[发明专利]一种IGBT模块封装老化在线健康管理方法及系统

说明书

一种IGBT模块封装老化在线健康管理方法及系统，包括以下步骤：（1）使用电流传感器测量并记录每个IGBT模块开通时，集电极电流的上升率；（2）将采集到的电流上升率代入到仿真模型当中得到电流上升畸变率；（3）根据电流上升畸变率和外壳温度对IGBT模块封装进行健康状态评估，检测及定位老化模块。本发明还包括一种IGBT模块封装老化在线健康管理系统。利用本发明，能够在高频工作状态下在线进行模块老化健康管理。

技术领域

本发明属于IGBT模块健康管理领域，具体涉及一种IGBT模块封装老化在线健康管理方法及系统。

背景技术

绝缘栅双极性晶体管(Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT)目前已成为电力系统领域使用最广泛的电力电子器件之一，其通流承压能力决定了电力系统的容量。目前，针对单个IGBT芯片无法承受过高的电压及电流的问题，通常的解决方法是将多个芯片集成在一个模块内部，同时将多个模块并联构成一个系统以提升系统的功率等级。与此同时，在一些多电平变频器当中，也存在多个电力电子器件同时导通的情况。这就使得如何有效的在并联模式下的进行状态检测与健康管理变得十分重要。在理想情况下，并联使用的IGBT在开通及关断过程中的电流分配会完全相同。而在实际应用当中，由于制作工艺以及使用环境的细微差别，会导致其电流分配并没有那么均衡。然而即使在这种情况下，系统仍然能够正常工作。但是在器件发生老化后，会扩大电流的不均衡效应，从而影响整个系统的运行。因此，定期对系统内模块进行健康管理时保证系统能够稳定运行的关键。

在电力系统领域，突发的故障往往会导致很严重的后果，造成极大的经济损失。如何在故障发生前对潜在的失效因子进行及时的监测逐渐成为关键问题。在这之中，由封装老化引发的渐变失效往往更难预测，因为其故障是一个由量变到质变的过程。在封装的早期老化中，通常伴随的是焊料层的空洞和键合线的断裂，这对于整个模块的正常运行并没有任何影响。但是当焊料层空洞逐渐增加，键和线断裂的数量逐渐增多时，会导致结温升高，电热应力过大等问题，造成芯片脱落等问题，从而导致系统的短路和断路。无论以何种模式老化，在老化过程中，对于并联模块的电压和电流的变化与单管的电压和电流的变化都大有不同，为目前健康管理的真空。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种可在高频工作状态下在线对潜在的失效因子进行监测的IGBT模块封装老化在线健康管理方法及系统。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是，一种IGBT模块封装老化在线健康管理方法，包括以下步骤：

步骤一：根据并联IGBT模块中各个IGBT模块开通时的集电极电流上升率确定老化IGBT模块；

步骤二：记录系统开始运行时各个并联IGBT模块开通过程中的电流上升率，将各个模块的电流上升率进行比值，作为基准值；

步骤三：提取系统运行过程中，各个并联IGBT模块开通过程中的电流上升率并进行比值，并将其与基准值进行比较，定位老化模块。

进一步，由确定各老化模块的电流上升畸变率，其中，di_c和di_c'为测量的两个IGBT模块的电流上升率，β为系统开始运行时所记录的上升率比值，β'为系统在老化检测时所测得的上升率比值，γ为电流上升畸变率；在获得电流上升畸变率之前，所述方法还包括：定期测试各个模块开通时的集电极电流上升率。

进一步，判断老化模块是否达到老化的标准包括：判断电流上升畸变率γ是否达到阈值，若达到阈值，则判定器件发生老化，须根据实际情况更换器件或降额使用。

进一步，判断所述老化模块的老化类型，包括以下标准：

比较老化模块外壳温度与正常模块的外壳温度，若老化模块的外壳温度小于正常模块的外壳温度，判定为键合线老化；若老化模块的外壳温度等于正常模块的外壳温度，则判定为焊料层老化。