一种功率器件的状态监测方法及装置

本发明实施例涉及电力电子，尤其涉及一种功率器件的状态监测方法及装置。

背景技术：

1、电力电子变换器在包括新能源汽车电驱动、新能源发电等工业应用中应用广泛。电力电子功率器件是变换器中最关键的部件之一，也是最易发生失效的器件。绝缘栅双极型晶体管(以下简称“igbt”)是应用最广泛的功率器件。igbt的状态直接影响到整个系统的可靠性。其中引起igbt功率器件老化的主要原因是热应力，包括平均温度和温度波动，而且igbt功率器件的温度还直接影响器件的工作安全域。平均工作温度每升高10℃，igbt模块的失效概率将增加一倍。因此，对igbt模块进行对igbt可靠性评估和健康管理具有重要意义。

2、另外，在频繁的应力冲击使得igbt发生键合线失效成为最主要的失效模式。igbt的键合线往往是逐一脱落或者断裂的。对igbt的键合线老化状态进行及时准确的监测可以有效避免灾难性故障的发生，通过早期的失效预警可以提升igbt以及变换器的可靠性。

3、现有技术中，igbt状态监测方法主要存在测量响应慢、对电路有侵入以及测量误差大等问题，并且容易受到igbt器件集射极电压以及负载电流的影响。

技术实现思路

1、基于现有技术的上述情况，本发明实施例的目的在于提供一种功率器件的状态监测方法及装置，该监测方法基于栅极电压参数，而无需监测工作母线电压以及负载电流，可以高效并且准确地实现功率器件的状态监测。

2、为达到上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种功率器件的状态监测方法，所述方法包括：

3、采集功率器件在预设条件下的状态参数；

4、利用所述状态参数训练状态监测网络，得到训练好的状态监测网络；

5、采集待测功率器件的在线栅极电压信号，并根据所述在线栅极电压信号提取状态输入参数；

6、采用所述状态输入参数和训练好的状态监测网络监测待测功率器件的状态输出参数，所述状态输出参数至少包括功率器件的结温和键合线失效状态。

7、进一步的，所述预设条件下的状态参数包括在预设母线电压、预设负载电流、预设温度和预设多种键合线失效情况下，功率器件的栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压。

8、进一步的，所述状态监测网络至少包括输入层、隐含层和输出层；

9、所述输入层的输入变量包括栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压；

10、所述输出层的输出变量包括功率器件的结温和键合线失效状态。

11、进一步的，所述状态输入参数包括待预测功率器件的栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压。

12、进一步的，所述方法还包括：

13、根据所监测的功率器件的结温对功率器件进行热管理和过温保护，根据所监测的键合线失效状态进行老化状态预警和降额控制。

14、进一步的，所述功率器件为igbt。

15、根据本发明的另一个方面，提供了一种功率器件的状态监测装置，所述装置包括：

16、参数采集模块，用于采集功率器件在预设条件下的状态参数；

17、网络训练模块，用于利用所述状态参数训练状态监测网络，得到训练好的状态监测网络；

18、状态监测模块，用于采集待测功率器件的在线栅极电压信号，并根据所述在线栅极电压信号提取状态输入参数；

19、监测结果获取模块，用于采用所述状态输入参数和训练好的状态监测网络监测待测功率器件的状态输出参数，所述状态输出参数至少包括功率器件的结温和键合线失效状态。

20、进一步的，所述预设条件下的状态参数包括在预设母线电压、预设负载电流、预设温度和预设多种键合线失效情况下，功率器件的栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压。

21、进一步的，所述状态监测网络至少包括输入层、隐含层和输出层；

22、所述输入层的输入变量包括栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压；

23、所述输出层的输出变量包括功率器件的结温和键合线失效状态。

24、进一步的，所述状态输入参数包括待预测功率器件的栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压。

25、综上所述，本发明实施例提供了一种功率器件的状态监测方法及装置，所述方法包括：采集功率器件在预设条件下的状态参数；利用所述状态参数训练状态监测网络，得到训练好的状态监测网络；采集待测功率器件的在线栅极电压信号，并根据所述在线栅极电压信号提取状态输入参数；采用所述状态输入参数和训练好的状态监测网络监测待测功率器件的状态输出参数，所述状态输出参数至少包括功率器件的结温和键合线失效状态。本发明实施例提供的技术方案，通过功率器件在预设条件下的状态参数搭建状态监测网络，基于栅极电压参数通过状态监测网络对功率器件的状态进行监测，而无需监测工作母线电压以及负载电流，省去了母线电压传感器和电流传感器的设置，且无需考虑功率器件老化和温度对电气参数的共同影响问题，解决了现有功率器件状态监测方法中存在的需要传感器多、电路复杂、难以在线应用、有侵入以及分辨率低、误差大等问题，提高了功率器件的状态监测的效率和准确性。

技术特征：

1.一种功率器件的状态监测方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设条件下的状态参数包括在预设母线电压、预设负载电流、预设温度和预设多种键合线失效情况下，功率器件的栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述状态监测网络至少包括输入层、隐含层和输出层；

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述状态输入参数包括待预测功率器件的栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述功率器件为igbt。

7.一种功率器件的状态监测装置，其特征在于，所述装置包括：

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述预设条件下的状态参数包括在预设母线电压、预设负载电流、预设温度和预设多种键合线失效情况下，功率器件的栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述状态监测网络至少包括输入层、隐含层和输出层；

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述状态输入参数包括待预测功率器件的栅极平带电压、栅极阈值电压、米勒平台前过冲电压和米勒平台电压。

技术总结
本发明实施例涉及一种功率器件的状态监测方法及装置，所述方法包括：采集功率器件在预设条件下的状态参数；利用所述状态参数训练状态监测网络，得到训练好的状态监测网络；采集待测功率器件的在线栅极电压信号，并根据所述在线栅极电压信号提取状态输入参数；采用所述状态输入参数和训练好的状态监测网络监测待测功率器件的状态输出参数。本发明实施例提供的技术方案，通过功率器件在预设条件下的状态参数搭建状态监测网络，基于栅极电压参数通过状态监测网络对功率器件的状态进行监测，而无需监测工作母线电压以及负载电流，省去了母线电压传感器和电流传感器的设置，且无需考虑功率器件老化和温度对电气参数的共同影响问题。

技术研发人员：杨雁勇,张品佳,丁晓峰
受保护的技术使用者：北京航空航天大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16