一种判定电力电子模块失效的检测装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种判定电力电子模块失效的检测装置和方法。通过采集待测电力电子模块的电流、电压、壳温及散热器表面温度等运行数据；根据获得数据计算电力电子模块的损耗功率和温度变化率，生成电力电子模块外壳表面温度上升曲线，提取相应的温度变化时间常数，用于判定电力电子模块的失效。对电力电子模块的失效诊断能够指导其后续合理运行措施，便于延长面临失效风险的电力电子模块使用寿命，提高变流器系统整体可靠性。

Detection device and method for judging failure of power electronic module

The invention relates to a detecting device and a method for judging the failure of an electric power electronic module. By collecting the measured power electronic module current, voltage, temperature and surface temperature of the radiator shell operation data; according to the obtained data calculation of power electronic module power loss and the change rate of temperature rise, curve generation power electronic module shell surface temperature, extraction temperature change time constant corresponding, for failure criterion for power electronic module. The failure diagnosis of the power electronic module can guide the subsequent reasonable operation measures to prolong the service life of the power electronic module facing the risk of failure and improve the overall reliability of the converter system.

【技术实现步骤摘要】
一种判定电力电子模块失效的检测装置和方法
本专利技术涉及电力电子功率模块领域，尤其涉及一种判定电力电子模块失效的检测装置和方法。
技术介绍
绝缘栅双极型晶体管(Insulatedgatebipolartransistor,IGBT)自20世纪80年代来发展迅速，已作为标准组件广泛应用于大功率能源变换与输送场合，特别在轨道牵引、航空航天、电动汽车、智能电网和新能源发电等领域扮演着不可或缺的角色。伴随其应用的推广、发展与成熟，IGBT模块面临的工况环境也越来越严苛和复杂，模块功率等级和温度耐受能力的要求均逐步提升。然而，更高的工作温度意味着更大的失效风险，因为模块内部在长时间承受高温和大应力时极易发生老化、疲劳，模块损耗与传热能力将发生较大变化。所以，对于IGBT模块的失效诊断和热管理在近年来受到不少关注。目前，对于IGBT模块的失效诊断研究尚在起步阶段。由于热是引发模块失效的最主要成因，因此大量研究侧重于IGBT模块的结温测提取，采用热网络模型、热敏电参数和有限元分析等手段计算和预测IGBT芯片结温，从而能够发现异常结温工作情况并报警。结温提取技术仅能够预警芯片过热失效损坏的情况，属于瞬态保护，但无法探查结温处在允许运行范围内的模块是否发生老化，从而无法对已经处于老化状态的模块进行保护。让发生老化的模块继续承受与正常模块无异的大电流、高电压，势必将加速其失效进程，进而威胁到整体变换器系统的工作和运行。因此，亟需一种综合性的诊断方法，在电力电子模块表面温度未发生明显异常时对其内部失效做出诊断，便于对面临失效风险的电力电子模块进行后续保护。
技术实现思路
鉴于上述情况，本专利技术提出一种判定电力电子模块失效的检测装置和方法。针对两类不同的失效机理：其一是模块内部金属部分（包括焊层、键合线等）老化、断裂、分层、脱落等原因导致的模块导电性能退化或失效，表现在模块损耗功率和特定热激励下响应速度两方面的变化；其二是模块内部非金属部分（包括填充材料、绝缘陶瓷基板等）老化、疲劳、损伤等原因导致的模块传热性能退化，表现在特定热激励下响应速度的变化。本专利技术通过采集待测电力电子模块的电流、电压、壳温及散热器表面温度等运行数据；根据获得数据计算电力电子模块的损耗功率和温度变化率，生成电力电子模块外壳表面温度上升曲线，提取相应的温度变化时间常数，用于判定电力电子模块的失效。为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种判定电力电子模块失效的检测装置，包括：试验电源，用于提供测试用的试验电源；VGE检测单元，用于检测待测电力电子模块的栅极-发射极电压VGE；VCE检测单元，用于检测待测电力电子模块的集电极-发射极电压VCE；壳温检测单元，用于检测待测电力电子模块的外壳温度；散热器温度检测单元用于检测待测电力电子模块的散热器温度；电流检测单元，用于检测待测电力电子模块的工作电流；直流母线电压检测单元，用于检测直流母线的电压；数据采集与分析单元，用于模/数转换、数据存储、数据处理及数据传输；待测电力电子模块，作为测试对象，提供检测端口；直流母线，用于连接试验电源与待测电力电子模块；所述试验电源与电流检测单元相连，并与待测电力电子模块的负极相连，所述电流检测单元与待测电力电子模块的正极相连，电流检测单元和直流母线电压检测单元分别采集流经待测电力电子模块的电流和直流母线电压，壳温检测单元采集待测电力电子模块基板正下方温度，散热器温度检测单元采集待测电力电子模块配套散热器的表面温度，待测电力电子模块的栅极和发射极间接入电力电子模块栅极-发射极电压VGE检测单元、集电极和发射极间接入电力电子模块集电极-发射极电压VCE检测单元，数据采集与分析单元接收电流检测单元、直流母线电压检测单元、壳温检测单元、散热器温度检测单元、VGE检测单元、VCE检测单元的信号输出。优选的，所述VGE检测单元包括依次连接的电压传感器，整形电路及信号输出。优选的，所述VCE检测单元包括依次连接的电压传感器，整形电路及信号输出。优选的，所述壳温检测单元包括依次连接的温度传感器，整形电路及信号输出。优选的，所述散热器温度检测单元包括依次连接的温度传感器，整形电路及信号输出。优选的，所述电流检测单元包括依次连接的电流传感器，整形电路及信号输出。优选的，所述直流母线电压检测单元包括依次连接的电压传感器，整形电路及信号输出。优选的，所述数据采集与分析单元包括依次连接的通信单元，模/数转换单元，存储器及处理器；存储器，存储不同失效情况下电力电子模块损耗功率的数值范围；以及存储不同失效情况下电力电子模块外壳表面温度上升曲线时间常数的数值范围；处理器，接收模/数转换单元传回的待测电力电子模块电流、电压、壳温及散热器表面温度数据，计算待测电力电子模块损耗功率，生成待测电力电子模块外壳表面温度上升曲线，并提取相应时间常数，根据待测电力电子模块的损耗功率和温升曲线时间常数，对照所述存储器查表，判断模块失效情况。一种判定电力电子模块失效的检测方法，包括以下步骤：S1，所述试验电源为待测电力电子模块供电，同时驱动待测电力电子模块；S2，所述数据采集与分析单元获得所述电流检测单元、直流母线电压检测单元、壳温检测单元、散热器温度检测单元、VGE检测单元、VCE检测单元采集得到的电流、电压、壳温及散热器表面温度的运行数据送入处理器；S3，所述处理器根据采集得到数据，计算待测电力电子模块的损耗功率，生成待测电力电子模块外壳表面温度上升曲线，计算待测电力电子模块外壳表面温度在固定时间间隔内的变化率，并提取温度上升曲线的时间常数；S4，所述处理器根据计算得到的模块损耗功率和时间常数，对照存储器查表，判断待测电力电子模块的失效情况；S5，重复执行S2至S4，循环检测电力电子模块的失效情况。与现有技术相比，本专利技术具备如下突出实质性特点和显著优点：本专利技术中的检测装置通过计算待测电力电子模块的损耗功率和提取其外壳表面温度上升曲线时间常数两种手段，能够甄别结温处在允许运行范围的电力电子模块内部传热介质和导电介质是否已经发生老化，因为当电力电子模块内部界面材料由于热应力发生老化和疲劳失效时，电力电子模块在特定热激励作用下的响应时间将延长、损耗功率也会发生变化；对电力电子模块的失效诊断能够指导其后续合理运行措施，便于延长面临失效风险的电力电子模块使用寿命，提高变流器系统整体可靠性。附图说明图1检测装置结构示意图。图2待测电力电子模块单元示意图。图3电力电子模块栅极-发射极电压VGE检测单元示意图。图4电力电子模块集电极-发射极电压VCE检测单元示意图。图5电力电子模块表面壳温检测单元示意图。图6电力电子模块配套散热器表面温度检测单元示意图。图7电流检测单元示意图。图8直流母线电压检测单元示意图。图9数据采集与分析单元示意图。图10电力电子模块外壳表面温度上升曲线示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施例做进一步的说明。如图1所示，一种判定电力电子模块失效的检测装置，包括：试验电源1，用于提供测试用的试验电源；VGE检测单元2，用于检测待测电力电子模块9的栅极-发射极电压VGE；VCE检测单元3，用于检测待测电力电子模块9的集电极-发射极电压VCE；壳温检测单元4，用于检测待测电力电子模块9的外壳温度；散热器温本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，检测装置包括：试验电源（1），用于提供测试用的试验电源；

【技术特征摘要】
1.一种判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，检测装置包括：试验电源（1），用于提供测试用的试验电源；VGE检测单元（2），用于检测待测电力电子模块（9）的栅极-发射极电压VGE；VCE检测单元（3），用于检测待测电力电子模块（9）的集电极-发射极电压VCE；壳温检测单元（4），用于检测待测电力电子模块（9）的外壳温度；散热器温度检测单元（5），用于检测待测电力电子模块（9）的散热器温度；电流检测单元（6），用于检测待测电力电子模块（9）的工作电流；直流母线电压检测单元（7），用于检测直流母线（10）的电压；数据采集与分析单元（8），用于模/数转换、数据存储、数据处理及数据传输；待测电力电子模块（9），作为测试对象，提供检测端口；直流母线（10），用于连接试验电源（1）与待测电力电子模块（9）；所述试验电源（1）与电流检测单元（6）相连，并与待测电力电子模块（9）的负极相连，所述电流检测单元（6）与待测电力电子模块（9）的正极相连，电流检测单元（6）和直流母线电压检测单元（7）分别采集流经待测电力电子模块（9）的电流和直流母线（10）电压，壳温检测单元（4）采集待测电力电子模块（9）基板正下方温度，散热器温度检测单元（5）采集待测电力电子模块（9）配套散热器的表面温度，待测电力电子模块（9）的栅极和发射极间接入电力电子模块栅极-发射极电压VGE检测单元（2）、集电极和发射极间接入电力电子模块集电极-发射极电压VCE检测单元（3），数据采集与分析单元（8）接收电流检测单元（6）、直流母线电压检测单元（7）、壳温检测单元（4）、散热器温度检测单元（5）、VGE检测单元（2）、VCE检测单元（3）的信号输出。2.根据权利要求1所述的判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，所述VGE检测单元（2）包括依次连接的电压传感器（2-1），整形电路（2-2）及信号输出（2-3）。3.根据权利要求1所述的判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，所述VCE检测单元（3）包括依次连接的电压传感器（3-1），整形电路（3-2）及信号输出（3-3）。4.根据权利要求1所述的判定电力电子模块失效的检测装置，其特征在于，所述壳温检测单元（4）包括依次连接的温度传感器（4-1），整形电路（4-2）及信号输出（4-3）。5.根据权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐国卿，汪飞，杨影，舒心怡，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海,31