一种变流器IGBT模块现场故障预诊断方法与流程

本发明涉及一种变流器IGBT模块现场故障预诊断方法，尤其是涉及一种变流器IGBT模块现场故障预诊断方法。

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。作为变流器的核心器件，IGBT模块故障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芯片丢失与导热性能退化等故障。

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维护提供支持，因此该技术已逐渐成为变流器系统高可靠性运行的关键技术。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；器件参数法通过监测功率器件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；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，在线监测比较困难。

文献“Bryant A T,Mawby P A,Palmer P R,et al.Exploration of power device reliability using compact device models and fast electro-thermal simulation.IEEE IAS Annual Meeting,2006:1465-1472.”与“Musallam M,Johnson C M,Yin C,et al.Real-time life consumption power modules prognosis using on-line rainflow algorithm in metro applications.IEEE Energy Conversion Congress and Exposition(ECCE),2010:970-977.”利用功率器件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”寿命预计。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。

文献“Brown D W,Abbas M,Ginart A,et al.Turn-off time as an early indicator of insulated gate bipolar transistor latch-up.IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(2):479-489”将IGBT关断时间作为诊断闩锁失效的故障特征变量，在此基础上提出计及温度影响的IGBT闩锁故障预诊断指标，并通过实验验证其可行性。文献“廖国斌，刘俊岭，秦立宇，基于泄漏电流的电力电子装置状态监测技术，宝钢技术，2008(3)：78-80”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“Oukaour A,Tala-Ighil B,Pouderoux B,et al.Ageing defect detection on IGBT power modules by artificial training methods based on pattern recognition[J].Chongqing Medicine,2011,51(2):386-391”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“Zhou L,Zhou S.Effects of wire-bond lift-off on gate circuit of IGBT power modules.IEEE Power Electronics and Motion Control Conference(EPE/PEMC),2010”通过对比IGBT模块引线断裂前后门极电压信号，提出利用栅极电压米勒平台退化程度不同诊断IGBT键接线故障的方法。归纳起来，本段所述文献都是利用器件参数对IGBT模块故障进行预诊断，然而实际系统中功率器件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。

文献“Ginart AE,Brown D W,Kalgren P W,et al.Online ringing characterization as a diagnostic technique for IGBTs in power drives.IEEE Transactions on Instrumentation&Measurement,2009,58(7):2290-2299”设计了高频带通滤波电路(5MHz)，通过检测IGBT导通时产生的高频振荡电流的特征判断该IGBT是否老化。申请号为201210528663.1的中国专利“一种IGBT模块内部键接线故障监测系统及其工作方法”利用变流器外部电气与温度信号对模块内部键接线故障的实施诊断。申请号为201310099893.5的中国专利“一种基于谐波监测的变流器功率模块在线故障诊断方法”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。归纳起来，本段所述文献与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。

文献P.Sun,C.Gong,X.Du,et al.Condition Monitoring IGBT Module Bond Wires Fatigue Using Short-Circuit Current Identification.IEEE Transactions on Power Electronics(目前尚未正式刊出，只是在IEEE网站上在线提前公开)通过短路实验测量IGBT稳态短路电流Isc对键接线断裂程度进行监测，以提高IGBT模块的可靠性。尽管都采用短路电流对IGBT模块进行故障诊断，但本发明方法与该方法存在以下不同之处：1)本发明方法充分利用变流器系统的硬件条件，适合于进行现场测试。而该文献提出的方法在进行短路测试时需降低IGBT门极电压，工程实施困难；2)不同于该方法测量稳态短路电路电流，本发明采用暂态短路电流峰值作为特征变量对模块故障进行诊断。这使得短路电流减小(小于额定电流)同时测试时间减小(减小到约1μs)，从而提高了短路测试的安全性；3)本发明方法可对不同故障(如芯片丢失、焊料层老化、门极故障等)进行诊断，而文献提出的方法仅针对于IGBT模块键接线故障进行诊断。

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变流器IGBT模块现场故障预诊断方法。该方法以IGBT短路电流的峰值作为故障特征变量，在系统停机时利用直流电容储能对变流器IGBT模块进行故障预诊断测试，具有安全、简便、经济、准确等优点。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种变流器IGBT模块现场故障预诊断方法，用于变流器IGBT模块的故障诊断，所述的变流器包括直流电容和多个IGBT，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

S1，变流器所在的电气系统停机，所述的电气系统为电动汽车、地铁、高铁、风力发电机中等中的电气系统，变流器是系统中的核心部件；

S2，利用输入电源给直流电容充电，直到电压稳定；

S3，断开输入电源与变流器之间的连接，令直流电容放电，直到其电压下降为设定值；

S4，根据被测IGBT的具体位置，配置相应的门级触发脉冲构成直通短路电路实施测试，并记录被测IGBT的直通短路电流；

S5，将步骤S4得到的直通短路电流的峰值与被测IGBT健康状态时的直通短路电流峰值进行比较，判断被测IGBT是否故障；

S6，直流电容完全放电；

S7，返回步骤S2，进行下一个被测IGBT的故障测试，直到所有IGBT测试完毕。

所述的步骤S4中，对被测IGBT的测试的具体方法包括：将与被测IGBT串联构成一个桥臂的IGBT设置为导通状态，其余IGBT设置为关断状态，对被测IGBT施加短脉冲，并记录被测IGBT的直通短路电流。

所述的步骤S4中，在直流母线利用电流传感器测量并记录被测IGBT的直通短路电流。

所述的步骤S5中，当直通短路电流峰值小于健康状态时的直通短路电流峰值，二者差值超过健康状态时的直通短路电流峰值的3％时，判断被测IGBT故障。

所述的S6中，利用泄能电阻与直流电容形成回路，进行电容的放电。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)安全性高：在系统停机时实施故障预诊断，测试过程中系统与电网完全隔离，利用直流电容储能对IGBT模块进行故障预诊断，确保了测试的安全性。

(2)故障诊断准确性高：以IGBT模块短路电流作为特征变量，短路电流的变化程度直接反映了IGBT模块的状态，消除了建模仿真与理论计算带来的误差；直通短路测试时间很短，可有效放大IGBT模块故障对直通短路电流峰值的影响且受其它因素干扰少。

(3)测试简便、经济：充分利用变流器系统现有硬件条件或仅需在变流器直流母线处安装电流传感器来完成故障预诊断，简化了测试系统结构、节省了测试成本。

附图说明

图1为本实施例的带有变流器的系统结构示意图；

图2为本发明方法流程图；

图3为本实施例中地铁牵引变流器IGBT模块芯片丢失故障自检测试实验结果。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例

如图2所示，一种变流器IGBT模块现场故障预诊断方法，用于变流器IGBT模块的故障诊断，所述的变流器包括直流电容和多个IGBT，，该方法包括以下步骤：

S1，变流器所在的电气系统停机；

S2，利用输入电源给直流电容充电，直到电压稳定；

S3，断开输入电源与变流器之间的连接，令直流电容向负载回路放电，直到其电压下降为设定值；

S4，根据被测IGBT的具体位置，配置相应的门级触发脉冲构成直通短路电路实施测试，并记录被测IGBT的直通短路电流；

S5，将步骤S4得到的直通短路电流的峰值与被测IGBT健康状态时的直通短路电流峰值进行比较，判断被测IGBT是否故障，具体为：将与被测IGBT串联构成一个桥臂的IGBT设置为导通状态，其余IGBT设置为关断状态，对被测IGBT施加短脉冲，在变流器直流母线利用Cybertek CP9120高速电流探头(带宽1Hz～12MHz，最大测量电流1.2kA，使用时带宽为1MHz)测量被测IGBT的直通短路电流并利用数字示波器RIGOL DS1000Z(带宽100MHz，最大采样频率1GHz)记录实验数据，将该直通短路电流峰值与被测IGBT健康状态时的直通短路电流峰值进行比较，判断被测IGBT是否故障。当直通短路电流峰值小于健康状态时的直通短路电流峰值，二者差值超过健康状态时的直通短路电流峰值的3％时，判断被测IGBT故障。

S6，利用泄能电阻与直流电容形成回路，进行电容的放电，并令直流电容完全放电；

S7，返回步骤S2，进行下一个被测IGBT的故障测试，直到所有IGBT测试完毕。

地铁牵引变流器中采用的3.3kV/800A大功率IGBT功率模块FZ800R33KF2C由多个功率半导体芯片并联组成(16个IGBT与8个二极管芯片并联)。系统长期运行过程中，在大量温度循环和功率循环等热机应力的作用下可能发生键接线逐渐断裂并导致芯片丢失故障。尽管大功率IGBT模块在个别芯片丢失后仍能维持运行，但这会影响模块寿命并造成变流器系统安全隐患。利用本发明方法可有效诊断出IGBT模块芯片丢失故障。

将本发明应用在FZ800R33KF2C模块的16个并联IGBT芯片中人为断掉1个芯片以模拟芯片丢失故障。系统结构如图1所示，实验结果图3所示，通过对比故障前后直通短路电流峰值的变化可有效诊断出IGBT模块芯片丢失故障。

地铁牵引变流器现场测试具体过程如下：

(1)检查系统是否处于停机状态。

(2)闭合输入电源开关对直流电容进行充电。

(3)待直流电容充电完成后断开输入电源。

(4)等待直流母线电容放电至指定电压300V。

(5)如图1所示，控制IGBT门级触发脉冲对待测模块T₂进行测试。具体过程为：首先保持T₁管导通而其余IGBT管(T₃，T₄，T₅，T₆)处于关断状态，然后对T₂施加1μs短脉冲进行直通短路测试。

(6)监测直通短路电流波形，并与健康状态时的波形进行对比可评估IGBT(T₂)的健康状态和故障情况(实验结果如图3所示)。

(7)以此类推，通过配置IGBT门级脉冲可对变流器中其余的IGBT模块进行测试。

相类似地，利用本发明方法可对各种变流器系统(如电动汽车、地铁、高铁以及风电系统等)中的IGBT模块进行故障预诊断。