[发明专利]一种基于器件开关损耗的电力电子在线可靠性状态检测装置与方法

说明书

本发明公开了一种基于器件开关损耗的电力电子在线可靠性状态检测装置与方法，包括电流信息采集单元、电压信息采集单元、器件开关状态判断单元、器件开通损耗计算单元、器件关断损耗计算单元、器件状态‑电流‑开关损耗关系表单元和器件可靠性状态判断单元。本发明通过实时检测待测IGBT的外部数据，包括直流电压和三相输出端对母线地的电压、三相输出电流信息，在不影响IGBT的正常运行且不破坏IGBT内部结构的情况下，实现每个IGBT的总损耗、二级管损耗、IGBT净损耗的测量方案和计算方法，且通过IGBT状态计算损耗，无需计算出具体地开关时间。进而根据开关损耗以及电流来进行IGBT芯片的可靠性状态检测，本发明具有传感器少、逆变器无需改造且数据易采集优点。

技术领域

本发明涉及电力电子功率模块领域，尤其涉及一种基于器件开关损耗的电力电子在线可靠性状态检测装置与方法。

背景技术

绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)自20世纪80年代来发展迅速，已经成为标准组件广泛地应用于大功率能源变换与输送场合，特别在轨道牵引、航天航空、电动汽车、智能电网和新能源发电等领域扮演者不可或缺的角色。由于其复杂的工作环境导致其面临的工况也越来越严苛，且功率模块等级和温度耐受能力的要求均逐步提升。然而更高的功率等级以及工作温度将会带来更大的失效风险，且模块内部在长时间承受高温以及大应力时极易发生老化、疲劳，模块损耗以及系统稳定程度将受到很大的影响，并且在实际中的一些参数难以测量，所以对IGBT模块的在线可靠性状态检测一直是电力电子领域的研究热点和难点。

目前。对于IGBT模块的在线可靠性状态检测研究尚在起步阶段。由于热是引发模块失效的最主要原因，因此大量的研究侧重于IGBT模块的结温提取，采用热阻网络模型、热敏电参数以及有限元分析等手段计算和预测IGBT芯片结温，从而能够发现异常结温工作情况并报警。结温提取技术仅能够预警芯片过热失效的损坏情况，属于瞬态保护，但无法探查结温处于允许运行范围内的模块是否发生老化(如IGBT门氧层发生老化)，从而无法对已经处于老化状态的模块进行保护。让其继续承受和正常模块相同的大电流、高电压，将加快其失效的进程。进而威胁到整个变换器系统的工作和运行。而IGBT的门氧层是一层实现栅极与发射集电气绝缘的二氧化硅薄膜，且门氧层很薄击穿电压较低，是IGBT芯片中相对薄弱的环节。因此，迫切需要开发一种可以同时检测IGBT老化以及结温的方法，方并且可以实现在线检测。

发明内容

鉴于上述情况，本发明提出了一种基于器件开关损耗的电力电子在线可靠性状态检测装置与方法。针对在线IGBT可靠性状态检测难的问题，本发明通过实时检测待测IGBT的外部数据，包括直流电压和三相输出端对母线地的电压、三相输出电流信息，在不影响IGBT的正常运行且不破坏IGBT内部结构的情况下，实现每个IGBT的总损耗、二级管损耗、IGBT净损耗的测量方案和计算方法。进而根据开关损耗以及电流来进行IGBT芯片的可靠性状态检测。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于器件开关损耗的电力电子在线可靠性状态检测装置与方法，包括：电流信息采集单元，用于采集待测IGBT的电流信号；电压信息采集单元，用于采集待测IGBT的电压信号；器件开关状态判断单元，用于判断IGBT开关状态以及采集待测IGBT开关过程时间信号；器件开通损耗计算单元，用于计算待测IGBT的开通损耗；器件关断损耗计算单元，用于计算待测IGBT的关断损耗；器件状态-电流-开关损耗关系表单元，用于存储预先获得的待测IGBT的器件状态-电流-开关损耗三维表；器件可靠性状态判断单元，用于判断待测IGBT的可靠性状态。