一种电力电子器件状态信息在线监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电力电子器件状态信息在线监测方法及系统，涉及电力电子设备监测领域，包括：基于温敏电参数的结温估计法，确定电力电子器件的第一估计结温；基于器件功率端子温度的结温估计法，确定电力电子器件的第二估计结温；基于壳温的结温估计法，确定电力电子器件的第三估计结温；基于第一估计结温、第二估计结温以及第三估计结温，实时在线监测电力电子器件的状态信息。本发明专利技术能够实时准确监测电力电子器件状态信息。电力电子器件状态信息。电力电子器件状态信息。

【技术实现步骤摘要】
一种电力电子器件状态信息在线监测方法及系统


[0001]本专利技术涉及电力电子设备监测领域，特别是涉及一种电力电子器件状态信息在线监测方法及系统。

技术介绍

[0002]世界上大部分的电能，例如电动汽车驱动设备、轨道交通牵引设备、新能源发电设备、通讯电源设备等中的电能，均通过电力电子器件进行变换与控制的。电力电子器件几乎是所有电气设备中最容易出现故障的部件，因此在线监测电力电子器件的可靠性状态或老化演进状态，对掌握电力电子器件状态信息、保障运行安全、实现电气设备健康管理/寿命管理具有重要意义。
[0003]电力电子器件的可靠性状态或老化演进状态监测，一直是国内外电力电子设备研究的热点。综合目前国内外研究的电力电子设备状态监测方法，可以大致概括为：基于器件端部外接传感器和电路的方法，基于器件端部特性的方法以及基于模型的方法。
[0004]基于器件端部外接传感器和电路的方法，如在IGBT的发射极引线处引出一个端子以用来接入外界电阻等辅助测量电路，可对IGBT引线脱落故障进行监测。如在IGBT的发射极引线端子两侧并联电阻，利用电阻上电压降发生的变化来触发辅助电路并发出警报。这类基于器件端部外接传感器和电路的方法虽然能够有效监测故障的发生，但辅助电路和/或传感器元件的引入会改变换流器IGBT内部的结构布局，并且辅助电路和/或传感器元件的功率损耗也会影响电力电子设备状态检测的准确性。
[0005]基于器件端部特性的方法，如通过电热加载实验，研究疲劳前后电力电子器件的通态压降、跨导、栅极门槛电压随温度变化的特性，以此推断电力电子器件的老化情况。但在实际应用中，由于电力电子器件大多封装在模块中，通态压降、跨导、栅极门槛电压等端部特性很难直接测量，并且由于测量误差、信号变化微弱等因素，即这类基于器件端部特性的方法的精确测量十分困难，限制了实际工程应用。
[0006]基于模型的方法，如热阻模型法，通过分析电力电子器件在整个运行范围内功率损耗的变化来估计电力电子器件内部热阻的变化，从而判断芯片下焊料层疲劳的程度；如结温模型法，利用电力电子器件老化与结温变化的特征关系，推断电力电子器件老化情况；如热阻模型与结温模型相结合的方法，比较结温模型和热阻模型获得的两个结温参数的大小，判断电力电子器件的老化种类。但是这类基于模型的方法可能引入了一定误差，导致测量精度不准，此外对相应的热阻模型和/或结温模型的精度要求较高。
[0007]综上所述，基于器件端部外接传感器和电路的方法需考虑传感器测量误差和其对硬件结构的影响，基于器件端部特性的方法不宜实现在线测量，基于模型的方法则对模型精度以及算法均提出了较高的要求。

技术实现思路

[0008]本专利技术的目的是提供一种电力电子器件状态信息在线监测方法及系统，以达到实
时准确监测电力电子器件状态信息的目的。
[0009]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0010]一种电力电子器件状态信息在线监测方法，包括：
[0011]基于温敏电参数的结温估计法，确定电力电子器件的第一估计结温；所述电力电子器件包括芯片、功率端子以及芯片下焊料层；
[0012]基于器件功率端子温度的结温估计法，确定所述电力电子器件的第二估计结温；
[0013]基于壳温的结温估计法，确定所述电力电子器件的第三估计结温；
[0014]基于所述第一估计结温、所述第二估计结温以及所述第三估计结温，实时在线监测所述电力电子器件的状态信息；所述状态信息包括芯片发生老化、芯片未发生老化、键合线发生老化、键合线未发生老化、芯片下焊料层发生老化和芯片下焊料层未发生老化。
[0015]可选的，所述基于温敏电参数的结温估计法，确定电力电子器件的第一估计结温，具体包括：
[0016]获取电力电子器件的温敏电参数；
[0017]根据温敏特性关系和所述温敏电参数，在线估计所述电力电子器件的第一估计结温；所述温敏特性关系为所述温敏电参数与结温的映射关系。
[0018]可选的，所述基于器件功率端子温度的结温估计法，确定所述电力电子器件的第二估计结温，具体包括：
[0019]获取所述电力电子器件中的芯片至功率端子的热阻网络参数；
[0020]获取所述电力电子器件的功率端子温度；
[0021]计算所述电力电子器件的对应第二估计结温的损耗；所述对应第二估计结温的损耗是根据电力电子装置的运行工作点信息确定的；所述电力电子器件安装在所述电力电子装置上；
[0022]根据公式T
B
＝P
B
*Z
th_jt
+T
t
确定所述电力电子器件的第二估计结温；
[0023]其中，T
B
表示第二估计结温，P
B
表示对应第二估计结温的损耗，T
t
表示功率端子温度，Z
th_jt
表示芯片至功率端子的热阻网络参数。
[0024]可选的，所述基于壳温的结温估计法，确定所述电力电子器件的第三估计结温，具体包括：
[0025]获取所述电力电子器件中的芯片至焊料层的热阻网络参数；
[0026]获取所述电力电子器件的壳温；所述壳温为电力电子器件的外壳或者铜底板的温度；
[0027]计算所述电力电子器件的对应第三估计结温的损耗；所述对应第三估计结温的损耗是根据电力电子装置的运行工作点信息确定的；所述电力电子器件安装在所述电力电子装置上；
[0028]根据公式T
C
＝P*Z
th_jc
+T
case
确定所述电力电子器件的第三估计结温；
[0029]其中，T
C
表示第三估计结温，P表示对应第三估计结温的损耗，T
case
表示壳温，Z
th_jc
表示芯片至焊料层的热阻网络参数。
[0030]可选的，所述基于所述第一估计结温、所述第二估计结温以及所述第三估计结温，实时在线监测所述电力电子器件的状态信息，具体包括：
[0031]当所述第一估计结温与所述第二估计结温之间的差值在设定区间时，确定所述电
力电子器件的状态信息为芯片未发生老化和键合线未发发生老化；
[0032]当所述第一估计结温与所述第二估计结温之间的差值大于所述设定区间的最大值时，确定所述电力电子器件的状态信息为芯片发生老化；
[0033]当所述第一估计结温与所述第二估计结温之间的差值小于所述设定区间的最小值时，确定所述电力电子器件的状态信息为键合线发生老化；
[0034]当所述第二估计结温与所述第三估计结温之间的差值小于或者等于设定阈值时，确定所述电力电子器件的状态信息为芯片下焊料层未发生老化；
[0035]当所述第二估计结温与所述第三估计结温之间的差值大于所述设定阈值时，确定所述电力电子器件的状态信息为芯片下焊料层发生老化。
[0036]一种电力电子器本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种电力电子器件状态信息在线监测方法，其特征在于，包括：基于温敏电参数的结温估计法，确定电力电子器件的第一估计结温；所述电力电子器件包括芯片、功率端子以及芯片下焊料层；基于器件功率端子温度的结温估计法，确定所述电力电子器件的第二估计结温；基于壳温的结温估计法，确定所述电力电子器件的第三估计结温；基于所述第一估计结温、所述第二估计结温以及所述第三估计结温，实时在线监测所述电力电子器件的状态信息；所述状态信息包括芯片发生老化、芯片未发生老化、键合线发生老化、键合线未发生老化、芯片下焊料层发生老化和芯片下焊料层未发生老化。2.根据权利要求1所述的一种电力电子器件状态信息在线监测方法，其特征在于，所述基于温敏电参数的结温估计法，确定电力电子器件的第一估计结温，具体包括：获取电力电子器件的温敏电参数；根据温敏特性关系和所述温敏电参数，在线估计所述电力电子器件的第一估计结温；所述温敏特性关系为所述温敏电参数与结温的映射关系。3.根据权利要求1所述的一种电力电子器件状态信息在线监测方法，其特征在于，所述基于器件功率端子温度的结温估计法，确定所述电力电子器件的第二估计结温，具体包括：获取所述电力电子器件中的芯片至功率端子的热阻网络参数；获取所述电力电子器件的功率端子温度；计算所述电力电子器件的对应第二估计结温的损耗；所述对应第二估计结温的损耗是根据电力电子装置的运行工作点信息确定的；所述电力电子器件安装在所述电力电子装置上；根据公式T
B
＝P
B
*Z
th_jt
+T
t
确定所述电力电子器件的第二估计结温；其中，T
B
表示第二估计结温，P
B
表示对应第二估计结温的损耗，T
t
表示功率端子温度，Z
th_jt
表示芯片至功率端子的热阻网络参数。4.根据权利要求1所述的一种电力电子器件状态信息在线监测方法，其特征在于，所述基于壳温的结温估计法，确定所述电力电子器件的第三估计结温，具体包括：获取所述电力电子器件中的芯片至焊料层的热阻网络参数；获取所述电力电子器件的壳温；所述壳温为电力电子器件的外壳或者铜底板的温度；计算所述电力电子器件的对应第三估计结温的损耗；所述对应第三估计结温的损耗是根据电力电子装置的运行工作点信息确定的；所述电力电子器件安装在所述电力电子装置上；根据公式T
C
＝P*Z
th_jc
+T
case
确定所述电力电子器件的第三估计结温；其中，T
C
表示第三估计结温，P表示对应第三估计结温的损耗，T
case
表示壳温，Z
th_jc
表示芯片至焊料层的热阻网络参数。5.根据权利要求1所述的一种电力电子器件状态信息在线监测方法，其特征在于，所述基于所述第一估计结温、所述第二估计结温以及所述第三估计结温，实时在线监测所述电力电子器件的状态信息，具体包括：当所述第一估计结温与所述第二估计结温之间的差值在设定区间时，确定所述电力电子器件的状态信息为芯片未发生老化和键合线未发发生老化；当所述第一估计结温与所述第二估计结温之间的差值大于所述设定区间的最大值时，
确定所述电力电子器件的状态信息为芯片发生老化；当所述第一估计结温与所述第二估计结温之间的差值小于所述设定区间的最小值时，确定所述电力电子器件的状态信息为键合线发生老化；当所述第二估计结温与所述第三估计结温之间的差值小于或者等于设定阈值时，确定所述电力电子器件的状态信息为芯片下焊料层未发生老化；当所述第二估计结温与所述第三估计结温之间的差值大于所述设定阈值时，确定所述电力电子器件的状态信息为芯片下焊料层发生老化。6.一种电力电子器件状态信息在线监测系统，其特征在于，包括：第一估计结温确定模块，用于基于温敏电参数的结温估计法，确定电力电子器件的第一估计结温；所述电力电子器件包括芯片、功率...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晖，宋澜，王钰，
申请(专利权)人：阆芯上海电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：