基于DTW和SVM的SiC-GTO器件状态监测方法技术

本发明专利技术提出了一种基于DTW和SVM的SiC‑GTO器件状态监测方法，其步为：在SiC‑GTO器件测试结构中，将第3个P区作为功能管脚引出，定义为Base极，并采用嵌入式电路设计的方法在低压情况下测量器件任意两端的伏安特性曲线，将其在不同环境下得到的器件伏安特性曲线作为监测对象。并提出新的动态时间规整改进方法，对其搜索路径进行优化，可有效的避免算法中路径规整不准确和搜索宽度需人为设置的问题，同时降低计算复杂度减少计算量。最后基于SVM将最小失真度总和作为样本特征进行分类，实现高压SiC‑GTO器件健康状态监测。

SiC-GTO device status monitoring method based on DTW and SVM

A state monitoring method for SiC_GTO devices based on DTW and SVM is proposed in this paper. The step of this method is: in the testing structure of SiC_GTO devices, the third P region is led out as a functional pin, defined as a Base electrode, and the voltage-ampere characteristic curves of any two ends of the devices are measured under low voltage by means of embedded circuit design. The volt ampere characteristic curves of devices obtained under different environments are taken as monitoring objects. A new dynamic time warping method is proposed to optimize the search path, which can effectively avoid the inaccuracy of path warping and the artificial setting of search width, and reduce the computational complexity. Finally, the minimum distortion sum is classified as a sample feature based on SVM to realize health monitoring of high voltage SiC_GTO devices.

【技术实现步骤摘要】
基于DTW和SVM的SiC-GTO器件状态监测方法
本专利技术涉及SiC-GTO功率器件健康状态监测技术，特别是一种基于DTW(DynamicTimeWarping，动态时间规整)和SVM(supportvectormachin，支持向量机)的SiC-GTO器件状态监测方法。
技术介绍
SiC-GTO功率器件(GateTurn-OffThyristor)是基于第三代新型宽禁带半导体SiC研制的功率电子器件，SiC材料禁带宽度大，临界击穿电场高、热导率高、漂移速度快，在大功率、高温、高压、强辐射等环境的电力电子系统中有广泛的应用前景。目前国外已有成熟的商业化SiC功率器件，国内也将研制成功并投入应用。功率器件是影响电力电子系统可靠性的最主要部件之一，其性能的优劣直接影响电力电子系统的整体可靠性，因此对SiC-GTO器件可靠性的研究极其必要。SiC-GTO器件的阻断电压可达几千伏以上，其阻断特性和开关特性是衡量器件健康状态的重要参数指标。研究SiC-GTO器件的阻断特性和动态开关特性的状态监测方法，并通过嵌入式的方法实现在低压的情况下完成对器件的健康状态监测在实际应用中具有重要意义。SiC-GTO器件状态监测主要是采集器件两端的电流电压信号，从中获得器件失效或缺陷的特征参数。常用的功率器件监测方法主要有小波分析，Frechet距离诊断、近似熵理论以及动态时间规整等方法，每种方法都有其特点及适用范围，其中动态时间规整算法具有较高的辨识精度，对时间序列差异的区别比较明显，能够明确区分器件是否发生缺陷及其类型，是针对SiC-GTO器件状态监测的理想选择。动态时间规整(DTW)算法是结合动态时间规整技术和距离测度计算技术的一种非线性规整算法，是功率器件状态监测的有效方法之一。动态时间规整算法能够对数据长度不同的时间序列进行匹配，通过特定的约束条件找出两个时间序列曲线间的最优路径，使得两时间序列间的距离最短。该算法可解决序列数据长度不一致的问题，具有很好的鲁棒性，且对测量噪声不敏感，在对SiC-GTO器件的特性研究中具有显著的优势。动态时间规整算法虽然在不同时间序列辨识中具有较高的精度，但在搜素路径期间一个时序上的点与另一时序上相隔时间较长的区间相互映射时，易造成病态规整且计算复杂度较高。而目前所改进的动态时间规整算法中，Itakura平行四边形窗对路径起点和终点的搜索路径过窄，容易造成起点和终点路径规整不准确而Sakoe-Chiba窗虽可在全局实现等宽度搜素，但其搜素宽度需根据实际矩阵大小认为设置。因此，目前的结合动态时间规整算法的健康状态监测的效果都不能满足现状要求。
技术实现思路
本专利技术为克服上述技术缺陷，提供了一种基于DTW和SVM的SiC-GTO器件状态监测方法，该方法对该约束条件进行优化，可有效的避免路径规整不准确和搜索宽度需人为设置的问题，同时降低计算复杂度减少计算量。本专利技术的技术方案如下：基于DTW和SVM的SiC-GTO器件状态监测方法，具体方法步骤如下：一、在SiC-GTO器件健康监测的器件结构中将第3个P区作为功能管脚引出，定义为Base极(B)；二、在高温、高湿、高功率等情况下采用嵌入式电路设计测量器件正常或退化后任意两端的伏安特性曲线，如AK端、GB端等；三、基于动态时间规整算法建立两时间序列的匹配距离矩阵Dn×m及动态时间规整路径的全局约束条件；四、寻找元素间积累距离最小的路径，并求得最小失真度总和γ(i,j)；五、将最小失真度总和作为SiC-GTO器件样本特征对SVM分类器进行训练求取最优分类超平面；六、对SiC-GTO器件样本进行分类，实现SiC-GTO器件状态的监测。如图1所示，本专利技术的具体方法步骤如下：步骤一、在SiC-GTO器件健康监测的器件结构中将第3个P区作为功能管脚引出，定义为Base极(B)；步骤二、在高温、高湿、高功率等情况下采用嵌入式电路设计在低压情况下测量器件正常或退化后任意两端的伏安特性曲线，如AK端、GB端等；步骤三、基于动态时间规整算法建立两时间序列的匹配距离矩阵Dn×m及动态时间规整路径的全局约束条件；步骤四、寻找元素间积累距离最小的路径，并求得最小失真度总和γ(i,j)；步骤五、将最小失真度总和作为SiC-GTO器件样本特征对支持向量机(SVM)分类器进行训练求取最优分类超平面；步骤六、对SiC-GTO器件样本进行分类，实现SiC-GTO器件状态的监测。本专利技术在动态时间规整算法基础上进行扩展，针对SiC-GTO功率器件，优化其器件监测结构和参数获取方法，并基于动态规整算法在新型SiC-GTO功率器件健康状态监测方面具有明显优势。进一步，步骤一中在研究SiC-GTO器件的正向阻断特性过程中表明，器件阻断特性主要取决于第二个N+/P节点。故在对SiC-GTO器件健康监测过程中可将其器件结构中将第3个P区作为功能管脚引出，定义为Base极(B)，如图2所示。进一步，在步骤二中具体包括以下步骤：搭建嵌入式电路在低压(<10V)的情况下，从0V开始以小于0.1V的间隔逐渐增大施加在器件任意两端(如AK端、GB端等)的电压值，并对器件两端的电压、电流值同步采集，获得其伏安特性曲线；在正常、高温、高压、高功率等测试环境下分别对器件进行测试，获取其不同状态下的伏安特性曲线，如图3所示。进一步，在步骤三中具体包括以下步骤：分别定义两时间序列为R、T，并计算两序列的匹配距离矩阵Dn×m；将序列R和T投影至二维直角平面中，其中R为横轴，T为纵轴，格点(i，j)表示元素ri和tj的交点；求取平面中一系列格点所组成的时间弯曲路径P；建立动态时间规整路径P的搜索约束范围，如图4所示。进一步，在步骤四中具体包括以下步骤：定义两时间序列的失真度总和为γ(i,j)，令γ(1,1)＝0，从点(1,1)出发，按照搜索路径P，反复递推直至γ(n,m)，即为两时间序列的最小失真度总和。进一步，在步骤五中具体包括以下步骤：按上述步骤求取正常、高温、高湿、高功率等情况下SiC-GTO器件的最小失真度总和，将其作为样本特征并分为训练样本和测试样本；针对训练样本基于支持向量机将输入向量映射到一个高维特征向量空间中，并在该特征空间中构造最优分类超平面f(x)用以分割两类不同的样本，使得两类间隔最大。进一步，在步骤六中具体包括以下步骤：基于最优分类超平面对测试样本进行分类，实现SiC-GTO器件状态的监测。本专利技术的有益效果在于：本专利技术通过将SiC-GTO器件结构中的第3个P区作为功能管脚引出并定义为B极，提出在高温、高压、高湿、高功率等环境下采用嵌入式电路对器件任意两端的正常或退化后伏安特性曲线进行获取，基于动态时间规整算法对其中规整路径的全局约束条件进行改进，将算法所求得的最小失真度总和作为样本特征，将其中部分样本作为训练样本对SVM分类器进行训练得到最优分类超平面，并基于训练后的支持向量机对测试样本进行分类，实现SiC-GTO器件状态监测，该方法在新型SiC-GTO器件健康状态监测中具有明显优势。本专利技术在动态时间规整算法基础上进行扩展，针对SiC-GTO功率器件，优化其器件监测结构和参数获取方法，并基于动态规整算法在新型SiC-GTO功率器件健康状态监测方面具有明显优势。附图说明图1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于DTW和SVM的SiC‑GTO器件状态监测方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一：在SiC‑GTO器件健康监测的器件结构中将第3个P区作为功能管脚引出，定义为Base极(B)；步骤二、在不同环境下，采用嵌入式电路设计在低压情况下测量器件正常或退化后任意两端的伏安特性曲线，所述任意两端包括AK端、GB端；步骤三、基于动态时间规整算法建立两时间序列的匹配距离矩阵Dn×m及动态时间规整路径的全局约束条件；步骤四、寻找元素间积累距离最小的路径，并求得最小失真度总和γ(i,j),i∈(0,n],j∈(0,m]；步骤五、将最小失真度总和作为SiC‑GTO器件样本特征对支持向量机(SVM)分类器进行训练求取最优分类超平面；步骤六、对SiC‑GTO器件样本进行分类，实现SiC‑GTO器件状态的监测。

【技术特征摘要】
1.基于DTW和SVM的SiC-GTO器件状态监测方法，其特征在于包括下述步骤：步骤一：在SiC-GTO器件健康监测的器件结构中将第3个P区作为功能管脚引出，定义为Base极(B)；步骤二、在不同环境下，采用嵌入式电路设计在低压情况下测量器件正常或退化后任意两端的伏安特性曲线，所述任意两端包括AK端、GB端；步骤三、基于动态时间规整算法建立两时间序列的匹配距离矩阵Dn×m及动态时间规整路径的全局约束条件；步骤四、寻找元素间积累距离最小的路径，并求得最小失真度总和γ(i,j),i∈(0,n],j∈(0,m]；步骤五、将最小失真度总和作为SiC-GTO器件样本特征对支持向量机(SVM)分类器进行训练求取最优分类超平面；步骤六、对SiC-GTO器件样本进行分类，实现SiC-GTO器件状态的监测。2.根据权利要求1所述的基于DTW和SVM的SiC-GTO器件状态监测方法，其特征在于：在步骤二中，所述低压指<10V的情况下，从0V开始以小于0.1V的间隔逐渐增大施加在器件AK端、GB端的电压值，并对器件两端的电压、电流值同步采集，获得其伏安特性曲线；在正常、高温、高压、高功率不同的测试环境下分别对器件进行测试，获取其不同状态下的伏安特性曲线。3.根据权利要求1所述的基于DTW和SVM的SiC-GTO器件状态监测方法，其特征在于：在步骤三中，分别定义两时间序列为R、T，并计算两时间序列的匹配距离矩阵Dn×m；将时间序列R和T投影至二维直角平面中，其中R为横轴，T为纵轴，格点(i，j)表示元素ri和tj的交点；求取在二维直角平面中一系列格点所组成的时间弯...

【专利技术属性】
技术研发人员：邢占强，刘利芳，代刚，刘寅宇，杜亦佳，李顺，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51