一种基于开关特性的变流器IGBT模块故障预诊断方法技术

本发明专利技术涉及一种基于开关特性的变流器IGBT模块故障预诊断方法，该方法包括如下步骤：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；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；将待故障预诊断的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。与现有技术相比，本发明专利技术方法简便、诊断准确性高、适用性强。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种变流器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。
技术介绍
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：Explorationofpowerdevicereliabilityusingcompactdevicemodelsandfastelectro-thermalsimulation以及文献：Real-timelifeconsumptionpowermodulesprognosisusingon-linerainflowalgorithminmetroapplications，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：InSituDiagnosticsandPrognosticsofWireBondingFaultsinIGBTModulesforElectricVehicleDrives通过测量IGBT导通压降VCE(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：AgeingdefectdetectiononIGBTpowermodulesbyartificialtrainingmethodsbasedonpatternrecognition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：Effectsofwire-bondlift-offongatecircuitofIGBTpowermodules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VCE、集电极电流IC，门级电压VGE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：OnlineringingcharacterizationasadiagnostictechniqueforIGBTsinpowerdrives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：ConditionMonitoringPowerModuleSolderFatigueUsingInverterHarmonicIdentification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。
技术实现思路
本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种基于开关特性的变流器IGBT模块故障预诊断方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种基于开关特性的变流器IGBT模块故障预诊断方法，其特征在于，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：向大为，张忻庾，赵统，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海;31