CN109655691B

CN109655691B - 板级电路中功率器件退化监测方法、装置和系统

Info

Publication number: CN109655691B
Application number: CN201811594169.9A
Authority: CN
Inventors: 陈义强; 陈媛; 贺致远; 恩云飞; 黄云; 刘昌�; 侯波
Original assignee: China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute
Current assignee: China Electronic Product Reliability and Environmental Testing Research Institute
Priority date: 2018-12-25
Filing date: 2018-12-25
Publication date: 2021-01-22
Anticipated expiration: 2038-12-25
Also published as: CN109655691A

Abstract

本申请涉及一种板级电路中功率器件退化监测方法、装置和系统。所述方法包括：接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势；根据电场感应电动势和磁场感应电动势，得到功率器件的开关损耗；基于开关损耗，确认功率器件的退化状况，从而，本申请板级电路中功率器件退化监测方法根据采集到的功率器件的电场感应电动势和磁场感应电动势，得到开关损耗，并根据开关损耗诊断板极电路中的功率器件的故障状况，进而实现对功率器件的性能进行监测，在发现功率器件出现可能的故障时及时对功率器件修复，避免导致更严重的后果。

Description

板级电路中功率器件退化监测方法、装置和系统

技术领域

本申请涉及故障预测与健康管理技术领域，特别是涉及一种板级电路中功率器件退化监测方法、装置和系统。

背景技术

电力电子器件又称为功率半导体器件，主要用于电能变换和控制电路方面大功率的电子器件，被喻为电子装备的“心脏”，通常电流为数十至数千安，电压为数百伏至数千伏以上，在航空航天、轨道交通、新能源、家电等等领域得到广泛应用。由于装备系统运行工况的复杂性，使得电力电子器件承受不均衡的电热应力，容易引起老化失效等可靠性问题。一旦电力电子器件发生失效，轻则造成装备系统停机，带来经济损失，重则如在电网、航空等需要高可靠性的应用场合中，可能会引发重大安全事故。因此，电力电子器件在实际应用中的可靠性保障至关重要。

传统的电力电子器件可靠性监测主要有两种途径：(a)对电力电子器件开展可靠性寿命试验，预计产品的可靠性寿命；(b)对已发生失效的电力电子器件进行失效分析，确定其失效模式和失效机理，在此基础上提出对电力电子器件进行改进措施。但是，在实现过程中，发明人发现传统技术中至少存在如下问题：传统技术无法准确地对功率器件的可靠性进行实时监测。

发明内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种板级电路中功率器件退化监测方法、装置和系统。

为了实现上述目的，一方面，本申请实施例提供了一种板级电路中功率器件退化监测方法，包括以下步骤：

接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势；

根据电场感应电动势和磁场感应电动势，得到功率器件的开关损耗；

基于开关损耗，确认功率器件的退化状况。

在其中一个实施例中，根据电场感应电动势和磁场感应电动势，得到功率器件的开关损耗的步骤包括；

将电场感应电动势和磁场感应电动势的乘积的时间积分，确认为功率器件的开关损耗。

在其中一个实施例中，基于开关损耗，确认功率器件的退化状况的步骤包括：

在开关损耗与标准开关损耗的比值大于预设阈值时，确认功率器件出现性能退化；标准开关损耗为功率器件处于健康状态时的开关损耗。

在其中一个实施例中，基于以下公式获取开关损耗与标准开关损耗的比值：

其中，D表示表示比值；p(t)表示功率；p₀(t)表示标准功率；V₁(t)表示电场感应电动势；V₂(t)表示磁场感应电动势；V′₁(t)表示功率器件处于健康状态时的电场感应电动势；V′₂(t)表示功率器件处于健康状态时的磁场感应电动势。

在开关损耗大于预设损耗阈值时，确认功率器件出现性能退化。

另一方面，本申请实施例还提供了一种板级电路中功率器件退化监测装置，包括：

电动势接收模块，用于接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势；

开关损耗获取模块，用于根据电场感应电动势和磁场感应电动势，得到功率器件的开关损耗；

退化状况确认模块，用于基于开关损耗，确认功率器件的退化状况。

再一方面，本申请实施例还提供了一种板级电路中功率器件退化监测系统，包括第一采集电路、第二采集电路以及信号处理电路；

第一采集电路连接信号处理电路，且布置在连接功率器件的漏极的导线的一侧；第二采集电路连接信号处理电路，且布置在连接功率器件的漏极的导线的一侧；

其中，第一采集电路用于采集电场感应电动势；第二采集电路用于采集磁场感应电动势；

信号处理电路用于实现如上所述的板级电路中功率器件退化监测方法。

在其中一个实施例中，第一采集电路为耦合电容传感器；第二采集电路为电磁电压互感传感器；信号处理电路为板级电路的系统级芯片。

在其中一个实施例中，还包括告警电路；

告警电路连接信号处理电路。

还一方面，本申请实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

上述技术方案中的一个技术方案具有如下优点和有益效果：

通过接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势；根据电场感应电动势和磁场感应电动势，得到功率器件的开关损耗；基于开关损耗，确认功率器件的退化状况，从而，本申请板级电路中功率器件退化监测方法根据采集到的功率器件的电场感应电动势和磁场感应电动势，得到开关损耗，并根据开关损耗诊断板极电路中的功率器件的故障状况，进而实现对功率器件的性能进行监测，在发现功率器件出现可能的故障时及时对功率器件修复，避免导致更严重的后果。

附图说明

图1为一个实施例中本申请板级电路中功率器件退化监测方法的第一流程示意图；

图2为一个实施例中本申请板级电路中功率器件退化监测方法的第二流程示意图；

图3为一个实施例中本申请板级电路中功率器件退化监测装置的结构框图；

图4为一个实施例中退化状况确认模块的结构框图；

图5为一个实施例中本申请板级电路中功率器件退化监测系统的结构框图；

图6为一个实施例中平面型耦合电容传感器的结构示意图；

图7为一个实施例中平面型电磁电压互感传感器的结构示意图；

图8为一个实施例中立体型电磁电压互感传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

为了解决传统技术无法准确地对功率器件的可靠性进行实时监测的问题，在一个实施例中，如图1所示，提供了一种板级电路中功率器件退化监测方法，包括以下步骤：

步骤S110，接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势。

其中，功率器件为板极电路上的功率器件，例如，为印刷电路板上的功率器件。在板极电路工作过程中，功率器件在导通和截止之间不断切换过程状态，从而，会导致功率器件与其漏极之间的导线上的电流和电压不断变换，变化的电流会在导线周围产生变化的磁场，变化的电压引起导线周围的电场变化。电场感应电动势为利用可感应电场变化的第一采集电路采集得到，即电场感应电动势为感应变化的电场产生的电动势。磁场感应电动势为利用可感应磁场变化的第二采集电路采集得到，即磁场感应电动势为感应变化的磁场产生的电动势。

步骤S120，根据电场感应电动势和磁场感应电动势，得到功率器件的开关损耗。

在一个具体的实施例中，根据电场感应电动势和磁场感应电动势，得到功率器件的开关损耗的步骤中；

需要说明的是，在功率器件在导通和截止之间不断切换的过程中，第一采集电路采集的电场感应电动势正比于功率器件连接其漏极导线上的电压的v₀(t)；第二采集电路采集的磁场感应电动势正比于功率器件连接其漏极导线上的电流的i₀(t)。

具体的，基于以下公式获取开关损耗：

其中，

表示开关功率。因此，通过该公式可获取的开关损耗的正比于功率器件的真实开关损耗。通过该公式获取到的开关损耗正比于功率器件连接其漏极导线上的真实开关损耗。

步骤S130，基于开关损耗，确认功率器件的退化状况。

需要说明的是，随着功率器件的退化，功率器件的开关损耗逐渐增大。因此可根据通过本申请方法获取到的开关损耗，来判断功率器件的退化状况，开关损耗越大，则说明功率器件损耗越严重。

在一个具体的实施例中，基于开关损耗，确认功率器件的退化状况的步骤包括：

其中，预设损耗阈值为对功率器件的真实损耗功率进行合适比例缩小获得。

本申请板级电路中功率器件退化监测方法的各实施例中，通过接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势；根据电场感应电动势和磁场感应电动势，得到功率器件的开关损耗；基于开关损耗，确认功率器件的退化状况，从而，本申请板级电路中功率器件退化监测方法根据采集到的功率器件的电场感应电动势和磁场感应电动势，得到开关损耗，并根据开关损耗诊断板极电路中的功率器件的故障状况，进而实现对功率器件的性能进行监测，在发现功率器件出现可能的故障时及时对功率器件修复，避免导致更严重的后果。

在一个实施例中，如图2所示，一种板级电路中功率器件退化监测方法，包括以下步骤：

步骤S210，接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势；

步骤S220，将电场感应电动势和磁场感应电动势的乘积的时间积分，确认为功率器件的开关损耗；

步骤S230，在开关损耗与标准开关损耗的比值大于预设阈值时，确认功率器件出现性能退化；标准开关损耗为功率器件处于健康状态时的开关损耗。

需要说明的是，步骤S210与本申请上述实施例中步骤S110相同，此处不再赘述。

其中，标准开关损耗为功率器件处于健康状态时的开关损耗。具体的，利用第一采集电路采集功率器件处于健康状态时的电场感应电动势，利用第二采集电路采集功率器件处于健康状态时的磁场感应电动势，随后采用与本申请获取开关损耗相同的处理过程，获取标准开关损耗。

利用开关损耗与标准开关损耗的比值来判断功率器件是否出现性能退化，上述比值越大说明功率器件的性能退化越严重。

在一个实施例中，基于以下公式获取开关损耗与标准开关损耗的比值：

其中，D表示表示比值；p(t)表示功率；p₀(t)表示标准功率；V₁(t)表示电场感应电动势；V₂(t)表示磁场感应电动势；V′₁(t)表示功率器件处于健康状态时的电场感应电动势；V′₂(t)表示功率器件处于健康状态时的磁场感应电动势。需要说明的是，功率p(t)为通过磁场感应电动势和电场感应电动势得到，标准功率p₀(t)为功率器件处于健康状态时的功率。

具体的，在一个示例中，在功率器件连接其漏极的导线与第一采集电路构成的系统为线性时不变系统，以及功率器件连接其漏极的导线与第二采集电路构成的系统为线性时不变系统的前提下，基于以下过程获取开关损耗与标准开关损耗的比值：

V₁(t)→V′₁(t)

V₂(t)→V′₂(t)

此时器件健康状态下的标准功率：

p₀(t)＝i₀(t)*v₀(t)

根据线性时不变系统的叠加特性与均匀特性：

I(t)＝i₀(t)*a→V₁(t)＝V′₁(t)*a

V(t)＝v₀(t)*b→V₂(t)＝V′₂(t)*b

此时器件退化状态下的功率：

p(t)＝I(t)*V(t)

功率与标准功率比：

进一步的，还可采集T时间的电场感应电动势和磁场感应电动势，计算场感应电动势与磁场感应电动势的乘积在T时间内的积分得到开关损耗，根据T时间内的健康状态下和退化状态下的开关损耗来判断器件的退化状况，具体的：

本申请板级电路中功率器件退化监测方法的各实施例中，采用开关损耗与标准开关损耗的比值作为确认功率器件是否出现性能退化的判据，避免了不能采集到功率器件的真实开关损耗带来的误差，使得更加准确地监测功率器件的退化状况，对维护功率器件更加有利。

应该理解的是，虽然图1和2的流程图中的各个步骤按照箭头的指示依次显示，但是这些步骤并不是必然按照箭头指示的顺序依次执行。除非本文中有明确的说明，这些步骤的执行并没有严格的顺序限制，这些步骤可以以其它的顺序执行。而且，图1或2中的至少一部分步骤可以包括多个子步骤或者多个阶段，这些子步骤或者阶段并不必然是在同一时刻执行完成，而是可以在不同的时刻执行，这些子步骤或者阶段的执行顺序也不必然是依次进行，而是可以与其它步骤或者其它步骤的子步骤或者阶段的至少一部分轮流或者交替地执行。

在一个实施例中，如图3所示，提供了一种板级电路中功率器件退化监测装置，包括：

电动势接收模块310，用于接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势；

开关损耗获取模块320，用于根据电场感应电动势和磁场感应电动势，得到功率器件的开关损耗；

退化状况确认模块330，用于基于开关损耗，确认功率器件的退化状况。

在一个实施例中，如图4所示，一种板级电路中功率器件退化监测装置，退化状况确认模块包括：

第一性能退化确认模块410，用于在开关损耗与标准开关损耗的比值大于预设阈值时，确认功率器件出现性能退化；标准开关损耗为功率器件处于健康状态时的开关损耗。

在一个实施例中，如图4所示，一种板级电路中功率器件退化监测装置，退化状况确认模块还包括：

第二性能退化确认模块420，用于在开关损耗大于预设损耗阈值时，确认功率器件出现性能退化。

关于板级电路中功率器件退化监测装置的具体限定可以参见上文中对于板级电路中功率器件退化监测方法的限定，在此不再赘述。上述板级电路中功率器件退化监测装置中的各个模块可全部或部分通过软件、硬件及其组合来实现。上述各模块可以硬件形式内嵌于或独立于计算机设备中的处理器中，也可以以软件形式存储于计算机设备中的存储器中，以便于处理器调用执行以上各个模块对应的操作。

在一个实施例中，如图5所示，还提供了一种板级电路中功率器件退化监测系统，包括第一采集电路11、第二采集电路13以及信号处理电路15；

第一采集电路11连接信号处理电路15，且布置在连接功率器件171的漏极的导线的一侧；第二采集电路13连接信号处理电路15，且布置在连接功率器件171的漏极的导线的一侧；

其中，第一采集电路11用于采集电场感应电动势；第二采集电路13用于采集磁场感应电动势；

信号处理电路15用于实现本申请实施例所述板级电路中功率器件退化监测方法。

进一步的，第一采集电路11为耦合电容传感器；第二采集电路13为电磁电压互感传感器；信号处理电路15为板级电路的系统级芯片。

进一步的，还包括告警电路19；

告警电路19连接信号处理电路15。

其中，功率器件171为板级电路是17上的功率器件。本申请板级电路中功率器件退化监测系统是布置在板级电路是17上的。

耦合电容传感器可为平面型耦合电容传感器(如图6所示)或立体型耦合电容传感器。电磁电压互感传感器可为平面型电磁电压互感传感器(如图7所示)或立体型电磁电压互感传感器(如图8所示)。

系统级芯片为板级电路上自带的，利用板级电路上自带的系统级芯片构建本申请板级电路中功率器件退化监测系统，有利于成本的控制，也有利于资源的节省。系统级芯片的功能是将接收到的电流信号和电压信号进行特征提取得到特征数据，并根据特征数据进行实时预测，得到可靠性预测结果。

告警电路可为声音报警器、光报警器等，在确认功率器件出现性能退回，发出提醒来提醒相关人员。

本申请板级电路中功率器件退化监测系统各实施例中，采用的传感器属于非接触，可直接布置在板级电路上，利用板级电路板上的系统级芯片进行控制，并获取功率器件的退化信息，可在线实时感知功率器件的退化，并进行报警，成本低、易集成，易于推广应用。

在一个实施例中，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现以下步骤：

接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势；

基于开关损耗，确认功率器件的退化状况。

在一个实施例中，计算机程序被处理器执行时还实现以下步骤：

将磁场感应电动势和电场感应电动势的乘积的时间积分，确认为功率器件的开关损耗。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种板级电路中功率器件退化监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收功率器件的电场感应电动势以及磁场感应电动势；

根据所述电场感应电动势和所述磁场感应电动势，得到所述功率器件的开关损耗；

基于所述开关损耗，确认所述功率器件的退化状况；

所述根据所述电场感应电动势和所述磁场感应电动势，得到所述功率器件的开关损耗的步骤中；

将所述电场感应电动势和所述磁场感应电动势的乘积的时间积分，确认为所述功率器件的开关损耗。

2.根据权利要求1所述的板级电路中功率器件退化监测方法，其特征在于，基于所述开关损耗，确认所述功率器件的退化状况的步骤包括：

在所述开关损耗与标准开关损耗的比值大于预设阈值时，确认所述功率器件出现性能退化；所述标准开关损耗为所述功率器件处于健康状态时的开关损耗。

3.根据权利要求2所述的板级电路中功率器件退化监测方法，其特征在于，在所述开关损耗与标准开关损耗的比值大于预设阈值时，确认所述功率器件出现性能退化的步骤中，基于以下公式获取所述开关损耗与标准开关损耗的比值：

其中，D表示所述比值；p(t)表示功率；p₀(t)表示标准功率；V₁(t)表示所述电场感应电动势；V₂(t)表示所述磁场感应电动势；V′₁(t)表示所述功率器件处于健康状态时的电场感应电动势；V′₂(t)表示所述功率器件处于健康状态时的磁场感应电动势。

4.根据权利要求1所述的板级电路中功率器件退化监测方法，其特征在于，基于所述开关损耗，确认所述功率器件的退化状况的步骤包括：

在所述开关损耗大于预设损耗阈值时，确认所述功率器件出现性能退化。

5.一种板级电路中功率器件退化监测装置，其特征在于，包括：

开关损耗获取模块，用于根据所述电场感应电动势和所述磁场感应电动势，得到所述功率器件的开关损耗；所述根据所述电场感应电动势和所述磁场感应电动势，得到所述功率器件的开关损耗的步骤中；

将所述电场感应电动势和所述磁场感应电动势的乘积的时间积分，确认为所述功率器件的开关损耗；

退化状况确认模块，用于基于所述开关损耗，确认所述功率器件的退化状况。

6.根据权利要求5所述的板级电路中功率器件退化监测装置，其特征在于，所述退化状况确认模块包括：

第一性能退化确认模块，用于在所述开关损耗与标准开关损耗的比值大于预设阈值时，确认功率器件出现性能退化；所述标准开关损耗为功率器件处于健康状态时的开关损耗；

第二性能退化确认模块，用于在所述开关损耗大于预设损耗阈值时，确认功率器件出现性能退化。

7.一种板级电路中功率器件退化监测系统，其特征在于，包括第一采集电路、第二采集电路以及信号处理电路；

所述第一采集电路连接所述信号处理电路，且布置在连接功率器件的漏极的导线的一侧；所述第二采集电路连接所述信号处理电路，且布置在连接所述功率器件的漏极的导线的一侧；

其中，所述第一采集电路用于采集电场感应电动势；所述第二采集电路用于采集磁场感应电动势；

所述信号处理电路用于实现如权利要求1至4任意一项所述的板级电路中功率器件退化监测方法。

8.根据权利要求7所述的板级电路中功率器件退化监测系统，其特征在于，所述第一采集电路为耦合电容传感器；所述第二采集电路为电磁电压互感传感器；所述信号处理电路为板级电路的系统级芯片。

9.根据权利要求7或8所述的板级电路中功率器件退化监测系统，其特征在于，还包括告警电路；

所述告警电路连接所述信号处理电路。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至4中任意一项所述的方法的步骤。