一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统及方法，包括宽带光源、光纤隔离器、光纤环形器、单模3

【技术实现步骤摘要】
一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统及方法


[0001]本专利技术涉及电力电子设备局部放电测试
，具体涉及一种基于光纤超声传感的高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统及方法。

技术介绍

[0002]SiC MOSFET作为宽禁带功率半导体器件，相比于传统的硅器件具有很多优势，比如工作温度更高、通态损耗更低、开关频率更高和临界击穿场强更大等特点。随着碳化硅功率器件在高压领域应用的逐渐推广，目前针对高压碳化硅功率器件封装的绝缘可靠性的检测方法，还没有成熟统一的形式。现有的电气绝缘局部放电检测手段都是在传统电网电力设备中低频的基础上建立的，面对碳化硅功率器件的高开关频率和内部存在的快脉冲电压，传统的局部放电检测方法会受到严重的电磁干扰，该领域需要跟进研究，提出新的绝缘检测方法和评估策略。
[0003]对于脉冲电流法测量局部放电，其本身属于离线检测方法，需要被测设备脱离运行工况。同时该方法仅适用于工频局部放电的检测。在碳化硅高压功率模块的运行工况下，脉冲电流法存在以下无法解决的问题：耦合电容相当于积分元件，会减缓功率模块关断时的电压上升速度；在电压到稳定期时，耦合电容会充满电，然后在电压下降时会放电，这样导致检测到的局部放电脉冲电流幅值远远大于正常值；功率模块运行工况会引起模块绝缘系统产生高频容性的位移电流，该高频电流会影响局部放电信号的筛选。
[0004]对于特高频法，通过检测周围环境的电磁波来捕获局部放电信号，但面对高压碳化硅功率模块的运行条件，依然无法解决电磁干扰带来的问题。而进一步提高检测频带，虽然可以筛选出更高频带的局部放电信号，但同时局部放电信号会变得非常微弱，整体信噪比并不高，并且会受到通讯信号的影响。除此之外极高的带宽会给采样和信号处理带来很大的压力。
[0005]传统的基于压电陶瓷的超声传感器，其尺寸往往较大，同时受到封装外壳的影响，导致无法应用在空间有限并且处在高压环境的碳化硅功率模块中。另外虽然超声波检测不会受到电磁干扰，但是压电效应会把机械振动信号转换为电信号，此时的电信号会受到高压碳化硅模块和环境的电磁干扰。
[0006]以上检测方法的局限性都是高压碳化硅功率模块绝缘可靠性检测所面临的新问题。

技术实现思路

[0007]本专利技术目的在于提供一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统及方法，以解决高压碳化硅功率模块局部放电难以检测的问题，同时可以对功率模块进行实时在线监测。本专利技术可以针对不同频段的局部放电信号调节光纤传感器本身的尺寸，以获得符合需求的检测信噪比；同时本专利技术不会受到电磁干扰的影响，可以应用在高压领域。
[0008]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0009]一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，包括宽带光源、光纤隔离器、光纤环形器、单模3
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3光纤耦合器、延迟光纤、第一单模1
×
2光纤耦合器、光纤传感器、第二单模1
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2光纤耦合器、光功率计、第一单模光纤、第二单模光纤、第三单模光纤、第四单模光纤、第五单模光纤、第六单模光纤、光纤转接器、光纤转接器、平衡光电探测器、模拟低通滤波器、数据采集卡和上位机；
[0010]所述宽带光源与所述光纤隔离器通过单模光纤直接连接；所述光纤隔离器与所述光纤环形器的端口1通过单模光纤直接连接；所述光纤环形器的端口2与所述单模3
×
3光纤耦合器的一端第二端口通过单模光纤直接连接；所述单模3
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3光纤耦合器的另一端第一端口与所述延迟光纤的一端通过所述第一单模光纤连接；所述延迟光纤的另一端与所述第一单模1
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2光纤耦合器的一端第一端口通过所述第二单模光纤连接；所述单模3
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3光纤耦合器的另一端第三端口与所述第一单模1
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2光纤耦合器的一端第二端口通过所述第三单模光纤连接；所述第一单模1
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2光纤耦合器的另一端端口与所述光纤传感器通过所述第四单模光纤连接；所述光纤传感器的另一端端口与所述第二单模1
×
2光纤耦合器的一端通过所述第五单模光纤连接；所述第二单模1
×
2光纤耦合器另一端的两个端口通过所述第六单模光纤连接；所述光纤环形器的端口3与所述光功率计连接；所述单模3
×
3光纤耦合器的一端第一端口与所述光纤转接器的一端通过单模光纤直接连接；所述单模3
×
3光纤耦合器的一端第三端口与所述光纤转接器的一端通过单模光纤直接连接；所述光纤转接器的另一端与所述平衡光电探测器的输入端口通过单模光纤连接；所述光纤转接器的另一端与所述平衡光电探测器的输入端口通过单模光纤连接；所述平衡光电探测器的三个输出端口与所述模拟低通滤波器的输入端口相连；所述模拟低通滤波器的三个输出端口与所述数据采集卡相连；所述数据采集卡的输出端口与上位机相连。
[0011]进一步地，所述光纤传感器为中心波长1550nm的抗弯折单模光纤绕制成圆形的，在半径为5mm时，每圈光纤产生的宏弯损耗低于0.10dB。
[0012]进一步地，所述光纤隔离器为双模隔离器，隔离度要求不低于55dB。
[0013]进一步地，所述单模3
×
3光纤耦合器为宽带耦合器，工作带宽范围不小于50nm，并且所述单模3
×
3光纤耦合器的分光比是1:1:1。
[0014]进一步地，所述第一单模1
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2光纤耦合器和第二单模1
×
2光纤耦合器为宽带耦合器，工作带宽范围不小于50nm，并且所述第一单模1
×
2光纤耦合器和第二单模1
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2光纤耦合器的分光比是50:50。
[0015]进一步地，所述光纤环形器具有以下特点：从端口1输入的信号能够从端口2低损耗输出，从端口2输入的信号能够从端口3低损耗输出。
[0016]一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测方法，包括以下步骤：
[0017]步骤1：令所述光纤传感器的直径R小于功率模块内部介质声波波长λ；
[0018]步骤2：将所述光纤传感器放置于功率模块内部灌封胶的表面，并均匀涂抹声耦合剂；
[0019]步骤3：开启所述宽带光源，功率模块内部局部放电超声信号对经过所述光纤传感器的光波进行调制，调制后的光波在所述单模3
×
3光纤耦合器内部进行干涉，并将包含相位变化的信号传输给所述平衡光电探测器，所述平衡光电探测器将包含相位变化的光信号转化为电压信号；
[0020]步骤4：所述平衡光电探测器输出的电压信号经过所述模拟低通滤波器的抗混叠滤波后，变为U1,U2和U3三路信号；U1,U2和U3传输到所述数据采集卡，所述数据采集卡中运行信号处理算法解调出原始局部放电超声信号；
[0021]步骤5：计算出测量得到的局部放电超声信号的峰值信噪比，同时绘制功率密度谱，结合功率密度谱的频率分布，判断信噪比是否满足需求；若需要频率本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，包括宽带光源(1)、光纤隔离器(2)、光纤环形器(3)、单模3
×
3光纤耦合器(4)、延迟光纤(5)、第一单模1
×
2光纤耦合器(6)、光纤传感器(7)、第二单模1
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2光纤耦合器(8)、光功率计(9)、第一单模光纤(10)、第二单模光纤(11)、第三单模光纤(12)、第四单模光纤(13)、第五单模光纤(14)、第六单模光纤(15)、光纤转接器(16)、光纤转接器(17)、平衡光电探测器(18)、模拟低通滤波器(19)、数据采集卡(20)和上位机(21)；所述宽带光源(1)与所述光纤隔离器(2)通过单模光纤直接连接；所述光纤隔离器(2)与所述光纤环形器(3)的端口1通过单模光纤直接连接；所述光纤环形器(3)的端口2与所述单模3
×
3光纤耦合器(4)的一端第二端口通过单模光纤直接连接；所述单模3
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3光纤耦合器(4)的另一端第一端口与所述延迟光纤(5)的一端通过所述第一单模光纤(10)连接；所述延迟光纤(5)的另一端与所述第一单模1
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2光纤耦合器(6)的一端第一端口通过所述第二单模光纤(11)连接；所述单模3
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3光纤耦合器(4)的另一端第三端口与所述第一单模1
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2光纤耦合器(6)的一端第二端口通过所述第三单模光纤(12)连接；所述第一单模1
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2光纤耦合器(6)的另一端端口与所述光纤传感器(7)通过所述第四单模光纤(13)连接；所述光纤传感器(7)的另一端端口与所述第二单模1
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2光纤耦合器(8)的一端通过所述第五单模光纤(14)连接；所述第二单模1
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2光纤耦合器(8)另一端的两个端口通过所述第六单模光纤(15)连接；所述光纤环形器(3)的端口3与所述光功率计(9)连接；所述单模3
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3光纤耦合器(4)的一端第一端口与所述光纤转接器(16)的一端通过单模光纤直接连接；所述单模3
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3光纤耦合器(4)的一端第三端口与所述光纤转接器(17)的一端通过单模光纤直接连接；所述光纤转接器(16)的另一端与所述平衡光电探测器(18)的输入端口通过单模光纤连接；所述光纤转接器(17)的另一端与所述平衡光电探测器(18)的输入端口通过单模光纤连接；所述平衡光电探测器(18)的三个输出端口与所述模拟低通滤波器(19)的输入端口相连；所述模拟低通滤波器(19)的三个输出端口与所述数据采集卡(20)相连；所述数据采集卡(20)的输出端口与上位机(21)相连。2.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，所述光纤传感器(7)为中心波长1550nm的抗弯折单模光纤绕制成圆形的，在半径为5mm时，每圈光纤产生的宏弯损耗低于0.10dB。3.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电检测系统，其特征在于，所述光纤隔离器(5)为双模隔离...

【专利技术属性】
技术研发人员：王来利，王海骅，闫飞飞，马定坤，袁天舒，张哲维，马良俊，聂延，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：