本发明涉及器件检测领域，具体而言，涉及一种器件故障率计算方法及装置。
背景技术：
随着现代电力系统对柔性高压直流输电技术和高压直流开关技术的需求不断增加，器件的串联技术受到关注。然而，在器件串联的组件中，每个器件自身参数的分散性和驱动信号的不一致性，往往导致器件在开关过程中出现静态和动态电压分配不均的现象，造成器件的损坏，甚至是高压设备的损坏，降低组件的可靠性。
现有针对电力电子设备可靠性的研究中，串联组件的可靠性评估结果过于理想。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种器件故障率计算方法及装置。
本发明实施例提供的一种器件故障率计算方法，用于检测目标器件组件的故障率，所述目标器件组件包括多个连接的器件，每个器件中包括多个元件；所述方法包括：
获取静态电压不均时各个器件的导通电压，根据所述导通电压计算得到每个器件中各元件的导通损耗；
获取动态电压不均时各个器件开关过程的电压，根据所述开关过程的电压计算得到每个器件中各元件的开关损耗；
根据所述开关损耗及所述导通损耗计算分别计算每个器件中各元件的功率损耗；
根据每个器件中的各个元件的器件属性计算得到算每个器件中各元件的结温；
根据所述功率损耗和结温计算每个器件中的各元件的故障率；以及
根据所述目标器件组件中的各个器件中的各元件的故障率计算得到所述目标器件组件的故障率。
本发明实施例还提供一种器件故障率计算装置，所述装置包括：
导通损耗计算模块，用于获取静态电压不均时各个器件的导通电压，根据所述导通电压计算得到每个器件中各元件的导通损耗；
开关损耗计算模块，用于获取动态电压不均时各个器件开关过程的电压，根据所述开关过程的电压计算得到每个器件中各元件的开关损耗；
元件损耗模块，用于根据所述开关损耗及所述导通损耗计算分别计算每个器件中各元件的功率损耗；
结温计算模块，用于根据每个器件中的各个元件的器件属性计算得到算每个器件中各元件的结温；
元件故障率计算模块，用于根据所述功率损耗和结温计算每个器件中的各元件的故障率；以及
组件故障率计算模块，用于根据所述目标器件组件中的各个器件中的各元件的故障率计算得到所述目标器件组件的故障率。
与现有技术相比，本发明实施例的器件故障率计算方法及装置，通过计算所述目标器件组件中各个器件中各元件的各项损耗参数，再根据各项损耗参数计算各元件的故障率，再根据各元件的故障率计算得到整个所述目标器件组件的故障率，可以提高故障率计算的准确率。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的器件故障率计算方法的流程图。
图2为一实施方式中的目标器件组件的示意图。
图3为本发明实施例提供的器件故障率计算方法的步骤s101的详细流程图。
图4为本发明实施例提供的器件故障率计算方法的步骤s102的详细流程图。
图5为本发明实施例提供的器件故障率计算装置的功能模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本申请的实施例中的一个使用领域可以是对igbt(insulatedgatebipolartransistor，称为：绝缘栅双极型晶体管)器件的故障率的计算。
随着现代电力系统对柔性高压直流输电技术和高压直流开关技术的需求不断增加，igbt器件的串联技术受到关注。然而，在igbt器件串联的组件中，每个器件自身参数的分散性和驱动信号的不一致性，往往导致器件在开关过程中出现静态和动态电压分配不均的现象，造成igbt器件的损坏，甚至是高压设备的损坏，降低组件的可靠性。虽然从参数一致性或驱动角度增加了动态均压的方法，但是igbt器件串联不均压总是难以避免的。因此，计及igbt器件串联静态和动态电压分配不均的情况，研究igbt串联组件的可靠性计算方法，对高压直流设备的设计和运维，提高整个直流输电系统的可靠性都具有重要现实意义。
现有针对电力电子设备可靠性的研究大多侧重于单个igbt器件的寿命和整个换流器的可靠性，针对igbt串联组件的可靠性研究往往看成串联的每个器件都是相同的情况，即忽略了器件串联电压不均的情况，从而导致串联组件的可靠性评估结果过于理想。本申请基于前述的背景下，针对igbt器件串联的组件可靠性评估方法过于理想的问题，通过以下几个实施例可以有效地解决上述问题。
请参阅图1，是本发明实施例提供的器件故障率计算方法方法的流程图。下面将对图1所示的具体流程进行详细阐述。
步骤s101，获取静态电压不均时各个器件的导通电压，根据所述导通电压计算得到每个器件中各元件的导通损耗。
本实施例中的方法可用于检测目标器件组件的故障率，所述目标器件组件包括多个连接的器件，每个器件中包括多个元件。
如图2所示，图2为一实施方式中的目标器件组件的示意图。所述目标器件组件由多个器件串联而成。其中，每个器件可以包括一个igbt和一个二极管，也就形成一个igbt器件。图中，d表示二极管，t表示igbt，n为所述目标器件组件中串联的器件个数。
本实施例中，可以先获取目标器件组件的均压系数、器件个数、端部电压和电流。
步骤s102，获取动态电压不均时各个器件开关过程的电压，根据所述开关过程的电压计算得到每个器件中各元件的开关损耗。
步骤s103，根据所述开关损耗及所述导通损耗计算分别计算每个器件中各元件的功率损耗。
步骤s104，根据每个器件中的各个元件的器件属性计算得到算每个器件中各元件的结温。
本实施例中，每个器件包括：igbt和二极管；所述根据每个器件中的各个元件的器件属性计算得到算每个器件中各元件的结温的步骤可通过以下公式计算得到：
其中，t表示igbt；d表示二极管；tj为结温；p为功率损耗；rthjc和rthch分别为内部热阻和外部热阻，th为散热器的温度。
步骤s105，根据所述功率损耗和结温计算每个器件中的各元件的故障率。
步骤s106，根据所述目标器件组件中的各个器件中的各元件的故障率计算得到所述目标器件组件的故障率。
在一种实施方式中，每个器件包括：igbt(insulatedgatebipolartransistor，称为：绝缘栅双极型晶体管)和二极管。进一步地，所述器件也可以由igbt和二极管组成。
如图3所示，所述步骤s101包括：步骤s1011至步骤s1013。
步骤s1011，获取静态均压下器件在正向导通或反向阻断阶段的电压，得到在器件导通过程中串联器件中最大电压值。
其中，所述器件导通过程中串联器件中最大电压值表示为：
其中，utotal为串联器件导通后组件两端的电压；n为所述目标器件组件中串联的器件个数；ks为串联组件电路的静态不均压系数。
步骤s1012，获得所述目标器件组件中每个器件的导通电压。
串联组件静态电压分配不均往往使其中一个器件电压过大，最先损坏，而其余器件正常工作，电压基本均匀分配。
所述导通电压表示为：
其中，n为所述目标器件组件中串联的器件个数；下标i表示器件的编号，当i＝1时，器件导通电压最大，造成串联组件静态电压分配不均；当i＝2，3，…，n时，器件之间静态电压均匀分配，且串联的器件参数相同，导通电压值相等。
步骤s1013，根据每个器件的导通电压计算得到每个器件中的各元件的导通损耗。
本实施例中，所述导通损耗表示为：
其中，下标i表示器件的编号；t表示元件igbt，d表示元件二极管；pcon为导通损耗；pcon.t.i为第i个器件的igbt的导通损耗；pcon.d.i为第i个器件的二极管的导通损耗；t0为工频周期；ui为器件的导通电压。
本实施例中，如图4所示，所述步骤s102的步骤包括：步骤s1021至步骤s1023。
步骤s1021，获取动态不均压主要研究器件在开通阶段与反向恢复阶段的电压，得到在器件开关过程中串联器件中最大电压值。
所述在器件开关过程中串联器件中最大电压值表示为：
其中，u′total为串联组件两端的直流电压，n为所述目标器件组件中串联的器件个数，kd为串联组件电路的动态不均压系数。
步骤s1022，获得所述目标器件组件中每个器件的在开关过程中的电压。
串联组件动态电压分配不均会使其中一个器件电压过大，最先损坏，而其余器件正常工作，电压基本均匀分配。
所述器件的在开关过程中的电压表示为：
其中，n为所述目标器件组件中串联的器件个数；下标i表示器件的编号，当i＝1时，器件两端电压最大，造成串联组件动态电压分配不均；当i＝2，3，…，n时，器件之间动态电压均匀分配，且串联的igbt器件参数相同，开关过程中的电压值相等。
步骤s1023，根据所述目标器件组件中每个器件的在开关过程中的电压，及所述目标器件组件在开关过程中的开断损耗计算得到所述开关损耗。
本实施例中，所述开关损耗表示为：
其中，其中，下标i表示器件的编号；t表示元件igbt，d表示元件二极管；psw为开关损耗；psw.t.i为第i个器件的igbt的开关损耗；psw.d.i为第i个器件的二极管的开关损耗；fp为开关频率，eon和eoff分别为元件igbt在某一直流电压下的开通损耗和关断损耗；erec为二极管在某一直流电压下的反向恢复损耗；uc.i为器件在开关过程中的电压，iavg表示电流平均值；uref和iref分别为器件在测量开通损耗、关断损耗或恢复损耗时的参考电压和电流。
本实施例中，每个器件包括：igbt和二极管；所述根据所述功率损耗和结温计算每个器件中的各元件的故障率通过以下公式实现：
其中，下标i表示器件的编号；t表示igbt；d表示二极管；λ0th和λ0tc分别表示热应力因子和温度循环因子对应的元件基本故障率；λ0th.t和λ0tc.t分别表示igbt的热应力因子和温度循环因子对应的元件基本故障率；λ0th.d和λ0tc.d分别表示二极管的热应力因子和温度循环因子对应的元件基本故障率；πth和πtc分别表示热应力因子和温度循环因子；πth.t.i和πtc.t.i分别表示第i个器件的igbt的热应力因子和温度循环因子；πth.d.i和πtc.d.i分别表示第i个器件的二极管的热应力因子和温度循环因子；πin表示元件的过应力贡献因子；πpm表示元件的制造质量的影响；πpr表示元件寿命周期中的可靠性质量管理及控制水平的影响。在一个实例中，所述igbt和二极管的λ0th可以分别取0.3021、0.1574，λ0tc可以分别取0.03333、0.03333；元件的πin可以取3.3837，πpm可以取0.71，πpr可以取4。
其中，所述热应力因子可以表示为：
其中，α、β均为常数。在一实施方式中，不同元件对应的α、β数值可以不同。在一个实例中，igbt和二极管的α取1，β取8122.8；tj为igbt和二极管的结温。
所述温度循环因子可以表示为：
其中，t表示元件的累计运行时间；ncy为元件的结温循环波动次数；n0表示参考循环波动次数；θcy表示元件的结温波动循环时间；θ0表示参考循环时间；δtcy为元件的结温波动幅值；tmax_cy为元件结温波动最大值；γ、p、m为不同元件的调整系数。其中igbt和二极管的γ取1，p取1/3，m取1.9。
本实施例中，所述单个器件的故障率模型为：
λi＝λt.i+λd.i
其中，下标i表示器件的编号；t表示元件igbt，d表示元件二极管；λi表示第i个器件的故障率；λt.i表示第i个器件的igbt的故障率；λd.i表示第i个器件的二极管的故障率。
分析器件故障对串联组件可靠性的影响：
在使用焊接式igbt器件时：因为焊接式igbt器件失效时为开路模式，任意一个器件失效，整个串联组件就无法正常工作，从可靠性角度，该组件系统等效于串联系统。
在使用压接式igbt器件时：因为压接式igbt器件失效时为短路模式，只有所有当压接式igbt器件失效后，串联组件才无法工作，只要有一个器件正常，串联组件就可以正常工作。从可靠性角度，该组件系统等效于并联系统。
在一种实施方式中，所述目标器件组件为焊接式器件，所述步骤s106的步骤包括：计算所述目标器件组件中的各个器件中的各元件的故障率的总和，所述总和作为所述目标器件组件的故障率。
所述目标器件组件的故障率表示为：
其中，λ表示所述目标器件组件的故障率；n为所述目标器件组件中串联的器件个数；λi表示第i个器件的故障率。
在另一种实施方式中，所述目标器件组件为压接式器件，所述方法还包括：
计算所述目标器件组件的可靠度，所述可靠度通过以下公式计算得到：
其中，下标i表示器件的编号；n为所述目标器件组件中串联的器件个数；λi表示第i个器件的故障率，r(t)表示目标器件组件的可靠度。
本实施方式中，所述方法还包括：计算所述目标器件组件的预期寿命。
所述预期寿命通过以下公式计算得到：
其中，下标i表示器件的编号；n为所述目标器件组件中串联的器件个数，λi、λj表示分别表示第i个、第j个器件的故障率，ts表示串联组件的预期寿命。
本实施方式中，所述根据所述目标器件组件中的各个器件中的各元件的故障率计算得到所述目标器件组件的故障率的步骤通过以下公式计算得到：
λ＝1/ts；
其中，λ表示所述目标器件组件的故障率；ts表示串联组件的预期寿命。
上述的故障率计算方法通过充分考虑igbt器件串联电压不均衡对器件功率损耗和结温的影响，大大提高了igbt串联组件可靠性评估的准确性；通过建立单个器件的故障率模型，有利于进一步研究igbt串联组件的可靠性；通过分别考虑焊接式igbt器件的开路失效模式和压接式igbt器件的短路失效模式对串联组件可靠性的影响，得到串联组件的故障率，形成考虑不同均压的igbt器件串联组件故障率计算方法，可广泛用于igbt器件串联组件的可靠性评估。
请参阅图5，是本发明实施例提供的器件故障率计算装置200的功能模块示意图。本实施例中的器件故障率计算装置200中的各个模块用于执行上述方法实施例中的各个步骤。所述器件故障率计算装置200包括：导通损耗计算模块210、开关损耗计算模块220、元件损耗模块230、结温计算模块240、元件故障率计算模块250以及组件故障率计算模块260。
所述导通损耗计算模210，用于获取静态电压不均时各个器件的导通电压，根据所述导通电压计算得到每个器件中各元件的导通损耗。
所述开关损耗计算模块220，用于获取动态电压不均时各个器件开关过程的电压，根据所述开关过程的电压计算得到每个器件中各元件的开关损耗。
所述元件损耗模块230，用于根据所述开关损耗及所述导通损耗计算分别计算每个器件中各元件的功率损耗。
所述结温计算模块240，用于根据每个器件中的各个元件的器件属性计算得到算每个器件中各元件的结温。
所述元件故障率计算模块250，用于根据所述功率损耗和结温计算每个器件中的各元件的故障率。
所述组件故障率计算模块260，用于根据所述目标器件组件中的各个器件中的各元件的故障率计算得到所述目标器件组件的故障率。
关于本实施例中的其它细节，可以进一步地参考上述方法实施例中的描述，在此不再赘述。
本发明实施例的器件故障率计算装置，通过计算所述目标器件组件中各个器件中各元件的各项损耗参数，再根据各项损耗参数计算各元件的故障率，再根据各元件的故障率计算得到整个所述目标器件组件的故障率，可以提高故障率计算的准确率。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。