电力电子电路功率器件故障特征参数提取技术综述

发布时间：2021-12-11

　　摘要：电力电子电路主功率器件是电力电子电路核心组成部分，对应其故障特征参数提取技术是实现电力电子电路故障诊断及故障预测的重要技术基础，对于提高电力电子电路的可靠性非常有帮助。该文首先介绍了目前电力电子电路主功率器件的可靠性分布情况，并以失效率较高的主功率开关器件为例，着重分析了有源功率开关 MOSFET 和 IGBT 器件失效机理以及主要衰退特征。对现阶段这两种有源功率开关器件故障特征参数提取方法进行了总结分类：故障特征参数直接提取和间接提取。在此基础上，介绍了各故障特征参数提取技术的工作原理，并对这些方法进行了归纳总结，分析了各自的优势及不足，最后指出了功率开关器件故障特征参数提取的研究难点和今后的研究方向。

　　关键词：故障特征提取;功率开关器件;可靠性;失效原理;电力电子

　　0 引言

　　现代电力电子电路因其低噪声、高效率、高功率密度等优点，广泛应用于工业、军事、航空航天等领域[1-3]，承担着电能变换、新能源发电等重要作用。随着电力电子电路日趋复杂，功率等级不断提高，特别是应用在某些重要领域如航空、航天时，对电力电子电路可靠性的要求更高。电力电子主功率器件是电力电子主功率电路的核心组成部分，现代电力电子电路大多通过对有源功率器件如功率 MOSFET、IGBT 等进行开关控制，以实现电能的转换。因此，现阶段对于电力电子可靠性的研究可首先通过对电路中重要功率器件进行状态监测，提取相应的故障特征参数以实现对电路中各个功率器件的故障诊断、故障预测，进而促进整个电力电子电路系统可靠性的提高。

　　随着对功率器件失效原理的深入研究，以及传感器技术与信号检测技术的不断发展，要实现对电力电子功率器件的故障诊断、故障预测以及状态监测[4-7]成为了可能。其中，选择合适的故障特征参数以及相应的故障特征提取方法是上述三大技术的基础及难点;因此，针对电力电子功率器件的故障特征参数提取技术研究对于提高电力电子电路的可靠性非常关键。

　　本文首先介绍了目前电力电子电路功率器件的可靠性分布状况，分析了现阶段应用广泛的有源功率器件MOSFET和IGBT器件失效原理以及主要衰退特征。然后，针对这两种有源功率器件故障特征参数提取方法的不同对其进行了系统的分类：故障特征参数直接提取和间接提取。介绍了各故障特征参数提取技术的工作原理，并对各参数提取方法进行了归纳和对比，最后指出功率器件故障特征参数提取研究的难点和今后研究发展方向。

　　1 电力电子电路功率器件的可靠性

　　1.1 功率器件的可靠性要求

　　虽然随着半导体技术以及材料技术的发展，主功率器件(半导体开关与电解电容)的失效率已有所降低，然而主功率器件的失效仍然是电力电子电路失效的主要原因。图 1 为电力电子电路中器件失效分布图[7]，可以看出，主功率开关管失效率(包括半导体器件与焊接点失效)占了 34%。根据故障引起的电路宏观性能的变化程度，可将电力电子电路故障分为灾难性故障和参数性故障[8]。灾难性故障又称硬故障，是指功率电子器件的开路或短路等严重失效而引发的电路故障类型。硬故障具有突发性，往往会导致电路功能发生急剧变化，易造成灾难性的后果，因此对硬故障进行诊断是目前电力电子电路故障诊断的研究热点[9-12]。参数性故障又称软故障，是指电子器件随着性能的衰退而导致电子器件的特征参数产生偏移的故障模式。软故障具有缓变性，虽不会造成电路功能的突然丧失，但会导致系统的性能的变化，如果不对其进行有效处理，最终会演变为灾难性故障。因此，研究电力电子电路的软故障监测是提高电力电子电路可靠性的重要手段。现阶段，关于对电力电子电路软故障的研究主要集中在器件的可靠性上，主要有功率器件的寿命预测[13-15]、可靠性建模[16-18]、状态监测[7,19]几个研究方向。

　　然而，无论是针对灾难性故障还是参数性故障的研究，都必须明确故障特征信号，所以故障特征提取是进行电力电子电路可要性研究的必要过程。要进行功率器件故障特征参数的提取，首先必须明确和选取合适的故障特征参数。而故障特征参数的确立，有赖于对功率器件失效原理的研究。

　　1.2 功率器件失效机理及衰退特征

　　1.2.1 功率 MOSFET 失效机理及衰退特征

　　金属氧化物半导体场效应晶体管，简称为 MOSFET，是以栅极电压来控制漏极电流的功率管。功率 MOSFET 具有输入阻抗高、导通电阻低、开关速度快、驱动电路简单及功率损耗小等特点，广泛应用于中小功率电能变换场合。

　　2 功率开关管特征参数的直接提取

　　2.1 基于功率开关管导通电阻变化的故障特征参数提取

　　功率器件MOSFET和IGBT的导通电阻增大是其性能衰退的重要特征之一。在功率开关管故障特征参数提取研究之初，就有研究人员提出利用导通电阻的变化实现对功率开关管性能的监测，即通过测量功率管开通时两端电压以及流过的电流，获得其导通电阻，相关算法较为简单。图 4 给出了功率 MOSFET 的导通电阻随着器件老化时间的增加(加速老化)而产生的变化百分比 ΔRds(on)的波形曲线[32]，同时以导通电阻增加超过初始值 5%作为功率 MOSFET 的失效门限。

　　2.2 基于功率开关管导通压降变化的故障特征参数提取

　　文献[33]提出利用 IGBT 导通饱和压降的变化实现对 IGBT 的性能检测。为了得到 IGBT 模块饱和导通压降随着器件老化衰退的变化趋势，可将被测试的 IGBT 模块置于功率循环中，然后通过对 IGBT 门极施加以固定的占空比信号，并同时测量和记录 IGBT 导通饱和压降的变化。图 5 给出了IGBT 导通饱和压降随着功率循环次数增加而变化的实验数据。实验数据显示，在第 600 000 次功率循环时，IGBT 模块饱和导通压降开始出现异常下降，且最终饱和导通压降幅值下降为其初始值的 17%。随后，IGBT 饱和压降开始上升，在第 648 000 次功率循环时，IGBT 饱和压降超过其初始压降并持续上升。

　　根据上述实验结果，文献[33]进一步提出了当 IGBT 导通饱和压降变化范围超过正常值的±15% 时，即可认为该 IGBT 出现严重的功能衰退。

　　2.3 基于功率开关管门极电流动态特性变化的故障特征参数提取

　　一般来说，由于老化疲劳所引起的 IGBT 单体中的键合线脱落对于 IGBT 模块整体的寄生电感和电阻影响较为微弱。相比较而言，当 IGBT 模块中某一单体器件整体出现故障时(如单个 IGBT 芯片) 对 IGBT 模块寄生参数则会产生较明显变化，从而可引起相应的门极驱动电流波形发生明显改变。因此，文献[34]提出利用 IGBT 模块门极电流的动态特性变化作为故障特征参数以实现对其进行故障监测，并为 IGBT 模块完全失效提供相应的预警。

　　图 6 给出了不同内部参数发生故障时的 IGBT 模块开通和关断时门极电流示意图。可以看出：当 IGBT 单体键合线脱落时，其对门极驱动电流的影响比较微小，而当 IGBT 模块内部单个芯片整体失效时，门极驱动电流出现较明显变化。这表明可以利用门极驱动电流的变化，实现对 IGBT 内部单个芯片是否出现故障进行监测。

　　上述故障特征参数的提取均是通过在电路中引入新的采集点，从中直接提取相应的故障参数信息。由于这类方法引入了新的检测点，增加了系统的复杂性，所以不利于系统的可靠性的提高;另一方面，新的采样元件的引入增加了系统的成本。鉴于上述缺点，有研究人员在电路现有的采样点基础上，利用信号处理或参数辨识的方法进行特征参数的间接提取。在实际电路中，现有测量点通常只有输入、输出端口，如输入输出电压电流采样。若要在现有测量点的基础上获取第一故障特征信号，则需要电路的精确解析模型，而这种根据实验数据和建立模型来确定特定第一故障特征参数值的方法就是参数辨识。然而，要确定功率开关管的故障状态，第一故障特征参数并不是必须的，只需得到某种可间接反应第一故障特征参数变化的信号即可，此种参数/信号，可称为第二故障特征参数。获取第二故障特征参数通常要经过信号处理的方法，故此类方法可归结为基于信号处理的特征参数提取。基于信号处理的特征参数提取并不需要系统的精确模型，因此更易实现。

　　3 功率开关管特征参数的间接提取

　　3.1 基于信号处理的特征参数提取

　　3.1.1 频率分析提取法

　　从电力电子系统已有测量点获取的信号，所含的故障特征信号通常很小，尤其是电路处在参数性故障的时候。这就要求对所测的信号进行处理，以便抽取出有用的故障信息或者找出区别于电路正常工作信号的特征。信号处理就是对信号进行提取、变换、分析、综合等处理过程的统称。基于信号处理的方法有：沃尔什变换[36]、基函数[37]、傅里叶变换、小波变换、高阶谱分析等，也可直接分析可测信号的方差、幅值、频率等特征来作为系统的故障特征参数。由于电力电子电路中包含故障信息的关键点信号通常具有周期性，故可采用傅里叶变换将周期性信号从时域转换到频域中进行分析，并从中提取故障特征。

　　电力电子变换器中，电路的工作常分为几个工作模态，不同的工作模态对应不同的开关功率器件的工作，这也决定了输出电压波形的形状。因此，不同功率器件的损坏会使得输出电压波形发生不同的变化，这也意味着输出电压的频谱不一样。文献[38]采用傅里叶分析的方法实现了对三相变流器主电路的故障特征的提取，具体方法为：1)根据幅度频谱特征诊断出故障的类别;2)利用相位特征诊断出故障类中具体的故障元件。然而，对于参数性故障，输出电压并不会出现明显的变化，也就是说频谱变化不大，这就要求对谐波含量进行定量分析。

　　文献[39]以控制电机的三相逆变器拓扑作为研究对象，在开关管开通关断瞬间，通过分析开关器件(IGBT)内部寄生参数与电机绕组相互作用所引起的开关管源–漏极电压的震荡幅值和频率，并从中提取高频分量信号作为判断功率管老化状态的故障特征参数。图 9 给出了 3 组功率管老化前后关断瞬间源–漏极电压波形，可见由于老化后的 3 组功率管内部寄生参数发生变化(寄生电阻增大)，使得在器件关断瞬间，功率管源–漏极电压谐振峰值和震荡频率出现明显下降。

　　由于 IGBT 模块性能老化衰退会导致器件内部结温升高、关断时间延长，因此采用 IGBT 模块构成的三相三桥臂逆变器作为电机驱动时，一相桥臂上下功率管死区时间相对减小。故文献[40]提出利用逆变器输出电流中所含低次谐波受 IGBT 模块结温影响，而结温又受 IGBT 模块内部焊料层老化状况影响的对应关系，实现对 IGBT 老化情况进行监测。逆变器系统控制框图如图 10 所示，控制逆变器输出在目标谐波频率振荡(对于三相逆变器，可提取输出 5 次谐波)，从而放大目标谐波 ih，而这种被放大的谐波信号 v * hr又会被外环谐波补偿器所抑制，因此可以把外环控制器产生的补偿信号 v * hc 作为状态监测参数间接获得 IGBT 内部结温的变化，并以此判断 IGBT 模块焊料层老化情况。

　　3.1.2 小波分析提取法

　　傅里叶变换作为一种全局性的变换，其具有一定的局限性。小波变换是上世纪 80 年代后期发展起来的应用数学分支，最初由法国学者 Daubechiess 和 Mallet 引入信号处理的领域。小波变换是空间(时间)和频率的局部化分析，它通过伸缩平移运算对信号逐步多尺度细化，能自动适应时频信号分析的要求，克服了傅里叶变换窗口不能随频率变化等缺点，而且，小波分析中用到的小波函数没有唯一性。

　　根据小波变换在时频两域都具有表征信号局部特征，可以使得特征矢量降维的能力。文献[41] 选用 Marr 小波进行了 4 层小波分解，并最终以各层小波包分解系数的最大值作为特征来构成了故障特征矢量。小波变换中不仅小波分解的系数可以作为特征信号的选取，也可以通过计算频带信号的能量特征作为故障特征信号。文献[42]基于小波变换能量特征，并根据电力电子整流装置故障时对频带内信号的能量的影响特性，提取出故障信号能量特征作为故障分类器的输入向量。能量特征信号的提取过程为：在进行小波多尺度分解和单支重构的前提下，通过式(3)求出各频带信号的总能量;最终以能量为元素组成特征向量，作为故障特征信号，如式(4)所示。

　　4 结论

　　随着电力电子系统可靠性问题的突出，电力电子故障诊断与预测技术已成为研究热点。电力电子主功率器件作为电力电子电路核心，其正常与否直接关系到电力电子电路安全可靠工作。因此，针对电力电子电路主功率器件的故障特征提取技术作为电力电子系统故障诊断与预测中的重要环节和技术基础，受到了国内外学者的广泛关注。功率器件故障特征参数提取技术作为一门新兴研究领域，涉及范围广泛，其中包含器件失效原理研究、电力电子电路精确建模、信号处理、微弱信号检测技术等。从电力电子专业角度来看，关于功率器件故障特征参数提取技术主要有以下研究重点：

　　1)功率器件失效机理研究。

　　功率器件失效机理研究室目前电力电子电路可靠性及故障预测的难点。器件和电路失效物理模型复杂，在各种环境应力下性能衰退机制和规律相差较大，物理模型难以确立。

　　2)故障特征参数的确定。

　　随着功率器件逐渐老化，其本身对电路所产生的输入输出特性也将随之退化，如何选取故障特征参数，并通过监测选定的电路特性参数获得此特征参数是现阶段研究热点之一。

　　3)利用尽可能少的检测点实现对功率器件故障特征参数的提取。

　　现阶段关于功率器件各种故障特征参数提取大多存在检测点较多，实际应用较为复杂等问题。检测点过多不仅增加了电路成本，同时不利于系统可靠性提高。因此，利用尽可能少的检测点，甚至直接利用电路现有检测点，如电路控制中所用的输入输出电压电流检测、散热装置温度检测等，实现对功率器件故障特征参数提取是现阶段故障特征参数提取技术一个重要的研究趋势。——论文作者：任磊，韦徵，龚春英，沈茜

　　参考文献

　　[1] 汤广福，温家良，贺之渊，等.大功率电力电子装置等效试验方法及其在电力系统中的应用[J].中国电机工程学报，2008，28(36)：1-9. Tang Guangfu ， Wen Jiajiang ， He Zhiyuan ， et al.Equivalent testing approach and its application in power system for high power electronics equipment [J].Proceedings of the CSEE，2008，28(36)：1-9(in Chinese).

　　[2] 马伟明.电力电子在舰船电力系统中的典型应用[J].电工技术学报，2011，26(5)：1-7. Ma Weiming.Typical applications of power electronics in naval ship power systems[J] . Transactions of China Electrotechnical Society，2011，26(5)：1-7(in Chinese).

　　[3] 张文亮，汤广福，查鲲鹏，等.先进电力电子技术在智能电网中的应用[J].中国电机工程学报，2010，30(4)： 1-7. Zhang Wenliang，Tang Guangfu，Zha Kunpeng，et al.Application of advanced power electronics in smart grid[J].Proceedings of the CSEE，2010，30(4)：1-7(in Chinese).

　　[4] Kim S Y，Nam K，Song H S，et al.Fault diagnosis of a ZVS DC-DC converter based on DC-link current pulse shapes[J].IEEE Transactions on Industry Electronics， 2008，55(3)：1491-1494.

　　[5] Szczesny R，Kurzyński P，Piquet H，et al.Knowledgebase system approach to power electronic systems fault diagnosis[C]//IEEE International Symposium on Industrial Electronics.Warsaw，Poland：IEEE，1996：1005-1010.

　　[6] Lall P，Islam M N，Rahim M K，et al.Prognostics and health management of electronic packaging[J].IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies，2006，29(3)：666-676.

　　[7] Yang Shaoyong，Xiang Dawei，Bryant A，et al.Condition monitoring for device reliability in power electronic converters：a review[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25(11)：2734-2752.

　　[8] 崔江，王友仁.采用基于模糊推理的分类器融合方法诊断电力电子电路参数故障[J].中国电机工程学报，2009， 29(18)：54-59. Cui Jiang，Wang Youren.Testing EHT parametric faults of power electronic circuits applying classifiers fusion method based on fuzzy inference[J].Proceedings of the CSEE，2009，29(18)：54-59(in Chinese).

　　[9] 肖岚，李睿.逆变器并联系统功率管开路故障诊断研究 [J].中国电机工程学报，2006，26(4)：99-104. Xiao Lan，Li Rui.Research on the open-circuit fault

　　相关期刊推荐：《电子世界》杂志于1979年创刊，半月刊主要读者对象不仅包括各电子领域专家学者、各大专院校师生、研究机构资深人士，还有政府、行业主管部门领导及电子行业的企业家，因其学术性、权威性、系统性、前瞻性而广受业界人士关注。全方位推崇E时代大众电子科学意识，传播电子与信息领域的新知识，新技术以及最新科研成果和技术进展。