一种基于开关特性的变流器IGBT模块故障预诊断方法与流程

本发明涉及一种变流器IGBT模块故障预诊断方法，尤其是涉及一种基于开关特性的变流器IGBT模块故障预诊断方法。

背景技术：

变流器是一种电能变换装置，广泛应用于新能源发电、电动汽车、轨道交通、航空航天以及冶金等领域。IGBT模块为变流器的核心器件，因此IGBT模块的故障将直接影响变流器运行可靠性。以常见的封装类故障为例，由于内部各层材料热膨胀系数的差异，IGBT模块在长期运行过程中会出现焊料层老化与引线断裂等故障。

故障预诊断技术可在IGBT模块失效前对故障进行及时预警，既能防止灾难性事故的发生又可为系统高效运行与维护提供支持，因此该技术已逐渐成为提高变流器系统运行可靠性的关键技术。现有的变流器IGBT模块故障预诊断技术可大致分为模型法、器件参数法以及系统变量法三种不同的方法。

模型法利用数学模型在线评估IGBT模块的健康状态，但其准确性受模型精度的限制。如文献：Exploration of power device reliability using compact device models and fast electro-thermal simulation以及文献：Real-time life consumption power modules prognosis using on-line rainflow algorithm in metro applications，上述文献均利用IGBT紧凑电热模型与变流器快速电热仿真技术，在变流器系统运行工况不断变化的条件下对IGBT模块进行“在线”寿命预测。但是该方法中寿命预测结果是否准确取决于模型精度(器件可靠性模型、电热模型)。考虑到实际系统中器件参数的分散性、故障模式复杂多样以及器件状态影响结温估计等因素，该技术很难实现变流器IGBT模块寿命精确预测。

器件参数法通过监测IGBT动静态参数获取模块状态信息，但由于器件参数难以直接测量，该方法现场实施困难。文献：In Situ Diagnostics and Prognostics of Wire Bonding Faults in IGBT Modules for Electric Vehicle Drives通过测量IGBT导通压降V_CE(sat)与结温、导通电流的关系判断键合线断裂程度，提高功率模块的可靠性。文献：基于泄漏电流的电力电子装置状态监测技术，通过定期监测晶闸管泄漏电流的方法对轧钢机变流器故障进行预诊断，提高了故障诊断效率。文献：Ageing defect detection on IGBT power modules by artificial training methods based on pattern recognition利用IGBT通态电压与结温监测数据采用人工神经网络建立器件模型，并通过实验成功识别出故障与健康器件。文献：Effects of wire-bond lift-off on gate circuit of IGBT power modules通过对比IGBT模块引线断裂前后门极电压信号，提出利用门极电压米勒平台退化程度不同诊断IGBT键接线故障的方法。中国专利201210528663.1通过监测IGBT集射电压V_CE、集电极电流I_C，门级电压V_GE以及底板温度信号对模块内部键接线故障的实施诊断。归纳起来，上述文献和专利都是利用器件参数对IGBT模块故障进行预诊断，然而实际系统中IGBT均封装成分立元件或模块安装在变流器内部，器件参数现场测量困难。

系统变量法通过监测变流器系统变量的变化(如输出电压、电流以及散热器温度)对IGBT模块故障情况进行诊断，但IGBT模块故障引起系统变量变化微弱，准确监测比较困难。文献：Online ringing characterization as a diagnostic technique for IGBTs in power drives设计了高频带通滤波电路(5MHz)，通过检测IGBT开关时产生的高频振荡电流的特征(包括幅值和阻尼系数)判断该IGBT是否老化。中国专利201310099893.5通过在线监测IGBT模块输出的电压或电流的低次谐波信号与表壳温度信号，对IGBT模块健康状态进行评估。文献：Condition Monitoring Power Module Solder Fatigue Using Inverter Harmonic Identification通过实验证实，变频器输出相电流中的5次谐波可用来对焊料层老化故障进行预诊断。归纳起来，上述文献和专利在变流器运行过程中在线监测与IGBT模块故障状态相关的变流器系统变量(如高频振荡、输出谐波以及表壳温度等)，但该技术需要增加额外的硬件装置且故障诊断结果易受外界信号干扰。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于开关特性的变流器IGBT模块故障预诊断方法。

一种基于开关特性的变流器IGBT模块故障预诊断方法，用于对变流器中的IGBT模块进行故障预诊断，该方法包括如下步骤：

(1)运行变流器，获取待故障预诊断的IGBT模块中各个IGBT管的开通特性曲线、关断特性曲线以及IGBT模块表壳温度；

(2)获取相同表壳温度下与待故障预诊断IGBT模块型号相同的健康IGBT模块中各个IGBT管的开通特性曲线和关断特性曲线；

(3)将步骤(1)和(2)的各个IGBT管开通特性曲线和关断特性曲线两两对比，得到各IGBT管的特性曲线是否异常，若至少一个IGBT管特性曲线发生异常，则该待故障预诊断的IGBT模块发生故障。

步骤(3)中各IGBT管的特性曲线是否异常具体通过如下方式获得：

分别两两对比待故障预诊断的IGBT模块和健康IGBT模块中对应的IGBT管的开通特性曲线和关断特性曲线，若待故障预诊断的IGBT模块中的IGBT管的开通特性曲线或关断特性曲线中至少一条特性曲线较健康IGBT模块中对应的IGBT管的开通特性曲线或关断特性曲线发生形变或偏移，且形变量或偏移量超过设定范围，则判定IGBT管特性曲线存在异常。

步骤(1)和步骤(2)中的IGBT管的开通特性曲线和关断特性曲线具体通过如下方式获取：

(a)运行变流器，获取变流器输出线电压和线电流；

(b)根据线电压获取变流器中IGBT管在多个开关周期内的开通时间和关断时间；

(c)根据线电流获取待故障预诊断的IGBT管在对应的开通时刻和关断时刻的线电流；

(d)以开通时刻线电流为横轴，对应的开通时间为纵轴绘制曲线得到开通特性曲线，同时以关断时刻线电流为横轴，对应的关断时间为纵轴绘制曲线得到关断特性曲线。

步骤(b)具体为：

(b1)根据变流器结构以及调制算法提取与IGBT管的开通和关断相关联的变流器输出线电压；

(b2)从步骤(b1)中的线电压中捕获线电压的上升沿或下降沿；

(b3)根据变流器结构、调制算法以及对应的线电压进行分析，确定步骤(b2)线电压的上升沿或下降沿与IGBT管的开通和关断之间的关联关系；

(b4)根据IGBT管开通对应的线电压的上升沿或下降沿，获取此线电压边沿中电压值在设定范围内所持续的时间即为IGBT管的开通时间，同理，获取IGBT的关断时间。

步骤(c)具体为：首先根据变流器结构以及调制算法提取与相应的IGBT管的开通和关断相关联的变流器输出线电流，然后提取IGBT管的开通过程开始时刻和关断过程开始时刻对应的电流值，从而对应得到开通时刻电流和关断时刻电流。

所述的表壳温度通过IGBT模块中内部集成的温度传感器获得。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

(1)本发明方法充分利用变流器系统外部可以方便测量的输出线电压与线电流获取IGBT的开通时间、关断时间与电流的运行特性，从而实施故障预诊断，该方法不需要在变流器内部植入检测电路，简化了测试系统结构，现场实施方便；

(2)本发明方法以IGBT开通时间和关断时间作为特征变量，其变化程度直接能够反映IGBT模块的健康状态，IGBT是一种工作在高频开关状态下的电力电子器件，它的动态开关特性能够及时、有效反映出器件运行的健康状态，消除了建模仿真与理论计算带来的误差，同时IGBT开关特性能直接反映模块健康状态，受外界因素干扰少，除此之外，IGBT开关频率高，现场测试时可方便获取大量数据，有助于进一步消除测量误差，提高故障预诊断的准确性；

(3)本发明中无论变流器的拓扑结构如何，它的输出线电压都是由内部各个IGBT器件交替开关产生，本发明测量变流器输出线电压PWM脉冲上升沿或下降沿，可获取任意结构变流器中各个IGBT器件的开关特性，适用性好。

附图说明

图1为本发明故障预诊断方法的流程框图；

图2为本发明IGBT模块中IGBT管的开通特性分布示意图；

图3为本发明IGBT模块中IGBT管的关断特性分布示意图；

图4为实施例健康IGBT模块中IGBT管和老化IGBT模块中IGBT管的关断特性对比图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种基于开关特性的变流器IGBT模块故障预诊断方法，首先在变流器出厂时测得健康状态下IGBT模块的开关特性并以此作为故障预诊断的基准。接下来，在变流器运行过程中定期或不定期进行测试，通过对比健康状态与当前IGBT开关特性的变化获取模块健康状态与故障情况。

变流器IGBT模块开关特性现场测试方法的具体步骤如图1所示：

S1：测试准备：安装电压和电流探头，测量变流器输出线电压和线电流。电压探头要求具有高带宽，以捕获变流器输出线电压中的高速变化的上升或下降沿。利用变流器内部集成的温度传感器测量IGBT表壳温度。为防止IGBT模块过温，通常情况下变流器内部都有现成的温度传感器监测IGBT温度。

S2：器件编号：对变流器中待故障预诊断的IGBT模块中各个IGBT管进行编号并根据变流器拓扑结构与PWM具体调制算法将它们的开关过程与变流器输出线电压上升沿/下降沿关联起来。

S3：数据测量与记录：在负载条件下(如额定负载)运行变流器，测量并记录变流器输出线电压与线电流。

S4：器件开关特性分析：根据测量数据分析各IGBT管开通与关断时间与电流之间的运行特性函数关系f_on(i)、f_off(i)，绘制IGBT管的开通特性曲线、关断特性曲线：以开通时刻线电流为横轴，对应的开通时间为纵轴绘制曲线得到开通特性曲线，同时以关断时刻线电流为横轴，对应的关断时间为纵轴绘制曲线得到关断特性曲线。

获取相同表壳温度下的与待故障预诊断IGBT模块型号相同的健康IGBT模块中各个IGBT管的开通特性曲线和关断特性曲线，即变流器出厂时测得健康状态下IGBT模块的开通特性曲线和关断特性曲线，分别两两对比待故障预诊断的IGBT模块和健康IGBT模块中对应的IGBT管的开通特性曲线和关断特性曲线，若待故障预诊断的IGBT模块中的IGBT管的开通特性曲线或关断特性曲线中至少一条特性曲线较健康IGBT模块中对应的IGBT管的开通特性曲线或关断特性曲线发生形变或偏移，且形变量或偏移量超过设定范围，则判定IGBT管特性曲线存在异常。对于待故障预诊断的IGBT模块，若至少一个IGBT管特性曲线发生异常，则该待故障预诊断的IGBT模块发生故障。

IGBT模块中IGBT管的开通特性分布示意图如图2所示，图中直线为健康IGBT模块中IGBT管的开通特性曲线，若待故障预诊断的IGBT模块中IGBT管的开通特性曲线中的各点均在图中直线附近方差为-5％～5％范围内，则待故障预诊断的IGBT模块中IGBT管关断特性曲线为正常，否则为存在异常。图3为IGBT模块中IGBT管的关断特性分布示意图，图中直线为IGBT模块中IGBT管的关断特性曲线，同理，若待故障预诊断的IGBT模块中IGBT管的关断特性曲线中的各点均在图中直线附近方差为-5％～5％范围内，则待故障预诊断的IGBT模块中IGBT管关断特性曲线正常，否则为存在异常。而判别整个IGBT管的特性曲线异常与否是根据开通热性曲线和关断特性曲线来综合判断的，若开通特性曲线或关断特性曲线中至少一条特性曲线异常则判定对应的IGBT管异常。

本发明方法中定义的IGBT开通时间t_v.on为集射极电压V_CE从V_HIGH下降到V_LOW过程的时间；关断时间t_v.off为V_CE从V_LOW上升到V_HIGH过程的时间。其中V_LOW与V_HIGH可以根据实际系统具体确定，例如V_LOW为10％V_DC，V_HIGH为90％V_DC。本发明方法定义的IGBT开通特性f_on(i)是在IGBT模块表壳温度T_c一定的条件下，开通时间t_v.on与线电流i间的函数关系；关断特性f_off(i)为在IGBT模块表壳温度T_c一定的条件下，关断时间t_v.off与线电流i间的函数关系。IGBT模块故障会影响IGBT的开通与关断特性，从而引起变流器输出线电压中PWM脉冲上升沿或下降沿的变化。

IGBT管的开通特性曲线和关断特性曲线具体通过如下方式获取：

(a)运行变流器，获取变流器输出线电压和线电流；

(b)根据线电压获取变流器中IGBT管在多个开关周期内的开通时间和关断时间；

(c)根据线电流获取待故障预诊断的IGBT管在对应的开通时刻和关断时刻的线电流；

(d)以开通时刻线电流为横轴，对应的开通时间为纵轴绘制曲线得到开通特性曲线，同时以关断时刻线电流为横轴，对应的关断时间为纵轴绘制曲线得到关断特性曲线。

步骤(b)具体为：

(b1)根据变流器结构以及调制算法提取与IGBT管的开通和关断相关联的变流器输出线电压；

(b2)从步骤(b1)中的线电压中捕获线电压的上升沿或下降沿；

(b3)根据变流器结构、调制算法以及对应的线电压进行分析，确定步骤(b2)线电压的上升沿或下降沿与IGBT管的开通和关断之间的关联关系；

(b4)根据IGBT管开通对应的线电压的上升沿或下降沿，获取此线电压边沿中电压值在设定范围内所持续的时间即为IGBT管的开通时间，同理，获取IGBT的关断时间。具体地，开通时间：找到与IGBT管开通过程对应的线电压边沿，开通时间即为此段边沿上电压值对应V_LOW与V_HIGH间的时间。关断时间：找到与IGBT管关断过程对应的线电压边沿，关断时间即为此段边沿上V_LOW与V_HIGH间的时间，V_LOW与V_HIGH的值可以自行设定。确定线电压的上升沿或下降沿与待故障预诊断的IGBT模块的IGBT管开通和关断之间的关联关系可以通过试验或者仿真方式进行分析得到。

步骤(c)具体为：首先根据变流器结构以及调制算法提取与相应的IGBT管的开通和关断相关联的变流器输出线电流，然后提取IGBT管的开通过程开始时刻和关断过程开始时刻对应的电流值，从而对应得到开通时刻电流和关断时刻电流。

在整个故障预诊断过程中，IGBT的表壳温度可以通过IGBT模块中内部集成的温度传感器获得。

变流器IGBT模块长期运行过程中在温度循环和功率循环作用下容易发生焊料层老化故障。焊料层老化产生的破裂、空洞会使热通量密度增大，阻碍IGBT芯片热量散失，最终可能导致IGBT烧毁失效。为了验证本发明的故障预诊断方法的正确性。由于属于实验验证，已知焊料层老化故障对IGBT管的关断特性影响较大，因此只对发生焊料层老化前后380V/10kW三相全桥两电平逆变器中的IGBT模块(FF50R12RT4)关断时间特性f_v.off(i)进行了测试，对实施过程如下：

1.在变流器系统输出端安装电压探头与电流探头。电压探头型号为DP6130高压差分探头，带宽为100MHz，以捕获变流器AB相输出线电压V_ab中的高速变化的上升或下降沿，电流探头型号为CP8030A，记录关断时刻A相输出线电流I_a。并使用变流器内部集成的温度传感器测量IGBT表壳温度T_c。

2.变流器各桥臂使用健康无故障的IGBT功率模块，将A相桥臂上管IGBT编号为T1，下管IGBT编号为T2。并将T1的开关过程与变流器输出线电压上升沿或下降沿关联起来，该实施例中变流器为三相全桥两电平逆变器，调制方式采用正弦波脉宽调制(SPWM)，经过分析得到IGBT模块中T1管开关过程与AB相输出线电压V_ab中上升沿和下降沿之间的具体对应关系为：在每一个开关周期内包含两个上升沿与两个下降沿，输出线电压V_ab的第一个上升沿与T1管的开通相关联，输出线电压V_ab的第二个下降沿与T1管的关断相关联。由于实际系统在调制方式、运行工作点、拓扑结构等方面不完全一致，因此需要根据实际情况具体确定IGBT的开关过程与线电压上升沿或下降沿之间的关联关系。

3.在额定负载条件下运行变流器，测量并记录变流器AB相输出线电压V_ab与A相线电流I_a，并记录变流器外壳温度T_c。

4.将与T1号IGBT关对应的变流器输出线电压上升沿或下降沿与电流数据根对应关系分离出来，根据本发明方法的关断时间t_v.off定义，令V_LOW＝60V,V_HIGH＝540V，测量T1号IGBT管的关断时间与关断时刻的线电流。最后根据T1号IGBT测得的所有关断时间与线电流值得到了该IGBT的关断特性f_v.off(i)_1。

5.变流器系统停止运行，将A相桥臂功率模块替换为发生焊料层老化的IGBT功率模块，重复步骤1至步骤4，得到故障IGBT模块中IGBT管的关断特性f_off(i)_2。

6.将健康IGBT的关断特性f_off(i)_1与老化IGBT的关断特性f_off(i)_2绘制在图4中。在相同表壳温度T_c＝25℃条件下，流过相同电流时，焊料层老化IGBT模块中IGBT管的关断时间比健康IGBT模块的IGBT管关断时间长数十纳秒，老化前后的IGBT的关断特性发生了偏移，并且偏移程度超过正常允许范围(由测量误差造成)。因此，通过对比故障老化前后IGBT关断时间关断特性的变化可有效诊断出模块焊料层老化故障。