[发明专利]功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统

说明书

本发明公开了一种功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统，包括：电压电流检测单元、器件开关特性计算单元、结温‑开关特性‑电流关系表单元、结温及结温变化率估计单元、故障演变状态及分类判别单元。本发明系统利用电力电子系统的外部可测量信号，通过对特征参数的选择和提取，实现对功率半导体器件的在线状态监测和故障判定，具有实施简便、准确性高的优点。

技术领域

本发明属于电性能的测试以及电故障判定领域，具体涉及功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统。

背景技术

随着世界各国经济的不断发展，各行业迫切需要基于电力电子技术的能量变换装置。目前，电力电子系统已有非常广泛的应用案例，例如变频调速、电能质量控制、机载牵引、风电和光伏并网发电、分布式独立电力系统、大型冶炼等领域，其应用范围不断扩大。通常，电力电子装置在不同类型的系统中完成电能变换的功用，是基于电能变换的系统中最为关键的部件，故该装置对系统整体性能起着异常重要的影响作用。如果系统中电力电子装置先兆失效症状出现，且未能快速地有效地完成系统失效过程的预测并采取实时的有效的维护措施，则可能造成严重的后果和巨额的经济损失。电力电子系统的失效常常是因为系统中实现换流功能的功率半导体器件的电应力、热应力或机械应力等因素引起。因此，对于应用电力电子装置的不同行业及领域的系统来讲，监测功率半导体器件的健康状态对提高电力电子系统的整体的可靠性具有重要的意义。

电力电子系统中功率半导体器件的状态监测和故障判定的研究还处于初期阶段。目前，现有技术主要利用传感器监测功率半导体器件各种电参数实现器件健康状态评估与故障判定，常用的器件电参数包括器件通态压降、电压变化率、门极开启电压、米勒平台宽度等，但是，现有技术面临以下两方面的挑战：一方面，由于半导体器件的高功率密度，在器件内部嵌入传感器非常困难；另一方面，这些器件参数往往受多因素影响，难以直接反映器件故障情况，特别是不断变化的电力电子系统运行工况(电压、电流、频率、环境温度)往往造成器件参数明显波动，使得器件故障引起的参数微弱变化难以发现，影响了故障判定的准确性。以监测IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)通态压降来判定键合线故障为例：从空载到满载，IGBT通态电压将在0.5V～1.5V范围内明显变化；而温度变化也会引起通态压降变化(约10％)；但键合线故障引起通态压降的变化仅为5％(典型值)，这样微弱的通态压降的变化难以被发现。可见，选择合适的故障特征参数以及故障特征提取方法是功率半导体器件的状态监测和故障判定技术中的基础及难点，关于这一问题的研究对于提高电力电子电路的可靠性非常关键。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统，利用电力电子系统的外部可测量信号，通过对特征参数的选择和提取，实现对功率半导体器件的在线状态监测和故障判定，具有实施简便、准确性高的优点。

为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：

一种功率半导体器件的在线状态监测和故障判定系统，包括：电压电流检测单元、器件开关特性计算单元、结温-开关特性-电流关系表单元、结温及结温变化率估计单元、故障演变状态及分类判别单元，其中，所述电压电流检测单元与所述器件开关特性计算单元相连，所述电压电流检测单元与所述结温及结温变化率估计单元相连，所述器件开关特性计算单元与所述结温及结温变化率估计单元相连，所述结温-开关特性-电流关系表单元与所述结温及结温变化率估计单元相连，所述结温及结温变化率估计单元与所述故障演变状态及分类判别单元相连。

在本发明的一些具体实施例中，所述电压电流检测单元用于检测功率半导体器件的电流和电压量。