IGBT模块在线监测系统及在线监测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种IGBT模块在线监测系统及监测方法，属于电力电子器件的可靠性领域。该在线监测系统包括电源转换模块、继电器选择模块、监测电流注入模块、通信模块、电压采样模块等，上述模块均设计为单独的硬件电路板。该在线监测方法包括监测系统在监测电流注入期间采样多组电压参数，再根据电压参数值及离线拟合的曲线判断IGBT模块的健康状态。本发明专利技术提供的在线监测系统与待测系统协调配合能力强，且集成度高，使用、携带方便，易于推广到实际应用中。用中。用中。

【技术实现步骤摘要】
IGBT模块在线监测系统及在线监测方法


[0001]本专利技术涉及电力电子器件的可靠性领域，特别涉及一种IGBT模块在线监测系统及在线监测方法。

技术介绍

[0002]绝缘栅双极型晶体管(英文表达为Insulated Gate Bipolar Transistor，简称为IGBT)，是一种既综合功率场效应晶体管所具备的开关速度快、驱动功率小、驱动电路简单、输入阻抗高等等的优点，又综合双极型功率晶体管所具备的饱和压降低、承受电流大等等的优点的器件。IGBT在电力电子系统如可再生能源发电系统、电力输电系统、风力发电等各个场合都广泛实现与应用。随着其工作电压、电流、功率等级的升高，其应用的运行环境也会变得恶劣，相关调查表明，超过30％的电力电子系统故障都是由于IGBT模块故障所造成的，因此这对器件的可靠性也提出更加严格的需求。
[0003]据工程师的反馈，即使IGBT功率模块在生产后已经进行离线测试及模拟工况下的加速老化试验，这些都通过测试标准的模块在应用到现场后，也会发生未知原因的大批量损坏，已损坏的模块也无法确认故障产生的原因，这为系统运行的可靠性的提升带来新的挑战。在这种情况下，需要寻求一种能够实现IGBT的在线状态监测、故障诊断与评估的有效方法，提高功率变换器运行管理的自检水平，提高其可靠性。IGBT功率模块在现场环境下的在线监测，是其变换器健康管理与可靠性评估的重要环节。
[0004]题为“NPC型三电平逆变器可靠性在线监测系统及方法”的中国专利技术专利文献(CN105337523B)介绍了较为完整的3LNPC逆变器在线监测系统及方法，但是其在线监测系统包括体积笨重的电压采集卡、LABVIEW单元，且监测系统的供电单元由直流电源提供，大大增加了系统的体积，使得系统不易做到逆变器现场运行时的原位监测。且该方法只涉及每相内侧两个IGBT模块的监测，而对外侧两个IGBT的监测却没有涉及；
[0005]题为“一种IGBT在线检测装置”的中国专利技术专利文献(CN207832955U)提供了一种IGBT在线检测装置，结构简单，体积小，携带方便，但是没有具体说明实现在线监测的时候，与IGBT所在设备的协调配合。
[0006]综上，现有的IGBT模块在线监测系统具有以下问题：
[0007]1)没有考虑监测系统与待测系统之间的协调配合；
[0008]2)没有考虑在线监测系统的集成性，现有监测系统体积过大，不易携带；
[0009]3)只关注了三电平NPC逆变器各相桥臂内侧两个IGBT模块的监测，却没有涉及外侧两个IGBT模块的监测。

技术实现思路

[0010]本专利技术的目的是解决现有技术中存在的问题，提供一种集成的、在线的、可以进行内外侧IGBT模块监测的监测系统及监测方法。
[0011]为了实现上述目的，本专利技术提供了一种IGBT模块在线监测系统，涉及的待测IGBT
模块位于三电平NPC逆变器中，所述三电平NPC逆变器包括一个直流侧电源E、两个相同的直流侧电容、三相逆变主电路、一个三相负载电阻和一个三相负载电感；所述直流侧电源E处的电压记为直流侧电压U
dc
，两个直流侧电容分别记为直流侧电容C
H
和直流侧电容CL，所述直流侧电容C
H
和直流侧电容C
L
串联后并联在直流侧电源E的直流正母线P和直流负母线Q之间，直流侧电容C
H
和直流侧电容C
L
的连接点记为中性点O；
[0012]所述三相逆变主电路分为三相桥臂，三相桥臂均与直流侧电源E并联，且三相桥臂拓扑完全相同，将三相桥臂分别记为k相桥臂，k表示相序，k＝A，B，C；在三相桥臂中，每相桥臂包括4个IGBT模块，将4个IGBT模块记为开关器件S
ki
，i表示开关器件的序号，i＝1，2，3，4；在三相桥臂中，每相桥臂包括2个钳位二极管，将2个钳位二极管记为钳位二极管D
kj
，j表示钳位二极管的序号，j＝1，2；
[0013]所述开关器件S
k1
、开关器件S
k2
、开关器件S
k3
、开关器件S
k4
依次串联，钳位二极管D
k1
的阳极连接中性点O、阴极连接开关器件S
k2
的集电极，钳位二极管D
k2
的阳极连接开关器件S
k3
的发射极、阴极连接中性点O；k相桥臂与直流正母线P的连接点记为连接点δ
k1
，开关器件S
k1
与开关器件S
k2
的连接点记为连接点δ
k2
，开关器件S
k2
与开关器件S
k3
的连接点记为连接点δ
k3
，开关器件S
k3
与开关器件S
k4
的连接点记为连接点δ
k4
，k相桥臂与直流负母线Q的连接点记为连接点δ
k5
，k表示相序，k＝A，B，C；
[0014]所述三相负载电阻记为电阻R
k
、三相负载电感记为电感L
k
，电阻R
k
的一端与连接点δ
k3
相连，另一端和电感L
k
相连，电感L
k
的另一端接地；三电平NPC逆变器由控制器DSP I控制；
[0015]所述IGBT模块在线监测系统包括控制器DSP I、控制器DSP II、电源转换模块、继电器选择模块、监测电流注入模块、通信模块、电压采样模块、上位机，整个监测系统由控制器DSP II统一协调控制；
[0016]所述监测系统控制器DSP I包括通用输出口T
o4
和通用输入口T
r2
；
[0017]所述监测系统控制器DSP II包括外设功能引脚SCIRXDA、外设功能引脚SCITXDA、通用输出口T
ok1
、通用输出口T
ok2
、通用输出口T
ok3
、通用输出口T
o1
、通用输出口T
o2
、通用输出口T
o3
、通用输入口T
r1
、采样输入口T
ck1
、采样输入口T
ck2
、采样输入口T
ck3
、采样输入口T
ck4
，k表示相序，k＝A，B，C；
[0018]所述电源转换模块包括两个直流电压转换电路，记为第一直流电压转换电路和第二直流电压转换电路，两个直流电压转换电路的输入端均与三电平NPC逆变器直流侧电源E两端电压U
dc
相接；
[0019]所述继电器选择模块包括A相继电器选择子模块、B相继电器选择子模块、C相继电器选择子模块，每相继电器选择子模块的结构相同；设三相继电器选择子模块中的任意一相本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种IGBT模块在线监测系统，涉及的待测IGBT模块位于三电平NPC逆变器中，所述三电平NPC逆变器包括一个直流侧电源E、两个相同的直流侧电容、三相逆变主电路、一个三相负载电阻和一个三相负载电感；所述直流侧电源E处的电压记为直流侧电压U
dc
，两个直流侧电容分别记为直流侧电容C
H
和直流侧电容C
L
，所述直流侧电容C
H
和直流侧电容C
L
串联后并联在直流侧电源E的直流正母线P和直流负母线Q之间，直流侧电容C
H
和直流侧电容C
L
的连接点记为中性点O；所述三相逆变主电路分为三相桥臂，三相桥臂均与直流侧电源E并联，且三相桥臂拓扑完全相同，将三相桥臂分别记为k相桥臂，k表示相序，k＝A，B，C；在三相桥臂中，每相桥臂包括4个IGBT模块，将4个IGBT模块记为开关器件S
ki
，i表示开关器件的序号，i＝1，2，3，4；在三相桥臂中，每相桥臂包括2个钳位二极管，将2个钳位二极管记为钳位二极管D
kj
，j表示钳位二极管的序号，j＝1，2；所述开关器件S
k1
、开关器件S
k2
、开关器件S
k3
、开关器件S
k4
依次串联，钳位二极管D
k1
的阳极连接中性点O、阴极连接开关器件S
k2
的集电极，钳位二极管D
k2
的阳极连接开关器件S
k3
的发射极、阴极连接中性点O；k相桥臂与直流正母线P的连接点记为连接点δ
k1
，开关器件S
k1
与开关器件S
k2
的连接点记为连接点δ
k2
，开关器件S
k2
与开关器件S
k3
的连接点记为连接点δ
k3
，开关器件S
k3
与开关器件S
k4
的连接点记为连接点δ
k4
，k相桥臂与直流负母线Q的连接点记为连接点δ
k5
，k表示相序，k＝A，B，C；所述三相负载电阻记为电阻R
k
、三相负载电感记为电感L
k
，电阻R
k
的一端与连接点δ
k3
相连，另一端和电感L
k
相连，电感L
k
的另一端接地；三电平NPC逆变器由控制器DSP I(10)控制；其特征在于，所述的IGBT模块在线监测系统包括控制器DSP I(10)、控制器DSP II(20)、电源转换模块(30)、继电器选择模块(40)、监测电流注入模块(50)、通信模块(60)、电压采样模块(70)、上位机(80)，整个监测系统由控制器DSP II(20)统一协调控制；所述监测系统控制器DSP I(10)包括通用输出口T
o4
和通用输入口T
r2
；所述监测系统控制器DSP II(20)包括外设功能引脚SCIRXDA、外设功能引脚SCITXDA、通用输出口T
ok1
、通用输出口T
ok2
、通用输出口T
ok3
、通用输出口T
o1
、通用输出口T
o2
、通用输出口T
o3
、通用输入口T
r1
、采样输入口T
ck1
、采样输入口T
ck2
、采样输入口T
ck3
、采样输入口T
ck4
，k表示相序，k＝A，B，C；所述电源转换模块(30)包括两个直流电压转换电路，记为第一直流电压转换电路(31)和第二直流电压转换电路(32)，两个直流电压转换电路的输入端均与三电平NPC逆变器直流侧电源E两端电压U
dc
相接；所述继电器选择模块(40)包括A相继电器选择子模块、B相继电器选择子模块、C相继电器选择子模块，每相继电器选择子模块的结构相同；设三相继电器选择子模块中的任意一相为k相继电器选择子模块，在k相继电器选择子模块中有四组继电器，包括4个双触点继电器和4个单触点继电器，4个双触点继电器分别记为双触点继电器SPDT1
k
、双触点继电器SPDT2
k
、双触点继电器SPDT3
k
、双触点继电器SPDT4
k
，4个单触点继电器分别记为单触点继电器SPST1
k
、单触点继电器SPST2
k
、单触点继电器SPST3
k
、单触点继电器SPST4
k
，k表示相序，k＝A，B，C；所述监测电流注入模块(50)包括大电流支路(51)、小电流支路(52)和大电流接口(53)，所述大电流支路(51)由大电压供电接口U
H
、监测电感L
m
、开关器件S1、二极管D1依次串
联组成，续流二极管D
m
并联在监测电感L
m
两端；所述小电流支路(52)由100mA小电流源I
L
、开关器件S2、二极管D2依次串联组成，其中100mA小电流源I
L
由线性稳压芯片LT3080产生；将大电流支路(51)与小电流支路(52)并联，并将并联后的电路称为干路，并联后右端的干路连接大电流接口(53)的负极GND，左端的干路上先串联一个电流传感器N，电流传感器N的另一端连接大电流接口(53)的正极I；将大电流接口(53)的负极GND记为负极GND、大电流接口(53)的正极I记为正极I；所述通信模块(60)包括SCI通信电路(61)、第一串口通信电路(62)、第二串口通信电路(63)；所述电压采样模块(70)包括A相电压采样子模块、B相电压采样子模块、C相电压采样子模块，每相子模块由相同的四路差分采样电路构成，分别记为差分采样电路1、差分采样电路2、差分采样电路3、差分采样电路4；所述控制器DSP II(20)、继电器选择模块(40)、监测电流注入模块(50)、通信模块(60)、电压采样模块(70)上均设有一个小电压供电接口U
L
；所述第一直流电压转换电路(31)的输出端接监测电流注入模块(50)的大电压供电接口U
H
；所述第二直流电压转换电路(32)输出端分别与控制器DSP2(20)、继电器选择模块(40)、监测电流注入模块(50)、通信模块(60)、电压采样模块(70)中的小电压供电接口U
L
相接；所述k相继电器选择子模块中，双触点继电器SPDT1
k
左端的两个触点分别接连接点δ
k1
和连接点δ
k2
、右端接单触点继电器SPST1
k
的左端，单触点继电器SPST1
k
的右端接正极I；双触点继电器SPDT2
k
左端的两个触点分别接连接点δ
k2
和连接点δ
k3
、右端接单触点继电器SPST2
k
的左端，单触点继电器SPST2
k
的右端接负极GND；双触点继电器SPDT3
k
左端的两个触点分别接连接点δ
k3
和连接点δ
k4
、右端接单触点继电器SPST3
k
的左端，单触点继电器SPST3
k
的右端接正极I；双触点继电器SPDT4
k
左端的两个触点分别接连接点δ
k4
和连接点δ
k5
、右端接单触点继电器SPST4
k
的左端，单触点继电器SPST4
k
的右端接负极GND；所述k相电压采样子模块中，差分采样电路1的正输入端接连接点δ
k1
，负输入端接连接点δ
k2
，输出端接控制器DSP II(20)的采样输入口T
ck1
；差分采样电路2的正输入端接连接点δ
k2
，负输入端接连接点δ
k3
，输出端接控制器DSP II(20)的采样输入口T
ck2
；差分采样电路3的正输入端接在连接点δ
k3
，负输入端接连接点δ
k4
，输出端接控制器DSP II(20)的采样输入口T
ck3
；差分采样电路4的正输入端接在连接点δ
k4
，负输入端接连接点δ
k5
，输出端接控制器DSP II(20)的采样输入口T
ck4
。2.根据权利要求1所述的一种IGBT模块在线监测系统，其特征在于，所述双触点继电器SPDT1
k
、双触点继电器SPDT2
k
、双触点继电器SPDT3
k
、双触点继电器SPDT4
k
由控制器DSP II(20)的通用输出口T
ok1
控制，所述单触点继电器SPST1
k
，、单触点继电器SPST2
k
由控制器DSP II(20)的通用输出口T
ok2
控制，单触点继电器SPST3
k
、单触点继电器SPST4
k
由控制器DSP II(20)的通用输出口T
ok3
控制。3.根据权利要求1所述的一种IGBT模块在线监测系统，其特征在于，所述开关器件S1由控制器DSP II(20)的通用输出口T
o1
控制，开关器件S2由控制器DSP II(20)的通用输出口T
o2
控制。4.根据权利要求1所述的一种IGBT模块在线监测系统，其特征在于，所述SCI通信电路
(61)的一端连接上位机(80)的USB口，另一端分别接控制器DSP II(20)的外设功能引脚SCIRXDA和外设功能引脚SCITXDA；第一串口通信电路(6...

【专利技术属性】
技术研发人员：马铭遥，孟娜，陈兆祥，王涵宇，蒋庭植，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：