Npc型三电平逆变器可靠性在线监测系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于功率器件在线健康监测领域，特别设及一种针对S电平NPC型逆变器 拓扑的可靠性监测系统及方法。
【背景技术】
[0002] 相对于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电平数增加、更好的谐波频 谱、器件所承受的电压应力小等优势，但是由于多电平电路使用了数量较多的开关器件，导 致电路的可靠性相应降低，任何一个器件故障都有可能导致整个电路停止工作，甚至会影 响到其他电路的安全，造成不可估量的经济损失。
[0003] 器件结溫是衡量IGBT功率器件热可靠性的主要因素之一。目前对功率器件在热 冲击下的性能劣化和可靠性衰退的机理研究较少，对失效进程的认识和把握不足，缺少能 表征器件失效进程的特征量；对功率器件及并网变流装置的离线概率可靠性评估也因器件 基础可靠性指标（如平均寿命、老化失效率、不可用率）的缺失，其深入开展受到限制。因 此，提出围绕功率器件（WNPC型S电平逆变器中常用的IGBT为对象）的可靠性在线监测。
[0004] 文献1发明专利申请《一种NPCS电平逆变器故障冗余控制方法》（公布号CN 103378759A);通过对NPCS电平逆变器进行器件故障实时监测，当检测到IGBT器件端电压 始终为零时，认定该管发生短路故障；端电压始终为非零值时，认定该管发生开路故障，运 样只能在器件发生故障后得到IGBT功率器件的可靠性的检测结果。因此对逆变器应用中 在线监测方面，是不可行的。
[0005] 文献 2《AFaultDetectionandProtectionSchemefor1"虹ee-LevelDC-DC Conve;rtersBasedonMonitoringFlyingCapacitorVoltage》2012I邸ERANSACTIONSON POWERELECTRONICS.(《基于监测飞跨电容电压的S电平直流-直流变换器的故障检测和 保护方案》，2010IEEE电力电子学会刊）通过提取基于器件失效后造成开关管两端不平衡 的电压应力，通过飞跨电容电压的监测，分析故障位置，提出保护策略并采取补救措施。但 该方法只能够快速识别器件失效后带来的主电路电压变化，不能实现器件失效前的诊断和 预测。
[0006] 现有专利中，测量结溫时使用接触式或非接触式直接测量法均不能实现针对逆变 器运行状态下的在线实时监测。通过选择合适的溫敏电气参数，提高推算结溫的精度是判 断器件健康状态的关键因素。
【发明内容】
[0007] 本发明是针对多电平逆变电路容易出现故障的问题，提出一种NPC型S电平逆变 器可靠性监测系统，该系统能在不同的开关周期依次检测NPCS电平逆变器S相桥臂中共 六个IGBT器件/反并联二极管（每相桥臂中间两个器件）是否发生故障，并在容错控制 PWM驱动波形后保持=相平衡工作，不降低电路的输出功率。由于每相桥臂首尾两个器件在 工况下，导通状态不满足测试条件，因此只能依据导通次序相似的器件，即已测的六个IGBT 器件/反并联二极管，估计其健康程度。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0009] 一种NPC型S电平逆变器可靠性在线监测系统，其特征在于，包括PWM驱动调整单 元（10)、辅助电源单元（20)、继电器单元（30)、数据采集单元（40)、分析可靠性单元巧0) 和NPC型S电平逆变器主电路化0);
[0010] 其中所述NPC型S电平逆变器主电路化0)，包括十二个功率开关器件，器件中 十二个IGBT分别为Tal~化4、Tbl~化4、Tcl~Tc4,十二个与IGBT反并联的二极管分 别为Dal~Da4、抓1 ~Db4、Dcl~Dc4 ;
[0011] 其中所述PWM驱动调整单元（10)，输入端与分析可靠性单元巧0)中控制器巧01) 连接，输出端与逆变器主电路化0)中十二个功率开关器件的驱动信号端相连；
[0012] 所述辅助电源单元（20)，主要由幅值为11和12的两个电流源并联组成，通过继电 器单元（30)与逆变器主电路化0)中待测功率开关器件（601)连接，其中待测功率开关器 件（601)包括：化2、化3、化2、化3、Tc2、Tc3、Da2、Da3、Db2、Db3、Dc2、Dc3 ;
[0013] 所述继电器单元（30)，包括S级连接，其中一级单元（301)包括DPDTl、DPDT2、 DPDT3S个双刀双掷继电器，每个DPDT输出端四路引脚中间两路接通，引出S路连接线，共 九路连接线，接至逆变器主电路化0)=相桥臂中六个待测功率开关器件化01)的两端共九 个节点；二级单元（302)包括串联的DPDT4和DPDT5 ;-级单元（301)和二级单元（302)有 六路连接，其中四路是一级单元（301)中两个DPDT的输入端和二级单元（302)中DPDT4的 输出端，另两路是一级单元（301)中一个DPDT输入端和二级单元（302)中DHJTS输出端； S级单元（303)包括一个DPDT6,其输入端两路引脚和二级单元（302)中DHJTS输入端相 连，输出端连接至辅助电源单元（20);
[0014] 所述数据采集单元（40)，包括高采样频率的数据采集卡，其测量电压信号的输入 端连接至待测功率开关器件（601)两端，在上述PWM驱动调整单元（10)调整时段内，对待 测功率开关器件（601)在被测时段的端电压进行测量，数据采集卡输出端连接至分析可靠 性单元巧0)存储；
[0015] 所述分析可靠性单元巧0)，其中控制器巧01)的输入端与数据采集单元（40)相 连，输出端分别连接至分析与监测单元巧02)、PWM驱动调整单元（10)、辅助电源单元（20) 和继电器单元（30)。
[0016] 一种根据权利要求1所述的在线监测系统的实施方法，其特征在于：具体包括W 下步骤：
[0017] 步骤A、一个完整开关周期内，对NPC型S电平逆变器主电路化0)中S相桥臂共 十二个IGBT器件的开关状态和电流路径做出分析，保持S相平衡工作，选取0. 4ms时段调 整逆变器开关管PWM驱动波形；
[0018] 步骤B、通过控制继电器单元（30)中DPDTl至DPDT6的十二种开关状态，在辅助电 流源（20)和待测功率开关器件（601)之间切换连接，按序循环选择每个待测IGBT器件的 两端注入高低交替的电流脉冲序列；
[0019] 步骤C、在步骤A做出调整的时段内，外部辅助电流源（20)与待测功率开关器件中 当前被选的单个IGBT器件连接路径中导通两种幅值的电流，数据采集单元（40)测得健康 状态下该IGBT器件的导通电压并存储；
[0020] 步骤D、分析在初始健康状态下时，步骤C存储的IGBT导通电压数据，和通态电流、 结溫对应起来，生成导通电压和结溫关系图作校准曲线，将获得的通态压降和结溫对应成 基准查阅表；
[0021] 步骤E、在线条件下，获取待测功率开关器件（601)端电压值，与健康状态下步骤D 生成的基准查阅表对比，若通态压降波动幅值小于阔值，则认定该器件处于健康状态，检测 下个器件；若增长幅值大于阔值，即认定该器件存在故障或处于即将损坏状态，循环依次得 到每个待测IGBT及反并联二极管的健康程度，进而完成对整个逆变器的可靠性监测。
[0022] 本发明实施例提供的一种在线监测S电平逆变器中IGBT功率器件可靠性的方 法，其有益效果如下：
[0023] 1、本发明提供的NPCS电平逆变器可靠性在线监测方法，是基于主电路中器件角 度，针对功率器件中IGBT和反并联二极管上键合引线的失效做出预测性判断。与W往需要 停止对电路供电，打开器件检测结溫分布不同，本发明实现在工况条件下的在线监测IGBT 功率器件健康程度，进而判断可靠性。
[0024] 2、本发明提供的在线监测逆变器中IGBT功率器件可靠性方法，首先对NPC型S电 平逆变器中一个完整周期内，功率器件的导通关断状态和电流路径做出分析，创新性的提 出了微调整其正常的PWM驱动波形，W供选择合适测量时间段，在正常工况下完成检测工 作。
[00巧]3、本发明提供的NPCS电平逆变器可靠性在线监测方法，亦可作为离线检测方法 使用。不需要PWM驱动调整单元再对每周期内驱动波形进行调制，即可快速不受限地对整 个逆变器中十二个IGBT器件/反并联二极管依次检测。通过对每个功率开关管的健康状 态估算，做出整个逆变器系统可靠性的判断，对于电路安全具有重要的指导意义。
【附图说明】
[00%] 图1为本发明实施基于NPC型S电平逆变器的在线监测总电路示意图；
[0027] 图2为本发明实施在线监测系统中继电器单元内部连接示意图；
[0028] 图3为本发明实施基于=电平逆变器可靠性在线监测方法流程图；
[0029] 图4为本发明实施逆变器中A相桥臂四个开关管驱动调整示意图；
[0030] 图5为本发明实施数据采集脉冲时段示意图；
[0031] 图6为本发明实施PWM驱动调整后逆变器输出相电压；
[0032] 图7为本发明实施PWM驱动调整后逆变器输出线电压；
[0033] 图8为本发明实施PWM驱动调整后逆变器输出线电流；
[0034] 图9为本发明实施PWM驱动调整后逆变器输出线电流FFT分析；
【具体实施方式】
[0035] 本发明提供一种NPC型S电平逆变器可靠性在线监测系统，在线监测总电路示意 图如图1所示，包括PWM驱动调整单元10、辅助电源单元20、继电器单元30、数据采集单元 40、分析可靠性单元50和NPC型S电平逆变器主电路60。
[0036] 图2给出了主电路及附加检测电路示意图。
[0037] 其中PWM驱动调整单元，在工况条件下获取适合测量的时段，对被测器件，在不降 低电路的输出功率的前提下，需要满足其导通注入电流后不影响主电路电流状态为准，W供后续外置恒定电流注入和电压数据采集时间。每相桥臂有'P'、'〇'、'N'=种输出状态， 为了避免影响主电路电流路径，只有'0'状态符合本发明测试条件；
[003引表1S电平逆变器中A相桥臂四个开关管状态与对应的相电压
[0039]
[0040] 辅助电源单元，主要由幅值为11和12的两个电流源并联组成，通过继电器单元30 与逆变器主电路60中待测功率开关器件601连接，其中待测功率开关器件601包括：Ta2、 化3、化2、化3、Tc2、Tc3、Da2、Da3、Db2、Db3、Dc2、Dc3 ;在IGBT器件开通且未有电流流经时， 提供两种幅值的恒定注入电流Iee,供数据采集卡获得两种幅值的正向导通压降Vce;
[OOW 继电器单元，详细连接电路图如图2所示。在主电路的基础上，由六个双刀双掷继 电器组成的继电器网络将每相桥臂的