本发明专利技术公开了一种在线监测三电平逆变器中功率开关器件的系统及方法。该系统及方法包括：通过对NPC逆变器中电流流通路径判断出三相桥臂中十二个功率开关器件的开关状态，在每周期内微调PWM波形，以供选择合适测量时间段，在正常工况下进行检测工作；外部辅助电源单元，在上述检测时段内对被测器件注入两种幅值的电流，同时数据采集单元分别测得IGBT功率器件和其反并联二极管通态压降；分析可靠性单元将测得电压作为温敏电气参数，生成导通压降和结温关系图作校准曲线，将获得的结温和通态压降做成基准查阅表。在线监测高电流下器件导通压降增幅超过阈值，即可认定该IGBT器件内部发生键合引线失效。依次获取各器件健康状态，得到整个逆变器可靠性检测结果。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于功率器件在线健康监测领域，特别设及一种针对S电平NPC型逆变器 拓扑的可靠性监测系统及方法。
技术介绍
相对于传统的两电平逆变器，多电平逆变器具有输出电平数增加、更好的谐波频 谱、器件所承受的电压应力小等优势，但是由于多电平电路使用了数量较多的开关器件，导 致电路的可靠性相应降低，任何一个器件故障都有可能导致整个电路停止工作，甚至会影 响到其他电路的安全，造成不可估量的经济损失。 器件结溫是衡量IGBT功率器件热可靠性的主要因素之一。目前对功率器件在热 冲击下的性能劣化和可靠性衰退的机理研究较少，对失效进程的认识和把握不足，缺少能 表征器件失效进程的特征量；对功率器件及并网变流装置的离线概率可靠性评估也因器件 基础可靠性指标（如平均寿命、老化失效率、不可用率）的缺失，其深入开展受到限制。因 此，提出围绕功率器件（WNPC型S电平逆变器中常用的IGBT为对象）的可靠性在线监测。 文献1专利技术专利申请《一种NPCS电平逆变器故障冗余控制方法》（公布号CN 103378759A);通过对NPCS电平逆变器进行器件故障实时监测，当检测到IGBT器件端电压 始终为零时，认定该管发生短路故障；端电压始终为非零值时，认定该管发生开路故障，运 样只能在器件发生故障后得到IGBT功率器件的可靠性的检测结果。因此对逆变器应用中 在线监测方面，是不可行的。 文献 2《AFaultDetectionandProtectionSchemefor1"虹ee-LevelDC-DC Conve;rtersBasedonMonitoringFlyingCapacitorVoltage》2012I邸ERANSACTIONSON POWERELECTRONICS.(《基于监测飞跨电容电压的S电平直流-直流变换器的故障检测和 保护方案》，2010IEEE电力电子学会刊）通过提取基于器件失效后造成开关管两端不平衡 的电压应力，通过飞跨电容电压的监测，分析故障位置，提出保护策略并采取补救措施。但 该方法只能够快速识别器件失效后带来的主电路电压变化，不能实现器件失效前的诊断和 预测。 现有专利中，测量结溫时使用接触式或非接触式直接测量法均不能实现针对逆变 器运行状态下的在线实时监测。通过选择合适的溫敏电气参数，提高推算结溫的精度是判 断器件健康状态的关键因素。
技术实现思路
本专利技术是针对多电平逆变电路容易出现故障的问题，提出一种NPC型S电平逆变 器可靠性监测系统，该系统能在不同的开关周期依次检测NPCS电平逆变器S相桥臂中共 六个IGBT器件/反并联二极管（每相桥臂中间两个器件）是否发生故障，并在容错控制 PWM驱动波形后保持=相平衡工作，不降低电路的输出功率。由于每相桥臂首尾两个器件在 工况下，导通状态不满足测试条件，因此只能依据导通次序相似的器件，即已测的六个IGBT 器件/反并联二极管，估计其健康程度。 为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案如下： 一种NPC型S电平逆变器可靠性在线监测系统，其特征在于，包括PWM驱动调整单 元（10)、辅助电源单元（20)、继电器单元（30)、数据采集单元（40)、分析可靠性单元巧0) 和NPC型S电平逆变器主电路化0); 其中所述NPC型S电平逆变器主电路化0)，包括十二个功率开关器件，器件中 十二个IGBT分别为Tal~化4、Tbl~化4、Tcl~Tc4,十二个与IGBT反并联的二极管分 别为Dal~Da4、抓1 ~Db4、Dcl~Dc4 ; 其中所述PWM驱动调整单元（10)，输入端与分析可靠性单元巧0)中控制器巧01) 连接，输出端与逆变器主电路化0)中十二个功率开关器件的驱动信号端相连； 所述辅助电源单元（20)，主要由幅值为11和12的两个电流源并联组成，通过继电 器单元（30)与逆变器主电路化0)中待测功率开关器件（601)连接，其中待测功率开关器 件（601)包括：化2、化3、化2、化3、Tc2、Tc3、Da2、Da3、Db2、Db3、Dc2、Dc3 ; 所述继电器单元（30)，包括S级连接，其中一级单元（301)包括DPDTl、DPDT2、 DPDT3S个双刀双掷继电器，每个DPDT输出端四路引脚中间两路接通，引出S路连接线，共 九路连接线，接至逆变器主电路化0)=相桥臂中六个待测功率开关器件化01)的两端共九 个节点；二级单元（302)包括串联的DPDT4和DPDT5 ;-级单元（301)和二级单元（302)有 六路连接，其中四路是一级单元（301)中两个DPDT的输入端和二级单元（302)中DPDT4的 输出端，另两路是一级单元（301)中一个DPDT输入端和二级单元（302)中DHJTS输出端； S级单元（303)包括一个DPDT6,其输入端两路引脚和二级单元（302)中DHJTS输入端相 连，输出端连接至辅助电源单元（20); 所述数据采集单元（40)，包括高采样频率的数据采集卡，其测量电压信号的输入 端连接至待测功率开关器件（601)两端，在上述PWM驱动调整单元（10)调整时段内，对待 测功率开关器件（601)在被测时段的端电压进行测量，数据采集卡输出端连接至分析可靠 性单元巧0)存储； 所述分析可靠性单元巧0)，其中控制器巧01)的输入端与数据采集单元（40)相 连，输出端分别连接至分析与监测单元巧02)、PWM驱动调整单元（10)、辅助电源单元（20) 和继电器单元（30)。 一种根据权利要求1所述的在线监测系统的实施方法，其特征在于：具体包括W 下步骤： 步骤A、一个完整开关周期内，对NPC型S电平逆变器主电路化0)中S相桥臂共 十二个IGBT器件的开关状态和电流路径做出分析，保持S相平衡工作，选取0. 4ms时段调 整逆变器开关管PWM驱动波形； 步骤B、通过控制继电器单元（30)中DPDTl至DPDT6的十二种开关状态，在辅助电 流源（20)和待测功率开关器件（601)之间切换连接，按序循环选择每个待测IGBT器件的 两端注入高低交替的电流脉冲序列； 步骤C、在步骤A做出调整的时段内，外部辅助电流源（20)与待测功率开关器件中 当前被选的单个IGBT器件连接路径中导通两种幅值的电流，数据采集单元（40)测得健康 状态下该IGBT器件的导通电压并存储； 步骤D、分析在初始健康状态下时，步骤C存储的IGBT导通电压数据，和通态电流、 结溫对应起来，生成导通电压和结溫关系图作校准曲线，将获得的通态压降和结溫对应成 基准查阅表； 步骤E、在线条件下，获取待测功率开关器件（601)端电压值，与健康状态下步骤D 生成的基准查阅表对比，若通态压降波动幅值小于阔值，则认定该器件处于健康状态，检测 下个器件；若增长幅值大于阔值，即认定该器件存在故障或处于即将损坏状态，循环依次得 到每个待测IGBT及反并联二极管的健康程度，进而完成对整个逆变器的可靠性监测。 本专利技术实施例提供的一种在线监测S电平逆变器中IGBT功率器件可靠性的方 法，其有益效果如下： 1、本专利技术提供的NPCS电平逆变器可靠性在线监测方法，是基于主电路中器件角 度，针对功率器件中IGBT和反并联二极管上键合引线的失效做出预测性判断。与W往需要 停止对电路供电，打开器件检测结溫分布不本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种NPC型三电平逆变器可靠性在线监测系统，其特征在于，包括PWM驱动调整单元(10)、辅助电源单元(20)、继电器单元(30)、数据采集单元(40)、分析可靠性单元(50)和NPC型三电平逆变器主电路(60)；其中所述NPC型三电平逆变器主电路(60)，包括十二个功率开关器件，器件中十二个IGBT分别为Ta1～Ta4、Tb1～Tb4、Tc1～Tc4，十二个与IGBT反并联的二极管分别为Da1～Da4、Db1～Db4、Dc1～Dc4；其中所述PWM驱动调整单元(10)，输入端与分析可靠性单元(50)中控制器(501)连接，输出端与逆变器主电路(60)中十二个功率开关器件的驱动信号端相连；所述辅助电源单元(20)，主要由幅值为I1和I2的两个电流源并联组成，通过继电器单元(30)与逆变器主电路(60)中待测功率开关器件(601)连接，其中待测功率开关器件(601)包括：Ta2、Ta3、Tb2、Tb3、Tc2、Tc3、Da2、Da3、Db2、Db3、Dc2、Dc3；所述继电器单元(30)，包括三级连接，其中一级单元(301)包括DPDT1、DPDT2、DPDT3三个双刀双掷继电器，每个DPDT输出端四路引脚中间两路接通，引出三路连接线，共九路连接线，接至逆变器主电路(60)三相桥臂中六个待测功率开关器件(601)的两端共九个节点；二级单元(302)包括串联的DPDT4和DPDT5；一级单元(301)和二级单元(302)有六路连接，其中四路是一级单元(301)中两个DPDT的输入端和二级单元(302)中DPDT4的输出端，另两路是一级单元(301)中一个DPDT输入端和二级单元(302)中DPDT5输出端；三级单元(303)包括一个DPDT6，其输入端两路引脚和二级单元(302)中DPDT5输入端相连，输出端连接至辅助电源单元(20)；所述数据采集单元(40)，包括高采样频率的数据采集卡，其测量电压信号的输入端连接至待测功率开关器件(601)两端，在上述PWM驱动调整单元(10)调整时段内，对待测功率开关器件(601)在被测时段的端电压进行测量，数据采集卡输出端连接至分析可靠性单元(50)存储；所述分析可靠性单元(50)，其中控制器(501)的输入端与数据采集单元(40)相连，输出端分别连接至分析与监测单元(502)、PWM驱动调整单元(10)、辅助电源单元(20)和继电器单元(30)。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：马铭遥，韩劲松，李飞，张兴，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34
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