[0001] 本发明涉及电力电子器件的可靠性领域，特别涉及一种IGBT模块在线监测系统及在线监测方法。

[0002] 绝缘栅双极型晶体管(英文表达为Insulated Gate Bipolar Transistor，简称为IGBT)，是一种既综合功率场效应晶体管所具备的开关速度快、驱动功率小、驱动电路简单、输入阻抗高等等的优点，又综合双极型功率晶体管所具备的饱和压降低、承受电流大等等的优点的器件。IGBT在电力电子系统如可再生能源发电系统、电力输电系统、风力发电等各个场合都广泛实现与应用。随着其工作电压、电流、功率等级的升高，其应用的运行环境也会变得恶劣，相关调查表明，超过30％的电力电子系统故障都是由于IGBT模块故障所造成的，因此这对器件的可靠性也提出更加严格的需求。

[0003] 据工程师的反馈，即使IGBT功率模块在生产后已经进行离线测试及模拟工况下的加速老化试验，这些都通过测试标准的模块在应用到现场后，也会发生未知原因的大批量损坏，已损坏的模块也无法确认故障产生的原因，这为系统运行的可靠性的提升带来新的挑战。在这种情况下，需要寻求一种能够实现IGBT的在线状态监测、故障诊断与评估的有效方法，提高功率变换器运行管理的自检水平，提高其可靠性。IGBT功率模块在现场环境下的在线监测，是其变换器健康管理与可靠性评估的重要环节。

[0004] 题为“NPC型三电平逆变器可靠性在线监测系统及方法”的中国发明专利文献(CN105337523B)介绍了较为完整的3LNPC逆变器在线监测系统及方法，但是其在线监测系统包括体积笨重的电压采集卡、LABVIEW单元，且监测系统的供电单元由直流电源提供，大大增加了系统的体积，使得系统不易做到逆变器现场运行时的原位监测。且该方法只涉及每相内侧两个IGBT模块的监测，而对外侧两个IGBT的监测却没有涉及；

[0005] 题为“一种IGBT在线检测装置”的中国发明专利文献(CN207832955U)提供了一种IGBT在线检测装置，结构简单，体积小，携带方便，但是没有具体说明实现在线监测的时候，与IGBT所在设备的协调配合。

[0006] 综上，现有的IGBT模块在线监测系统具有以下问题：

[0007] 1)没有考虑监测系统与待测系统之间的协调配合；

[0008] 2)没有考虑在线监测系统的集成性，现有监测系统体积过大，不易携带；

[0009] 3)只关注了三电平NPC逆变器各相桥臂内侧两个IGBT模块的监测，却没有涉及外侧两个IGBT模块的监测。

[0063] 下面结合附图，对本发明进行进一步说明。

[0064] 图1为本发明涉及的待测IGBT模块所在的三电平NPC逆变器拓扑图。由图1可见，本发明涉及的待测IGBT模块位于三电平NPC逆变器中，所述三电平NPC逆变器包括一个直流侧电源E、两个相同的直流侧电容、三相逆变主电路、一个三相负载电阻和一个三相负载电感。所述直流侧电源E处的电压记为直流侧电压Udc，两个直流侧电容分别记为直流侧电容CH和直流侧电容CL，所述直流侧电容CH和直流侧电容CL串联后并联在直流侧电源E的直流正母线P和直流负母线Q之间，直流侧电容CH和直流侧电容CL的连接点记为中性点O。

[0065] 所述三相逆变主电路分为三相桥臂，三相桥臂均与直流侧电源E并联，且三相桥臂拓扑完全相同，将三相桥臂分别记为k相桥臂，k表示相序，k＝A，B，C；在三相桥臂中，每相桥臂包括4个IGBT模块，将4个IGBT模块记为开关器件Ski，i表示开关器件的序号，i＝1，2，3，4；在三相桥臂中，每相桥臂包括2个钳位二极管，将2个钳位二极管记为钳位二极管Dkj，j表示钳位二极管的序号，j＝1，2。

[0066] 所述开关器件Sk1、开关器件Sk2、开关器件Sk3、开关器件Sk4依次串联，钳位二极管Dk1的阳极连接中性点O、阴极连接开关器件Sk2的集电极，钳位二极管Dk2的阳极连接开关器件Sk3的发射极、阴极连接中性点O；k相桥臂与直流正母线P的连接点记为连接点δk1，开关器件Sk1与开关器件Sk2的连接点记为连接点δk2，开关器件Sk2与开关器件Sk3的连接点记为连接点δk3，开关器件Sk2与开关器件Sk4的连接点记为连接点δk4，k相桥臂与直流负母线Q的连接点记为连接点δk5，k表示相序，k＝A，B，C。

[0067] 所述三相负载电阻记为电阻Rk、三相负载电感记为电感Lk，电阻Rk的一端与连接点δk3相连，另一端和电感Lk相连，电感Lk的另一端接地；三电平NPC逆变器由控制器DSP I 10控制。

[0068] 图2为本发明实施例中IGBT模块在线监测系统示意图，图3为本发明实施例中继电器选择模块的连接及控制示意图，图4为本发明实施例中监测电流注入模块的电路结构图。由图2‑图4可见，本发明所述的IGBT模块在线监测系统包括控制器DSP I 10、控制器DSP II 
20、电源转换模块30、继电器选择模块40、监测电流注入模块50、通信模块60、电压采样模块
70、上位机80，整个监测系统由控制器DSP II 20统一协调控制。

[0069] 在本实施例中，所述控制器DSP II 20、继电器选择模块40、监测电流注入模块50、通信模块60、电压采样模块70集成到一块供电板上，供电板为电源转换模块30所在电路板。

[0070] 所述监测系统控制器DSP I 10包括通用输出口To4和通用输入口Tr2。

[0071] 所述监测系统控制器DSP II 20包括外设功能引脚SCIRXDA、外设功能引脚SCITXDA、通用输出口Tok1、通用输出口Tok2、通用输出口Tok3、通用输出口To1、通用输出口To2、通用输出口To3、通用输入口Tr1、采样输入口Tck1、采样输入口Tck2、采样输入口Tck3、采样输入口Tck4，k表示相序，k＝A，B，C。

[0072] 所述电源转换模块30包括两个直流电压转换电路，记为第一直流电压转换电路31和第二直流电压转换电路32，两个直流电压转换电路的输入端均与三电平NPC逆变器直流侧电源E两端电压Udc相接。

[0073] 所述继电器选择模块40包括A相继电器选择子模块、B相继电器选择子模块、C相继电器选择子模块，每相继电器选择子模块的结构相同；设三相继电器选择子模块中的任意一相为k相继电器选择子模块，在k相继电器选择子模块中有四组继电器，包括4个双触点继电器和4个单触点继电器，4个双触点继电器分别记为双触点继电器SPDT1k、双触点继电器SPDT2k、双触点继电器SPDT3k、双触点继电器SPDT4k，4个单触点继电器分别记为单触点继电器SPST1k、单触点继电器SPST2k、单触点继电器SPST3k、单触点继电器SPST4k，k表示相序，k＝A，B，C。

[0074] 所述监测电流注入模块50包括大电流支路51、小电流支路52和大电流接口53，所述大电流支路51由大电压供电接口UH、监测电感Lm、开关器件S1、二极管D1依次串联组成，续流二极管Dm并联在监测电感Lm两端；所述小电流支路52由100mA小电流源IL、开关器件S2、二极管D2依次串联组成，其中100mA小电流源IL由线性稳压芯片LT3080产生；将大电流支路51与小电流支路52并联，并将并联后的电路称为干路，并联后右端的干路连接大电流接口53的负极GND，左端的干路上先串联一个电流传感器N，电流传感器N的另一端端连接大电流接口53的正极I；将大电流接口53的负极GND记为负极GND、大电流接口53的正极I记为正极I。

[0075] 所述通信模块60包括SCI通信电路61、第一串口通信电路62、第二串口通信电路63。

[0076] 所述电压采样模块70包括A相电压采样子模块、B相电压采样子模块、C相电压采样子模块，每相子模块由相同的四路差分采样电路构成，分别记为差分采样电路1、差分采样电路2、差分采样电路3、差分采样电路4。

[0077] 所述控制器DSP II 20、继电器选择模块40、监测电流注入模块50、通信模块60、电压采样模块70上均设有一个小电压供电接口UL。

[0078] 所述第一直流电压转换电路31的输出端接监测电流注入模块50的大电压供电接口UH；所述第二直流电压转换电路32输出端分别与控制器DSPII20、继电器选择模块40、监测电流注入模块50、通信模块60、电压采样模块70中的小电压供电接口UL相接。

[0079] 所述k相继电器选择子模块中，双触点继电器SPDT1k左端的两个触点分别接连接点δk1和连接点δk2、右端接单触点继电器SPST1k的左端，单触点继电器SPST1k的右端接正极I；双触点继电器SPDT2k左端的两个触点分别接连接点δk2和连接点δk3、右端接单触点继电器SPST2k的左端，单触点继电器SPST2k的右端接负极GND；双触点继电器SPDT3k左端的两个触点分别接连接点δk3和连接点δk4、右端接单触点继电器SPST3k的左端，单触点继电器SPST3k的右端接正极I；双触点继电器SPDT4k左端的两个触点分别接连接点δk4和连接点δk5、右端接单触点继电器SPST4k的左端，单触点继电器SPST4k的右端接负极GND。

[0080] 所述k相电压采样子模块中，差分采样电路1的正输入端接连接点δk1，负输入端接连接点δk2，输出端接控制器DSP II 20的采样输入口Tck1；差分采样电路2的正输入端接连接点δk2，负输入端接连接点δk3，输出端接控制器DSP II 20的采样输入口Tck2；差分采样电路3的正输入端接在连接点δk3，负输入端接连接点δk4，输出端接控制器DSP II 20的采样输入口Tck3；差分采样电路4的正输入端接在连接点δk4，负输入端接连接点δk5，输出端接控制器DSP II 20的采样输入口Tck4。

[0081] 所述双触点继电器SPDT1k、双触点继电器SPDT2k、双触点继电器SPDT3k、双触点继电器SPDT4k由控制器DSP II 20的通用输出口Tok1控制，所述单触点继电器SPST1k，、单触点继电器SPST2k由控制器DSP II 20的通用输出口Tok2控制，单触点继电器SPST3k、单触点继电器SPST4k由控制器DSP II 20的通用输出口Tok3控制。

[0082] 所述开关器件S1由控制器DSP II 20的通用输出口To1控制，开关器件S2由控制器DSP II 20的通用输出口To2控制。

[0083] 所述SCI通信电路61的一端连接上位机80的USB口，另一端分别接控制器DSP II 20的外设功能引脚SCIRXDA和外设功能引脚SCITXDA；第一串口通信电路62的输入端接控制器DSP I 10的通用输出口To4，输出端接控制器DSP II 20的通用输入口Tr1；第二串口通信电路63的输入端接控制器DSP II 20的通用输出口To3，输出端接控制器DSP I 10的通用输入口Tr2。

[0084] 本发明还提供了一种IGBT模块在线监测方法，采用如前所述的一种IGBT模块在线监测系统，其流程图见图8。由图8可见，包括以下步骤：

[0085] 步骤1，饱和压降‑温度曲线的拟合

[0086] 在离线状态下，将健康的IGBT模块放入恒温箱，控制其温度Tj在20℃‑120℃中变化，且每隔20℃进行10次大电流下饱和压降VCEHO的测量，计算10次大电流下饱和压降VCEHO的平均值，并记为大电流下饱和压降平均值VCEH，VCEH＝VCEHO/10，通过实验，共得到6个大电流下饱和压降平均值VCEH，以温度Tj为X轴、大电流下饱和压降平均值VCEH为Y轴，在平面坐标系中绘制出一条曲线，并记为VCEH‑Tj健康曲线。

[0087] 在离线状态下，将健康的IGBT模块放入恒温箱，控制其温度Tj在20℃‑120℃中变化，且每隔20℃进行10次小电流下饱和压降VCEL0的测量，计算10次小电流下饱和压降VCELO的平均值，并记为小电流下饱和压降平均值VCEL，VCEL＝VCEL0/10，通过实验，共得到6个小电流下饱和压降平均值VCEL，以温度Tj为X轴、小电流下饱和压降平均值VCEL为Y轴，在平面坐标系中绘制出一条曲线，并记为VCEL‑Tj健康曲线。

[0088] 实验表明，当IGBT模块失效时，则VCEH‑Tj健康曲线中6个点的大电流饱和压降平均值VCEH会增加5％，即当IGBT模块失效时的VCEH‑Tj曲线位置会整体向上漂移5％，而VCEL‑Tj健康曲线的位置不变；将整体向上漂移5％的VCEH‑Tj曲线记为VCEH‑Tj失效曲线。

[0089] 图5为本发明实施例中绘制的VCEH‑Tj健康曲线和失效曲线，图6为本发明实施例中绘制的VCEL‑Tj健康曲线。图5和图6中，将VCEH‑Tj健康曲线记为曲线1、VCEL‑Tj健康曲线记为曲线2、VCEH‑Tj失效曲线记为曲线3。

[0090] 步骤2，监测条件的预设

[0091] 在一个调制波周期中，预先设定一个监测开始时刻tm，监测开始时刻tm到，启动一轮在线监测，即所述在线监测系统依次对三相逆变主电路中的各个桥臂的开关器件进行状态监测，其中，对任意一个桥臂的任意一个开关器件进行监测的过程见步骤3‑步骤9。

[0092] 步骤3，人为控制上位机80通过SCI通信电路61向监测系统控制器DSP II 20发送监测指令1、监测指令2、监测指令3、监测指令4，所述监测指令1决定待监测开关器件的相序和开关器件的序号，所述监测指令2决定在一个调制波周期中的监测开始时刻tm，所述监测指令3决定监测时长Δt，0＜Δt＜W，W为一个调制波周期的时长，所述监测指令4决定监测次数m；设待监测开关器件的相序为k，开关器件的序号为i，即待监测的桥臂为k相桥臂，待监测的开关器件为开关器件Ski。

[0093] 步骤4，当控制器DSP II20接收到监测指令1后，首先控制继电器选择模块40中的双触点继电器的触点和单触点继电器触点向上释放或向下吸合，具体的，将连接点δki经与正极I连接起来、将连接点δk(i+1)与负极GND连接起来；同时，控制器DSP II 20通过第二串口通信电路63将监测指令2、监测指令3、监测指令4传递给控制器DSP I 10。

[0094] 步骤5，控制器DSP I 10收到监测指令2、监测指令3、监测指令4后，通过定时器计数确定时刻，当在一个调制波周期内运行到监测开始时刻tm时，将待监测的k相桥臂的输出电压修改为零电平，零电平持续时间为监测时长Δt，同时，其他两相桥臂的调制波也加上k相桥臂的调制波变化量，保持这一时段内三相平衡，且：

[0095] 若待监测开关器件为开关器件Sk2、开关器件Sk3，则DSP I 10控制k相桥臂输出零电平时开关器件Sk1、开关器件Sk2、开关器件Sk3、开关器件Sk4的状态分别为关断、开通、开通、关断；当待监测的k相的负载电流从中性点O流经钳位二极管Dk1、开关器件Sk2流向电阻Rk和电感Lk时，进行开关器件Sk3的监测；当待监测的k相的负载电流从电阻Rk流经电感Lk、开关器件Sk3、钳位二极管Dk2流向中性点O时，进行开关器件Sk2的监测；

[0096] 若待监测开关器件为开关器件Sk1，则DSP I 10控制k相桥臂输出零电平时开关器件Sk1、开关器件Sk2、开关器件Sk3、开关器件Sk4的状态分别为开通、关断、开通、关断；此时待监测的k相的负载电流从电阻Rk流经电感Lk、开关器件Sk3、钳位二极管Dk2流向中性点O；

[0097] 若待监测开关器件为开关器件Sk4，则则DSP I 10控制k相桥臂输出零电平时开关器件Sk1、开关器件Sk2、开关器件Sk3、开关器件Sk4的状态分别为关断、开通、关断、开通；此时，待监测的k相的负载电流从中性点O流经钳位二极管Dk1、开关器件Sk2流向电阻Rk和电感Lk。

[0098] 步骤6，当待监测相调制波开始修改为零电平时，控制器DSP I 10通过第一串口通信电路62向控制器DSP II 20反馈一个同步信号，控制器DSP II 20接收到同步信号后，即通过通用输出口To1开通大电流支路51中的开关器件S1、通过通用输出口To2开通小电流支路52中的开关器件S2，并启动电流传感器N对干路电流I进行监测。

[0099] 步骤7，设干路电流预设值为I0，通过电流传感器N进行以下监测：

[0100] 当98％I0≤I＜I0时，控制器DSP II 20控制其采样输入口Tcki工作，采样10次大电流下的饱和压降，并保存其平均值，将该平均值记为大电流饱和压降监测平均值VCEH′；

[0101] 当I＝I0时，控制器DSP II 20通过通用输出口To1关断大电流支路51中的开关器件S1，在开关器件S2继续开通的状态下采样10次小电流下的饱和压降并保存其平均值，将该平均值记为小电流饱和压降监测平均值VCEL′，当小电流持续注入0.1ms后，通过通用输出口To2关断开关器件S2。

[0102] 步骤8，根据监测指令4给定的监测次数m，在m个调制波周期中重复进行步骤5‑步骤7，共得到m个大电流饱和压降监测平均值VCEH′和m个小电流饱和压降监测平均值VCEL′，将m个大电流饱和压降监测平均值VCEH′再取平均值得到第一监测压降值VCEHZ，将m个小电流饱和压降监测平均值VCEL′再取平均值得到第二监测压降值VCELZ，通过SCI通信电路61将第一监测压降值VCEHZ和第二监测压降值VCELZ传输至上位机80。

[0103] m次在线监测完成后，控制器DSP I 10将待监测的k相桥臂的三相调制波恢复到正弦波状态，控制器DSP II 20将继电器选择模块40中的相关继电器断开，具体的，将连接点δki与正极I断开，将连接点δk(i+1)与负极GND断开。

[0104] 步骤9，根据第二监测压降值VCELZ，上位机80在VCEL‑Tj健康曲线上找到对应的温度，将该温度记为监测温度Tj′，再根据第一监测压降值VCEHZ和监测温度Tj′在VCEH‑Tj健康曲线所在的平面坐标系中找到对应的点F，若点F落在VCEH‑Tj失效曲线上或者落在VCEH‑Tj失效曲线的上方，认定待监测的开关器件Ski失效。

[0105] 为佐证本发明的效果，对本发明监测方法进行了仿真。图7为本发明实施例中，选择待监测开关器件为开关器件SA3时逆变器的三相调制波波形图。其中，fa(ωt)、fb(ωt)、fc(ωt)分别为A相调制波、B相调制波和C相调制波。由图7可见，A相调制波fa(ωt)在每个调制波周期开始0.002s后被修改为零，使得A相电压输出零电平，且零电平持续时间为0.8ms，该过程重复了5次，在这5次零电平期间，开关器件SA1、开关器件SA2、开关器件SA3、开关器件SA4的状态分别为关断、开通、开通、关断，若A相的负载电流从中性点O流经钳位二极管DA1、开关器件SA2流向电阻RA和电感LA，则可以监测处于开通状态但不属于负载电流回路的开关器件SA3。