠性状态判断单元，用于根据比较结果来判断待测IGBT的可靠性状态：当待测IGBT的实时运行结温不高于待测IGBT的最高允许结温Tjmax时，说明待测IGBT器件处于安全工作区；当待测IGBT的实时运行结温超过待测IGBT的最高允许结温Tjmax时，说明待测IGBT器件正处于不正常状态。待测IGBT的最高允许结温Tjmax依据IGBT器件的芯片材料、封装材料和可靠性要求而确定。
在变电站的工作过程中，电流检测单元1、电压检测单元2和关断时间采集单元3对电力电子变电站中各待测IGBT的电流、电压和关断时间信号进行实时检测和采集，这些信号在线传输给器件关断损耗计算单元4，由器件关断损耗计算单元4计算各待测IGBT的关断损耗，通过调取结温-电流-关断损耗关系表单元5中的待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表，并将获得的关断损耗、以及检测获得电流信号代入待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表中，结温计算单元6通过查表计算得到待测IGBT的实时运行结温，继而，IGBT状态检测单元7通过将待测IGBT的实时运行结温与最高允许结温Tjmax比较，来判断IGBT的可靠性状态。
可见，本实用新型电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，通过实时检测待测IGBT的外部数据，包括IGBT的电流、电压和关断时间信号，在不影响IGBT的正常运行的情况下就可以获得关断损耗，并进而根据关断损耗以及电流来获得实时运行结温，并基于结温数据完成了对IGBT可靠性状态的检测。本实用新型电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置不会破坏器件的内部结构，也不会对待测IGBT的安全性存在潜在威胁，而且，关断损耗计算简单，关断损耗计算单元的运行计算量小，容易实现在线实时检测，也不易出错。本实用新型电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置对于IGBT运行结温检测的准确度高，从而能够实现对IGBT可靠性状态的实时检测。
由此可见，本实用新型的目的已经完整并有效的予以实现。应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的功能及结构原理已在实施例中予以展示和说明，在不背离所述原理下，实施方式可作任意修改。本实用新型包括了基于权利要求精神及权利要求范围的所有变形实施方式。

Claims (7)

1.一种电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，其特征在于，包括：
电流检测单元，用于检测待测IGBT的电流信号；
电压检测单元，用于检测待测IGBT的电压信号；
关断时间采集单元，用于采集待测IGBT的关断时间信号；
器件关断损耗计算单元，用于计算待测IGBT的关断损耗；
结温-电流-关断损耗关系表单元，用于存储预先获得的待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表；
结温计算单元，用于计算待测IGBT的实时运行结温；以及
IGBT状态检测单元，用于待测IGBT的可靠性状态检测；
其中，所述电流检测单元、所述电压检测单元、所述关断时间采集单元分别与所述器件关断损耗计算单元相连，所述电流检测单元与所述结温计算单元相连，所述器件关断损耗计算单元与所述结温计算单元相连，所述结温-电流-关断损耗关系表单元与所述结温计算单元相连，所述结温计算单元与所述IGBT状态检测单元相连。
2.如权利要求1所述的电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，其特征在于，所述电流检测单元包括依次连接的电流传感器、电流调理电路、电流数据储存单元和电流输出单元，所述电流输出单元与所述器件关断损耗计算单元连接，同时，所述电流输出单元还与所述结温计算单元相连接；其中，
所述电流传感器用于采集待测IGBT的电流信号，并获得相应的电流波形；所述电流调理电路用于对所述电流传感器所采集的电流信号进行放大，得到调理后的电流信号；所述电流数据储存单元用于接收和储存由所述电流调理电路输出的调理后的电流信号；所述电流输出单元用于调取所述电流数据储存单元中储存的调理后的电流信号，并将调理后的电流信号传输到所述器件关断损耗计算单元，同时也将调理后的电流信号传输到所述结温计算单元。
3.如权利要求1所述的电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，其特征在于，所述电压检测单元包括依次连接的电压传感器、电压调理电路、电压数据储存单元和电压输出单元，所述电压输出单元与所述器件关断损耗计算单元连接；其中，
所述电压传感器用于采集待测IGBT的电压信号，并获得相应的电压波形；所述电压调理电路用于对所述电压传感器所采集的电压信号进行放大，得到调理后的电压信号；所述电压数据储存单元用于接收和储存由所述电压调理电路输出的调理后的电压信号；所述电压输出单元用于调取所述电压数据储存单元中储存的调理后的电压信号，并将调理后的电压信号传输到所述器件关断损耗计算单元。
4.如权利要求1所述的电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，其特征在于，所述待测IGBT的关断时间为：在一个关断过程中，从栅极-发射极间电压的脉冲下降至其幅值的90％的时刻起，到集电极电流下降至其幅值的10％的时刻止的这段时间。
5.如权利要求1所述的电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，其特征在于，所述器件关断损耗计算单元包括关断损耗计算单元和数据储存单元，其中，
所述关断损耗计算单元用于接收所述电流检测单元输出的电流信号、所述电压检测单元输出的电压信号以及所述关断时间采集单元采集的关断时间信号，并根据下式计算待测IGBT的关断损耗：
Figure DEST_PATH_FDA0002526854170000021
其中Poff为关断损耗，fsw为开关频率，toff为关断时间，vce为集电极-发射极间电压，ic为集电极电流；
所述数据储存单元用于储存关断损耗信号。
6.如权利要求1所述的电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，其特征在于，所述结温计算单元，用于接收所述电流检测单元输出的电流信号、所述器件关断损耗计算单元输出的关断损耗信号、以及所述结温-电流-关断损耗关系表单元输出的待测IGBT的结温-电流-关断损耗三维表信息，并据此计算待测IGBT的实时运行结温。
7.如权利要求1所述的电力电子变电站中IGBT的可靠性状态检测装置，其特征在于，所述IGBT状态检测单元，包括：结温比较单元和可靠性状态判断单元，其中，所述结温比较单元，用于将所接收到的待测IGBT的实时运行结温与待测IGBT的最高允许结温进行比较，并得到比较结果；可靠性状态判断单元，用于根据比较结果来判断待测IGBT的可靠性状态：当待测IGBT的实时运行结温不高于待测IGBT的最高允许结温时，判断待测IGBT器件处于安全工作区；当待测IGBT的实时运行结温超过待测IGBT的最高允许结温时，判断待测IGBT器件正处于不正常状态。
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