基于状态监测的逆变器IGBT模块故障判定方法及系统与流程

基于状态监测的逆变器igbt模块故障判定方法及系统
技术领域
1.本发明属于电力电子设备核心器件可靠性技术领域，更具体地，涉及一种基于状态监测的逆变器igbt模块故障原因精确判定方法及系统。


背景技术：

2.近年来，逆变器的应用领域在不断拓展，如太阳能发电、电动汽车、以及航空航天动力系统等领域。其中，由于igbt功率模块与其他电力电子器件相比具有输入阻抗大，驱动功率小，控制电路简单，开关损耗小，工作频率高等优点，在逆变器中得到了大量应用。这类应用领域工况严酷且对igbt的可靠性有严格的要求。
3.逆变器igbt模块通常工作在复杂、恶劣的环境中，容易发生故障。造成igbt故障的原因主要分为两类：一是由igbt内部造成的，即igbt自身老化失效，如由于热应力冲击导致的键合线断裂、焊料层脱落；二是由igbt外部造成的，即igbt未老化，实际故障部位在于其他外部电路，如驱动电路损坏、驱动信号丢失、pcb板故障等。igbt外部故障属于难以预见的突发性失效，表现为立即发生故障。igbt老化失效是一个长期老化失效的过程，因此该过程较为缓慢，具有预见性和必然性。但如果不加以干预，最终也会导致igbt的故障。igbt功率模块如果出现上述故障，必然会使逆变器正常运行受到严重影响甚至损毁，甚至会造成停电、作业终止、交通瘫痪等事故，从而带来巨大的经济损失。
4.现有的故障诊断方法仅仅只可以判定igbt发生了故障，但无法辨析故障究竟是由igbt内部老化还是外部电路造成的，这给逆变器igbt模块的检修、运维造成了很大困扰。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种基于状态监测的逆变器igbt模块故障精确判定方法及系统，能够精确判定igbt故障原因。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于状态监测的逆变器igbt模块故障判定方法，包括：
7.测量逆变器igbt输出特性曲线，确定交点电流值；
8.在igbt空闲时刻，实施igbt老化监测；在igbt工作时刻，实施igbt故障监测；
9.在实施igbt老化监测时，向逆变器igbt内注入与交点电流值相等的测试电流，测定其对应的导通压降，以导通压降作为igbt的老化监测参数，将导通压降与老化阈值进行对比给出相应的igbt老化指标；
10.在实施igbt故障监测时，检测逆变器igbt的电流过零点时间，以电流过零点时间作为igbt的故障监测参数，将电流过零点时间与故障阈值进行对比给出相应的igbt故障指标；
11.综合考虑igbt老化指标与igbt故障指标，精确判定igbt故障原因。
12.在一些可选的实施方案中，所述在igbt空闲时刻，实施igbt老化监测；在igbt工作时刻，实施igbt故障监测，包括：
13.当igbt的驱动信号为低电平或无信号时，认定为igbt的空闲时刻；在igbt空闲时刻，实施igbt老化监测；
14.当igbt的驱动信号为高电平时，认定为igbt的工作时刻；在igbt工作时刻，实施igbt故障监测。
15.在一些可选的实施方案中，所述将导通压降与老化阈值进行对比给出相应的igbt老化指标，包括：
16.在igbt老化监测的过程中，导通压降超过老化阈值，将igbt老化指标an置m，否则an置n，其中，老化阈值通过对同型号igbt模块注入同等大小的电流后进行老化测试得到。
17.在一些可选的实施方案中，所述将电流过零点时间与故障阈值进行对比给出相应的igbt故障指标，包括：
18.在igbt故障监测的过程中，电流过零点时间超过故障阈值，将igbt故障指标fn置p，否则fn置q，其中，故障阈值通过对同型号逆变器在同等工况下测试得出。
19.在一些可选的实施方案中，所述综合考虑igbt老化指标与igbt故障指标，精确判定igbt故障原因，包括：
20.当an＝n且fn＝q时，判定逆变器igbt模块未发生故障；
21.当an＝n且fn＝p时，判定逆变器igbt模块故障位于外部，与igbt模块自身无关；
22.当an＝m且fn＝q时，判定逆变器igbt模块处于老化失效临界状态；
23.当an＝m且fn＝p时，判定逆变器igbt模块故障位于内部。
24.按照本发明的另一方面，提供了一种基于状态监测的逆变器igbt模块故障判定系统，包括：
25.故障监测控制模块，用于在igbt空闲时刻，触发igbt老化监测；在igbt工作时刻，触发igbt故障监测；
26.老化监测模块，用于在实施igbt老化监测时，向逆变器igbt内注入与交点电流值相等的测试电流，测定其对应的导通压降，以导通压降作为igbt的老化监测参数，将导通压降与老化阈值对比给出相应的igbt老化指标；
27.故障监测模块，用于监测igbt模块的故障状态，采集故障监测参数电流过零点时间，将电流过零点时间与故障阈值对比给定相应的igbt故障指标；
28.精确故障判断模块，用于综合考虑igbt老化指标与igbt故障指标，精确判定igbt故障原因。
29.在一些可选的实施方案中，所述故障监测控制模块，用于当igbt的驱动信号为低电平或无信号时，认定为igbt的空闲时刻；在igbt空闲时刻，实施igbt老化监测；当igbt的驱动信号为高电平时，认定为igbt的工作时刻；在igbt工作时刻，实施igbt故障监测。
30.在一些可选的实施方案中，所述老化监测模块，用于在实施igbt老化监测时，向逆变器igbt内注入与交点电流值相等的测试电流，测定其对应的导通压降，以导通压降作为igbt的老化监测参数，导通压降超过老化阈值，将igbt老化指标an置m，否则an置n，其中，老化阈值通过对同型号igbt模块注入同等大小的电流后进行老化测试得到。
31.在一些可选的实施方案中，所述故障监测模块，用于监测igbt模块的故障状态，采集故障监测参数电流过零点时间，电流过零点时间超过故障阈值，将igbt故障指标fn置p，否则fn置q，其中，故障阈值通过对同型号逆变器在同等工况下测试得出。
32.在一些可选的实施方案中，所述精确故障判断模块，用于当an＝n且fn＝q时，判定逆变器igbt模块未发生故障；当an＝n且fn＝p时，判定逆变器igbt模块故障位于外部，与igbt模块自身无关；当an＝m且fn＝q时，判定逆变器igbt模块处于老化失效临界状态；当an＝m且fn＝p时，判定逆变器igbt模块故障位于内部。
33.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
34.本发明通过测量逆变器igbt输出特性曲线，确定交点电流值i
int
；执行故障监测策略，在igbt空闲时刻，实施igbt老化监测；在igbt工作时刻，实施igbt故障监测；向逆变器igbt内注入与交点电流值相等的测试电流，测定其对应的导通压降v
int
，并据此判断igbt的老化失效；通过集成于逆变器控制器的驱动故障诊断算法检测逆变器igbt的电流过零点时间t
p
，并据此判断igbt的故障失效；最终，综合考虑igbt老化指标与故障指标，精确判定igbt故障原因。综合考虑igbt模块内部及外部因素对于其故障的影响，可以精确辨析igbt模块发生故障的具体原因，即故障来自于模块内部还是外部。便于在系统可以停机时有针对性地进行维修，有利于快速维修和缩短停机时间，提高逆变器的可靠性。并且在不影响逆变器工作状态的情况下，可以实现对逆变器igbt模块整个寿命周期(健康、老化、故障)的监测，实施的可行性较高。
附图说明
35.图1是本发明实施例提供的一种基于状态监测的逆变器igbt模块故障判定方法的流程示意图；
36.图2是本发明实施例提供的一种基于状态监测的逆变器igbt模块故障判定系统的示意图。
具体实施方式
37.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.如图1所示是本发明实施例提供的一种基于状态监测的逆变器igbt模块故障判定方法的流程示意图，包括以下步骤：
39.s1：测量逆变器igbt模块输出特性曲线，确定交点电流值i
int
；
40.s2：执行故障监测策略，在igbt空闲时刻，实施igbt老化监测；在igbt工作时刻，实施igbt故障监测；
41.在本发明实施例中，步骤s2可以通过以下方式实现：
42.s2.1：当igbt的驱动信号为低电平v
l
或无信号时，认定为igbt的空闲时刻；在igbt空闲时刻，实施igbt老化监测；由于igbt模块的设计寿命长达数十年，其老化过程十分漫长，对其进行不间断长期的老化监测不利于在实际工程中的实施；此外，逆变器igbt本身的工作特性决定了igbt模块存在较多的空闲时刻(包括了冗余工作状态与检修状态下igbt不工作的时间)。在空闲时刻，向其内注入测试电流进行老化监测，不仅满足了对于igbt自身
老化状态的观测要求，而且不会干扰逆变器的正常工作，其更具有经济性和可行性；
43.s2.2：当igbt的驱动信号为高电平vh时，认定为igbt的工作时刻；在igbt工作时刻，实施igbt故障监测；通过集成于控制器的诊断算法检测逆变器igbt模块的电流过零点时间t
p
，并据此判断igbt的开路故障失效；此方法集成于逆变器自身的驱动器，无需增加额外的硬件成本，且不会对工作状态产生干扰。
44.s3：向逆变器igbt内注入与交点电流值相等的测试电流，测定其对应的导通压降v
int
，以此作为igbt的老化监测参数，与老化阈值va对比给出相应的老化指标an；
45.在igbt老化监测的过程中，老化监测参数v
int
超过老化阈值va，将igbt老化指标an置1，否则an置0；需要指出的是，老化阈值va事先通过对同型号igbt模块注入同等大小的电流后进行老化测试得到。
46.s4：通过集成于控制器的诊断算法检测逆变器igbt的电流过零点时间t
p
，以此作为igbt的故障监测参数，与故障阈值tf对比给出相应的igbt故障指标fn；
47.其中，诊断算法可以采用现有技术中的检测逆变器igbt的电流过零点时间t
p
的算法，本发明实施例不做唯一性限定。
48.在igbt故障监测的过程中，故障监测参数t
p
超过故障阈值tf，将igbt故障指标fn置1，否则fn置0；需要指出的是，故障阈值tf事先通过对同型号逆变器在同等工况下测试得出。
49.s5：综合考虑igbt老化指标与故障指标，精确判定igbt故障原因。
50.在本发明实施例中，步骤s5可以通过以下方式实现：
51.s5.1：当an＝0且fn＝0时，判定逆变器igbt模块未发生故障；
52.s5.2：当an＝0且fn＝1时，判定逆变器igbt模块故障位于外部，即故障由于igbt外部驱动、pcb板等失效导致，与igbt模块自身无关；
53.s5.3：当an＝1且fn＝0时，判定逆变器igbt模块处于老化失效临界状态；如果再继续工作下去，即将发生故障；
54.s5.4：当an＝1且fn＝1时，判定逆变器igbt模块故障位于内部，即故障由igbt自身老化失效导致。
55.其中，an和fn所赋的具体值，不限于0或者1，还可以为其他数值，只要在步骤s5的判定过程中与赋值对应即可，本发明实施例不做唯一性限定。
56.为了实现上述实施例的方法，在本发明另一实施例中，还提供了一种基于状态监测的逆变器igbt模块故障精确判定系统，如图2所示，该系统包括：
57.故障监测控制模块，用于执行故障监测策略，在igbt空闲时刻，触发igbt老化监测；在igbt工作时刻，触发igbt故障监测；
58.老化监测模块，用于在实施igbt老化监测时，向逆变器igbt内注入与交点电流值相等的测试电流，测定其对应的导通压降v
int
，以此作为igbt的老化监测参数，与老化阈值va对比给出相应的老化指标an；
59.故障监测模块，用于监测igbt模块的故障状态，采集故障监测参数电流过零点时间t
p
，与故障阈值tf对比给定相应的igbt故障指标fn；
60.精确故障判断模块，用于综合考虑igbt老化指标an与故障指标fn，精确判定igbt故障原因。
61.其中，各模块的具体实施方式可以参考上述方法实施例的描述，本实施例将不再
复述。
62.需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
63.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。