一种非接触式变流器IGBT模块状态监测方法技术

本发明专利技术涉及一种非接触式变流器IGBT模块状态监测方法，包括以下步骤：S1：测量变流器的输出相电流，并测量变流器IGBT模块的表壳温度；S2：从输出相电流中提取出IGBT等效关断时间和IGBT关断电流，IGBT等效关断时间为输出相电流的高频振荡信号中对应于该IGBT模块关断引起的第一个波头或波谷的时间，IGBT关断电流为与输出相电流开始出现高频振荡信号的时刻对应的电流；S3：获取反映变流器IGBT模块运行状态的关断特性曲线。与现有技术相比，本发明专利技术可方便测出所有IGBT器件在不同电流条件下的关断特性，适用于各种结构的变流器系统，有助于提高变流器系统的运行可靠性，具有简便、安全、适用性好等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种变流器状态监测方法，尤其是涉及一种非接触式变流器IGBT模块状态监测方法。
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。作为变流器的核心器件，IGBT模块故障可导致整个变流器系统运行中断，甚至造成安全事故和重大经济损失。因此，IGBT模块的运行安全性与可靠性问题日益突出。实际系统中IGBT失效大都经历渐变发展的过程，IGBT状态监测技术利用各种检测与分析手段对反映器件运行状态的各种变量进行监测，并结合系统运行历史记录对器件当前运行状态进行评估。IGBT状态监测技术可有效提高变流器系统运行安全性与可靠性。一方面，以状态监测为基础的故障预诊断技术可在IGBT模块失效前发现故障并及时采取相应措施，从而避免事故发生以及重大经济损失，提高系统运行安全性；另一方面，根据器件状态信息制定基于状态的变流器系统维修计划可有效减少停机时间、维修费用并提升运维效率，显著提高系统运行的可靠性与经济性。根据被监测状态变量变量的类型不同，目前的IGBT状态监测方法可分为静态监测法与动态监测法。静态监测法在IGBT处于导通或者截止状态时进行测量，此类方法通常测量IGBT饱和压降Vce(sat)、短路电流Isc、泄漏电流Ilk等静态状态变量；动态监测法在IGBT处于开通或者关断过程中进行测量，此类方法通常测量IGBT开通/关断时间Ton/Toff、米勒平台电压Vgp、开通/关断延迟时间Tdon/Tdoff等动态状态变量。[1]中国专利CN104849644A公开了一种IGBT状态检测电路以及IGBT状态检测方法，利用专门电路测量IGBT的集射极电压Vce，并根据电路的输出信号与IGBT门极控制信号有效判断出IGBT处于开通、关断、异常关断或者短路状态。但这种状态监测方法属于故障后检测，不能对IGBT的健康状态进行实时评估，因此无法对早期故障进行识别并及时采取相应措施避免事故与损失。文献[2]“U.M.Choi,F.Blaabjerg,S.Munk-Nielsen,etal.ConditionmonitoringofIGBTmoduleforreliabilityimprovementofpowerconverters[C].IEEETransportationElectrificationConferenceandExpo,2016:602-607”利用特殊设计的集电极电压检测电路与状态监测算法，根据IGBT的饱和压降Vce(sat)与电流、结温的运行特性的变化对IGBT模块的运行状态进行评估，提高变流器的可靠性。但饱和压降数值量级与直流母线电压差距甚大且开关前后急剧变化，因此饱和压降的精确测量对测量装置的分辨率、动态特性等性能要求较高。此外，文献提出的状态检测方法需对变流器系统进行改造并安装额外的测量装置，不便于现场实施。文献[3]“P.Sun,C.Gong,X.Du,etal.ConditionMonitoringIGBTModuleBondWiresFatigueUsingShort-CircuitCurrentIdentification[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2016”在不损伤IGBT模块的前提下，通过短路实验测量IGBT短路电流Isc与结温、门极电压的关系并对键合线断裂程度进行监测，以提高IGBT模块的可靠性。但此方法在故障检测需减小IGBT门极电压，无法在线实时监测，工程实用困难。文献[4]“H.Luo,Y.Chen,P.Sun,etal.JunctionTemperatureExtractionApproachWithTurn-OffDelayTimeforHigh-VoltageHigh-PowerIGBTModules[J].IEEETransactionsonPowerElectronics,2016,31(7):5122-5132”将关断延迟时间Tdoff作为温敏变量测量IGBT模块结温，预测功率器件的健康状态。此方法需测量模块发射极与辅助发射极间电压VeE，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，门极变量现场测量困难。文献[5]“BryantAT,MawbyPA,PalmerPR,etal.Explorationofpowerdevicereliabilityusingcompactdevicemodelsandfastelectro-thermalsimulation[C].IEEEIndustryApplicationsConference,2006:1465-1472”与文献[6]“MusallamM,JohnsonCM,YinC,etal.Real-timelifeconsumptionpowermodulesprognosisusingon-linerainflowalgorithminmetroapplications[C].IEEEEnergyConversionCongressandExposition(ECCE),2010:970-977”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。
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非接触式变流器IGBT模块状态监测方法，以IGBT等效关断时间作为特征状态变量，可方便测出变流器中所有IGBT器件在不同电流条件下的关断特性，适用于各种结构的变流器系统，有助于提高变流器系统的运行可靠性，具有简便、安全、适用性好等优点。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种非接触式变流器IGBT模块状态监测方法包括以下步骤：S1：采用非接触式电流测量元件测量变流器的输出相电流i，并测量变流器IGBT模块的表壳温度Tc；S2：从输出相电流i中提取出IGBT等效关断时间tsw.off和IGBT关断电流Ioff，所述IGBT等效关断时间为输出相电流i的高频振荡信号中对应于该IGBT模块关断引起的第一个波头或者波谷的时间tsw.off，所述IGBT关断电流Ioff为与输出相电流i开始出现高频振荡信号的时刻对应的电流；S3：获取反映变流器IGBT模块运行状态的IGBT关断特性曲线，所述IGBT关断特性曲线为在表壳温度Tc下的IGBT等效关断时间tsw.off与IGBT关断电流Ioff的函数关系。所述高频振荡信号是指频率范围在150kHz～30MHz的振荡信号。现场测得的IGBT关断特性曲线与正常工作状态下的IGBT关断特性曲线进行对比，若现场测得的IGBT关断特性曲线出现超过设定允许范围的变化，则认定变流器IGBT模块运行状态发生变化。所述设定允许范围为偏差量绝对值小于等于0.5％。所述非接触式电流测量元件的带宽大于500kHz。所述表壳温度Tc采用IGBT模块自带的或额外安装的温度测量元件进行测量。与现有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种非接触式变流器IGBT模块状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：采用非接触式电流测量元件测量变流器的输出相电流i，并测量变流器IGBT模块的表壳温度Tc；S2：从输出相电流i中提取出IGBT等效关断时间tsw.off和IGBT关断电流Ioff，所述IGBT等效关断时间为输出相电流i的高频振荡信号中对应于该IGBT模块关断引起的第一个波头或者波谷的时间tsw.off，所述IGBT关断电流Ioff为与输出相电流i开始出现高频振荡信号的时刻对应的电流；S3：获取反映变流器IGBT模块运行状态的IGBT关断特性曲线，所述IGBT关断特性曲线为在表壳温度Tc下的IGBT等效关断时间tsw.off与IGBT关断电流Ioff的函数关系。

【技术特征摘要】
1.一种非接触式变流器IGBT模块状态监测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：采用非接触式电流测量元件测量变流器的输出相电流i，并测量变流器IGBT模块的表壳温度Tc；S2：从输出相电流i中提取出IGBT等效关断时间tsw.off和IGBT关断电流Ioff，所述IGBT等效关断时间为输出相电流i的高频振荡信号中对应于该IGBT模块关断引起的第一个波头或者波谷的时间tsw.off，所述IGBT关断电流Ioff为与输出相电流i开始出现高频振荡信号的时刻对应的电流；S3：获取反映变流器IGBT模块运行状态的IGBT关断特性曲线，所述IGBT关断特性曲线为在表壳温度Tc下的IGBT等效关断时间tsw.off与IGBT关断电流Ioff的函数关系。2.根据权利要求1所述的一种非接触式变流器IGBT模块状态监测方法，其特征在于，所述...

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