基于多电平冗余工作特性的IGBT功率模块在线健康状态监测

Multilevel topologies are widely used in the medium or high power driving system and renewable energy generation system. And the reliability of their power modules gives rise to very strong concerns consequently. In-situ health monitoring technology enables to reflect the health conditions of power modules during their operations, which provides benefits for solving the reliability problems. Normally prognostic parameters need to be measured in field for indicating IGBTs’ aging process accurately, meanwhile the measuring process need to guarantee the non-interruption of the converter operations. This project exactly focus on these requirements, and investigate the proper extract method of prognostic parameters based on redundancy and intermittent operation characteristics of multilevel grid-tied inverters, for achieving health monitoring of IGBTs power modules in both periodic and random intervals. Moreover, the design theory and function realization of generalized condition monitoring method are presented in this project as well, and the relationships between the operation characteristics of IGBTs power modules and the prognostic parameters extraction are discussed subsequently. All of the research are promised to broaden new ideas and exploit new methods for reliability investigation of multilevel grid-tied inverters.

多电平拓扑结构在中功率、大功率调速系统或可再生能源并网系统应用中被广泛采用。其功率器件的可靠性问题也受到强烈关注。在线运行环境下的健康状态监测，能准确反映变流器运行过程中功率器件的健康状态，是有效解决其可靠性的重要途径。而在线运行环境下IGBT功率模块的健康状态监测不仅需要利用运行现场数据提取反映失效类型的特征量，还需要保证变流器性能不受监测过程的影响。本项目正是从这两大关键问题为出发点，以具有冗余特性的多电平并网变流器为研究对象，利用多电平的冗余特性以及并网变流器间歇工作特性，优化安排特征量提取时序，实现周期和随机时间间隔下功率模块的状态监测和健康评估。此外，基于融合监测方法研究统一的状态监测模型的设计理论和功能实现，根据功率器件不同工作状态下获取的监测数据分析其工作状态与特征量提取之间的相互影响关系，为多电平并网变流器可靠性的研究拓宽新思路，开拓新方法。

随着多电平拓扑结构在中功率、大功率调速系统以及可再生能源并网系统中的广泛应用，其功率器件的可靠性问题也受到了业界的强烈关注。在线运行环境下的健康状态监测，一方面需要保证变流器性能不受监测过程的影响，另一方面需要利用运行现场数据提取反映失效类型的特征。本课题为解决在线监测所存在的这两大关键问题进行了深入的研究，为大功率IGBT模块键合线的离线和在线监测提供了良好的技术支持和理论基础。本课题研究的内容和主要成果包括：.1、针对三电平NPC型逆变器中的集成IGBT功率模块，通过实验测出键合线断裂前后IGBT饱和压降随结温的变化关系曲线并进行故障前后的对比分析，获取IGBT饱和压降作为键合线健康监测的故障特征量的数据和理论支撑。提出根据IGBT饱和压降的变化间接获取结温信息的数据驱动模型。.2、分析三电平NPC型逆变器中的IGBT模块的拓扑结构和运行原理，提出改进的PWM调制策略，利用电路本身冗余工作状态，实现正常工作情况下的监测脉冲电流的注入以及IGBT模块键合线的在线监测的特征量提取。.3、搭建三电平NPC型逆变器IGBT模块键合线健康监测平台。通过理论分析及MATLAB仿真寻找最佳监测时刻和最佳监测时长，实现在线监测效益最大化。对三电平NPC型逆变器中的IGBT模块进行了大量的离线和在线监测实验，通过对大量实验数据的分析与处理，从寄生参数以及负载变化的角度建立多维IGBT功率模块的数据模型，为精细刻画IGBT模块在线工作状态提供理论基础。.4、针对变流器系统中IGBT模块结温准确估计的难题，通过分析搭建在线结温估计模型，综合多热阻网络估计模型的优点，建立基于多模型的IGBT模块在线结温估计方案，研究获取最优化的结温估计效果。.5、针对IGBT模块键合线的健康监测需求，设计了一套控制、测试系统与待测系统分离的即插即用型健康监测系统，提高了监测过程的灵活性、通用性和智能化水平。