TW201802480A - 功率模組之錄波方法及錄波裝置 - Google Patents

Abstract

本案公開一種功率模組之錄波方法及錄波裝置。該方法包括：步驟1：通過一採集單元採集該功率模組之運行參數；步驟2：通過一處理器讀取並處理該運行參數，以得到該功率模組之即時參數；步驟3：當該功率模組開機運行後，將該即時參數存儲到一第一存儲單元；步驟4：當該處理器判斷該功率模組發生異常時，將對應之故障資訊和該功率模組之即時參數存儲至一第二存儲單元之按照預設策略獲得的存儲位址中。本案通過內置於功率模組之錄波裝置，能夠實現即時錄波功能並具有良好的可擴展性。

Description

功率模組之錄波方法及錄波裝置

本案涉及電力電子技術，尤其涉及一種功率模組之錄波方法及錄波裝置。

在大功率電力電子產品中，由開關器件所組成之功率模組（power module）是產品之核心部分，功率模組之性能表現和設計規則基本上決定了大功率電力電子產品之主要性能指標。

由逆變器所組成的大功率電力電子裝置中，變頻器或變流器等設備佔有較大比重，而這類電力電子裝置之核心部件就是由開關器件所組成之功率模組。

大功率逆變器工作在高壓大電流環境下，客戶對變流器系統之可靠性和可用性有很高要求，如何設計便於維護，可靠性高，具有超高可利用率之智慧功率模組，是電力電子設計者最重要的課題。

目前，大多數廠家會在變流器系統（包含變頻器等）上設有故障錄波功能。但是，由於系統需要採集很多資訊，資料量很大，從而導致在一定存儲容量內，參數取樣速率比較低，錄波時間比較短，不能完整觀察故障發生時各個參數波形。而如果系統僅僅依靠增加存放裝置之容量，不僅導致成本增加，同時利用工業介面讀取存放裝置中的資料所用時間會很長。

在一定狀況下，需要讓故障複現，觀察即時上傳之參數，這種參數上傳沒有時間限制，從而在根本上利用線上即時上傳之參數波形對故障原因進行分析。因此，系統上一般還需要配備線上示波功能。但是，現有之線上示波具有很大的局限性，只有在變流器能夠正常開啟的狀態下，線上示波才有觀察波形之可能，如果先前故障使得某一器件發生了損壞，導致變流器無法運行，也就不能通過線上示波找到故障原因；只有故障能夠複現，才有分析故障之可能，同樣對於某些偶爾發生之故障，線上示波具有很大的局限性。

另一方面，現在越來越多變流器生產廠商單獨購買功率模組，但在現場調試或者運行時候，一般只有變流器廠商人員調試，模組廠家一般不會派人跟隨調試，一旦疑似功率模組故障導致系統停機，現場人員只能更換該功率模組，將疑似故障之功率模組返回模組廠家進行問題分析。由於模組廠家很難得到現場運行之各種工況以及參數，廠內測試情況又與現場情況不同，給模組廠家分析及解決故障帶來很多不便，甚至無法找到根本原因。

市場上現有的功率模組在故障資訊存儲上比較單一，當故障發生時，只會將發生之故障類型資訊進行存儲。在對功率模組之故障資訊進行讀取後，只能判斷該時刻發生了哪些故障；當多個故障發生時，由於沒有故障發生之時間資訊並不能判斷故障發生之先後次序，也沒有更詳細之資料資訊。這種情況下，維護人員很難從存儲的資訊中提取到有用資訊來分析發生故障之根本原因。

本案基於系統錄波之局限性及功率模組故障原因查找之困難性，提出一種功率模組之錄波方法及錄波裝置，能夠實現功率模組故障資訊及相關參數之即時錄波功能。

根據本公開之一方面，提供一種功率模組之錄波方法，包括：步驟1：通過一採集單元採集該功率模組之運行參數；步驟2：通過一處理器讀取並處理該運行參數，以得到該功率模組之即時參數；步驟3：當該功率模組開機運行後，將該即時參數存儲到一第一存儲單元；步驟4：當該處理器判斷該功率模組發生異常時，將對應之故障資訊和該功率模組之即時參數存儲至一第二存儲單元之按照預設策略獲得的存儲位址中。

於一實施例中，該功率模組之即時參數包括經採樣處理後之該運行參數，及根據該運行參數計算出的該功率模組之核心資料參數。

於一實施例中，該第二存儲單元中存儲記錄該功率模組發生之多次故障之故障資訊，並且記錄最近N次故障中每一次故障發生時前後一定時間段內該功率模組之即時參數，其中N為正整數。

於一實施例中，於該步驟3中包含：預設一時長T，該第一存儲單元存儲該時長T內之即時參數，當該功率模組未發生異常時，循環更新該第一存儲單元內之資料；當該功率模組發生異常時，一計時器開始計時，當該計時器未達到時長T/2時，持續更新該第一存儲單元內之資料，當該計時器達到時長T/2時，停止更新該第一存儲單元內之資料。

於一實施例中，於該步驟4中包含：步驟41：讀取一即時時鐘之時間及該第二存儲單元中之故障總次數，將該故障總次數加1，並更新該第二存儲單元中之故障總次數；步驟42：按照該預設策略獲得該存儲位址，即根據更新後的故障總次數，計算本次故障對應之故障資訊和即時參數在該第二存儲單元中之存儲位址；步驟43：該功率模組發生異常時，該計時器開始計時，當該計時器達到時長T/2時，將本次故障對應之故障資訊和該第一存儲單元內存儲之即時參數存入步驟42所述之存儲位址中。

於一實施例中，當該計時器達到時長T/2時，該第一存儲單元中存儲有該功率模組異常時，前T/2時長內之即時參數及後T/2時長內之即時參數。

於一實施例中，還包含步驟5：根據該第二存儲單元內存儲的即時參數，生成最近N次故障中任意一次或多次故障對應之即時參數波形。

於一實施例中，該故障資訊包含通過讀取該即時時鐘之時間獲得之故障發生時間，通過該處理器判斷出之故障位置及故障類型。

於一實施例中，該功率模組通過編碼形式將該故障資訊及對應之即時參數傳送給系統。

根據本公開之再一方面，提供一種功率模組內之錄波裝置，包含：一採集單元，採集該功率模組之運行參數；一處理器，讀取並處理該運行參數，以得到該功率模組之即時參數；一第一存儲單元，當該功率模組開機運行後，存儲該即時參數；一第二存儲單元，當該處理器判斷該功率模組發生異常時，存儲對應之故障資訊和該功率模組之即時參數存儲至一按照預設策略獲得的存儲位址中。

於一實施例中，該處理器對該功率模組之運行參數進行採樣處理，並根據該功率模組之運行參數計算出該功率模組之核心資料參數；其中，該功率模組之即時參數包括經採樣處理後的該運行參數及計算出的該功率模組之核心資料參數。

於一實施例中，該第二存儲單元能夠實現存儲該功率模組發生之多次故障之故障資訊，並且記錄最近N次故障中每一次故障發生時前後一定時間段內該功率模組之即時參數，其中N為正整數。

於一實施例中，預設一時長T，該第一存儲單元存儲時長T內之即時參數，當該功率模組未發生異常時，循環更新該第一存儲單元內之資料；當該功率模組發生異常時，一計時器開始計時，當該計時器未達到時長T/2時，持續更新該第一存儲單元內之資料，當該計時器達到時長T/2時，停止更新該第一存儲單元內之資料。

於一實施例中，還包括：一即時時鐘；其中，當該功率模組發生異常時，該處理器讀取該即時時鐘之時間及該第二存儲單元中之故障總次數，將該故障總次數加1，並更新該第二存儲單元中之故障總次數，根據更新後之故障總次數，計算本次故障對應之故障資訊和即時參數在該第二存儲單元中之存儲位址；該計時器開始計時，當該計時器達到時長T/2時，將本次故障對應之故障資訊和該第一存儲單元內之即時參數存入計算出的存儲位址中。

於一實施例中，當該計時器達到時長T/2時，該第一存儲單元中存儲有該功率模組異常時，前T/2時長內之即時參數及後T/2時長內之即時參數。

於一實施例中，還包括：故障波形生成單元，用於根據該第二存儲單元內存儲之即時參數，生成最近N次故障中任意一次或多次故障對應之即時參數波形。

於一實施例中，該故障資訊包含通過讀取該即時時鐘之時間獲得的故障發生時間，通過該處理器判斷出的故障位置及故障類型。

於一實施例中，該第一存儲單元為靜態隨機存取記憶體，該第二存儲單元為flash記憶體。

本案針對現有技術之有益效果至少體現在以下幾點：可以將故障類型以及發生時間等資訊存儲到存放裝置中，通過讀取存儲之資訊，可以清晰的瞭解故障發生之頻率，方便維護人員分析某些共性故障。同時通過瞭解故障次數以及故障類型，能夠更好的掌握功率模組之運行狀況，有利於功率模組之維護。將功率模組發生故障時前後一定時間內之參數進行記錄存儲，可以存儲最近N次故障發生時之即時參數。維護人員通過讀取其中任意一次或多次故障之即時參數波形，可以分析功率模組故障時各個參數之波形變化，從而判斷發生故障之根本原因。

現在將參考附圖更全面地描述本案之實施方式，提供這些實施方式將使得本案之公開更加全面和完整，但不應被解釋為對本案實施之限制。附圖僅為本案之示意性圖解，並非是按比例繪製。圖中相同之附圖標記表示相同或類似之部分，因而將省略對它們之重複描述。

此外，所描述之特徵、結構、方法步驟或特性可以以任何合適之方式結合在一個或更多實施例中。在下面描述中，提供許多具體細節從而給出對本公開之實施例之充分理解。然而，本領域技術人員將意識到，可以實踐本公開之技術方案而沒有所述特定細節中之一個或更多，或者可以採用其它之方法、元器件、材料等。在其它情況下，不詳細示出或描述公知結構、方法、裝置、材料或者操作以避免喧賓奪主而使得本公開之各方面變得模糊。

在實施方式與專利申請範圍中，除非文中對於冠詞有所特別限定，否則“一”與“該”可泛指單一個或多個。本案中，涉及“耦接”之描述，其可泛指一元件透過其它元件而間接連接至另一元件，或是一元件無須透過其它元件而直接連接至另一元件。

請參照圖1至圖3，圖1示意性示出本案一種功率模組之錄波方法之流程圖；圖2示意性示出本案一種功率模組之錄波方法中第一存儲單元存儲資料之方法流程圖；圖3示意性示出本案一種功率模組之錄波方法中第二存儲單元存儲資料之方法流程圖。

如圖1所示，本案一種功率模組之錄波方法包含：步驟S110，通過一採集單元採集該功率模組之運行參數；步驟S120，通過一處理器讀取並處理該運行參數，以得到該功率模組之即時參數；步驟S130，當該功率模組開機運行後，將該即時參數存儲到一第一存儲單元；步驟S140，該處理器判斷該功率模組是否發生異常，當該處理器判斷該功率模組發生異常時，進入下一步；反之，跳回到步驟S130繼續循環更新該第一存儲單元中之即時參數；步驟S150，將對應之故障資訊和該功率模組之即時參數存儲至一第二存儲單元之按照預設策略獲得之存儲位址中。

進一步地，在步驟S110中，該運行參數包括但不限於該功率模組之輸出電流、直流匯流排兩端之BUS電壓、濕度、環境溫度、散熱器溫度、直流支撐電容表面溫度、冷卻元件入口溫度、冷卻元件出口溫度、開關器件（例如IGBT）內部之溫度、系統輸入之開關信號頻率等。

進一步地，在步驟S120中，該功率模組之即時參數包括經採樣處理後之該運行參數，及根據該運行參數計算出的該功率模組之核心資料參數。其中，該核心資料參數包括但不限於該功率模組之輸出功率、即時損耗功率、開關器件內部結溫、電容表面溫升、電流有效值。

再進一步地，於該功率模組之錄波方法中，步驟S130包含：預設一時長T，該第一存儲單元存儲該時長T內之即時參數，當該功率模組未發生異常時，循環更新該第一存儲單元內之資料；當該功率模組發生異常時，一計時器開始計時，當該計時器未達到時長T/2時，持續更新該第一存儲單元內之資料，當該計時器達到時長T/2時，停止更新該第一存儲單元內之資料。詳細之執行步驟如圖2所示。

圖2中設定預設時長T等於4s，當然具體之預設時長T可以根據實際需求進行設置，對此並不構成對本案之限制；該第一存儲單元採用SRAM（Static Random Access Memory，靜態隨機存取記憶體）為例進行說明。

首先執行步驟S131：判斷該功率模組是否開機運行。如果該功率模組開機，則進入步驟S132；反之，繼續判斷該功率模組是否開機運行。

值得注意的是，即時錄波可以在檢測到功率模組開機後才啟動，這樣可以避免由於功率模組自身單元損壞或其它原因，在上電後功率模組還沒有開機運行之情況下，檢測到故障後進行錄波。因為這種情況下記錄之波形可能對於維護分析人員沒有意義，更可能會覆蓋之前已經記錄之有效之波形資料。

步驟S132：循環更新SRAM中之即時參數。SRAM中儲存了時長T內之資料，本實施例中時長T等於4s。具體地，當檢測到該功率模組開機信號後，該處理器會將採樣處理後的運行參數、計算出的核心資料參數即時地存儲到資訊暫存部分即SRAM中。其中，採樣頻率為系統輸入之開關信號頻率之兩倍或者兩倍以上。按照香農採樣定律，採樣頻率在開關頻率兩倍以上時，採樣信號能夠很好的跟蹤實際輸出信號。

步驟S133：判斷該功率模組是否發生異常；如果該功率模組發生異常，則進入步驟S134；反之，跳回到步驟S132繼續循環更新該SRAM中之即時參數。

步驟S134：計時器開始計時。

步驟S135：判斷計時2s是否完成。如果計時達到2s，則進入步驟S136；反之，繼續判斷計時2s是否完成且繼續循環更新該SRAM中之資料。

步驟S136：停止更新該SRAM中之即時參數。此時，計時器計時達到2s，SRAM中存儲有該功率模組發生異常時，前2s之即時參數及後2s之即時參數。

再進一步地，於該功率模組之錄波方法中，步驟S150包含：讀取一即時時鐘之時間及該第二存儲單元中之故障總次數，將該故障總次數加1，並更新該第二存儲單元中之故障總次數；按照該預設策略獲得該存儲位址，即根據更新後之故障總次數，計算本次故障對應之故障資訊和即時參數在該第二存儲單元中之存儲位址；該功率模組發生異常時，該計時器開始計時，當該計時器達到時長T/2時，將本次故障對應之故障資訊和該第一存儲單元內存儲之即時參數存入計算出的該存儲位址中。詳細執行步驟如圖3所示。

在圖3中，還是以設定預設時長T等於4s、第一存儲單元為SRAM為例，當然具體之預設時長T可以根據實際需求進行設置，對此並不構成對本案之限制；第二存儲單元採用flash為例進行說明。

首先執行步驟S151：判斷該功率模組是否發生異常。如果該功率模組發生異常，則進入下述步驟S152、S154、S155；反之，繼續判斷該功率模組是否發生異常。

步驟S152：當該功率模組發生異常時，該計時器開始計時。需要說明之是，步驟S152中之計時器與步驟S134中之計時器為同一計時器，可以稱為故障計時器。

步驟S153：判斷計時2s是否完成。如果計時達到2s，則進入步驟S157；反之，繼續判斷計時2s是否完成且繼續循環更新該SRAM中之資料。

步驟S154：當該功率模組發生異常時，讀取RTC（Real-Time Clock，即時時鐘）時間並記錄為本次故障之發生時間。

步驟S155：當該功率模組發生異常時，讀取flash中存儲之故障總次數，並更新該flash中存儲之故障總次數。例如，讀取存在flash中之前已經發生故障之總次數，將讀取到之總故障次數加“1”，並存儲為新之故障總次數。

步驟S156：根據更新後之故障總次數，分別計算本次故障對應之故障資訊和即時參數在該flash中之存儲位址。由於本案實施例之功率模組之錄波方法，可以存儲多次故障之故障資訊和即時參數，所以需要根據發生故障之總次數，分別計算出本次故障之故障資訊存儲在該flash中之位址和本次故障之即時參數存儲在該flash中之位址。

步驟S157：當計時到達2s，將本次故障對應之故障資訊和SRAM中存儲之即時參數存入步驟S156計算出的flash之相應存儲位址中。該故障資訊包含通過該步驟S154讀取RTC時間獲得的故障發生時間，通過該處理器判斷出的故障位置及故障類型。該故障類型包括但不限於該功率模組之輸出過流故障、BUS電壓過壓故障、直流支撐電容表面溫度過高故障、直流支撐電容表面溫度溫升過高故障、開關器件結溫過高故障、開關信號頻率異常故障、模組輔助電掉電故障和模組開關器件短路故障。

需要說明之是，當功率模組發生異常時，可以同時開始實施步驟S152、S154和S155，或者可以先計時器開始計時和讀取RTC時間，再讀取存在flash中之前已經發生之故障總次數。而當計時器計時2s完成且已經讀取RTC時間及計算出本次對應之故障資訊和即時參數在該flash中之存儲位址後，再實施步驟S157。

本案實施例中，該功率模組之錄波方法，第二存儲單元（flash）存儲之故障即時參數對應為故障前2s到故障後2s之時間段內之資料。當該功率模組有故障發生時，立即啟動故障計時器，在計時器計時沒有達到2s之前，一直持續的將採集之運行參數和計算之即時參數存儲到SRAM中，當計時器計時達到2s以後，停止更新SRAM中之資料，並記下SRAM更新的最後一個資料之位址，從這個位址的下一個位址開始，順序讀取SRAM中之資料，將讀取到的資料順序存入之前計算出的存儲故障資訊和即時參數之位址中，直到SRAM中資料全部轉移到flash中。

在示例性實施例，該錄波方法能夠實現存儲該功率模組發生之多次故障之故障資訊，並且記錄最近N次故障中每一次故障發生時前後一定時間段內（如故障前2s和故障後2s）該功率模組之即時參數，其中N為正整數。例如，N為7，當然具體可以存儲多少次故障之即時參數是根據該第二存儲單元之容量來確定和/或根據實際需求來選擇。

再進一步地，於該功率模組之錄波方法中，還包含下述步驟：根據該第二存儲單元內存儲之即時參數，生成最近N次故障中任意一次或多次故障對應之即時參數波形。請參照圖6，圖6示意性示出本案一種功率模組之錄波裝置生成最近N次故障波形之示意圖。如圖6所示，該錄波裝置對該功率模組之最近N次發生之故障進行即時錄波，可以根據存儲之即時參數生成最近第一次故障詳細波形、最近第二次故障詳細波形、至最近第N-1次故障詳細波形及最近第N次故障詳細波形，其中，該最近第一次故障詳細波形、最近第二次故障詳細波形、至最近第N-1次故障詳細波形及最近第N次故障詳細波形中包括對應之故障發生時之前2s和故障發生時之後2s之所有監測值。

在示例性實施例，該功率模組通過編碼形式將該故障資訊及對應之即時參數傳送給系統。具體地，功率模組與例如變流器系統通過編碼之方式進行資訊傳輸，當系統請求讀取故障資訊或者故障波形時，功率模組能夠通過編碼形式將資料傳送給系統，當系統需要清除故障等措施時，功率模組會採取相應之措施。

本案實施方式提出之具備以上功能之功率模組之錄波方法，可以將發生故障前後一定時間內所採集到之運行參數和計算獲得之即時參數進行記錄存儲，同時具備根據存儲之即時參數生成最近N次故障發生時之完整波形之功能，維護人員可以讀取其中任意一次或多次故障之即時參數波形，從中分析功率模組故障時各個參數之波形變化，從而判斷出發生故障之根本原因。

圖4示出本案一種功率模組內之錄波裝置400之原理框圖。如圖4所示，該裝置400包括：一採集單元410，採集該功率模組之運行參數；一處理器420，讀取並處理該運行參數，以得到該功率模組之即時參數；一第一存儲單元430，當該功率模組開機運行後，存儲該即時參數；一第二存儲單元440，當該處理器判斷該功率模組發生異常時，存儲對應之故障資訊和該功率模組之即時參數至一按照預設策略獲得的存儲位址中。

在示例性實施例，該採集單元410主要採集該功率模組之輸出電流、一直流匯流排兩端之BUS電壓、一直流支撐電容之表面溫度T1、一冷卻元件入口之溫度T2、一冷卻元件出口之溫度T3、開關器件內部之溫度T4、環境溫度T5及系統輸入之開關信號頻率f等該功率模組之運行參數。

在示例性實施例，該處理器420對該功率模組之運行參數進行採樣處理，並根據該功率模組之運行參數計算出該功率模組之核心資料參數。其中，該功率模組之即時參數包括經採樣處理後的該運行參數及計算出的該功率模組之核心資料參數。該核心資料參數能夠直觀判斷該功率模組之運行狀況。

在示例性實施例，該第二存儲單元440能夠存儲該功率模組發生的多次故障之故障資訊及記錄最近N次故障中每一次故障發生時前後一定時間段內該功率模組之即時參數，其中N為正整數。

在示例性實施例，該第一存儲單元430存儲預設之一時長T內之即時參數。當功率模組未發生異常時，循環更新該第一存儲單元430中之資料。當功率模組發生異常時，一計時器開始計時，當該計時器未達到時長T/2時，持續更新該第一存儲單元430內之資料，當該計時器達到時長T/2時，停止更新該第一存儲單元430內之資料。

在示例性實施例，該錄波裝置還包括：一即時時鐘；其中，當該功率模組發生異常時，該處理器420讀取該即時時鐘之時間及該第二存儲單元440中之故障總次數，將該故障總次數加1，並更新該第二存儲單元440中之故障總次數，根據更新後之故障總次數，計算本次故障對應之故障資訊和即時參數在該第二存儲單元440中之存儲位址；該計時器開始計時，當該計時器達到時長T/2時，將本次故障對應之故障資訊和該第一存儲單元430內存儲之即時參數存入計算出的該第二存儲單元440之存儲位址中。

在示例性實施例，其中當計時器達到時長T/2時，即當停止更新該第一存儲單元430之資料時，該第一存儲單元430中存儲有該功率模組異常時，前T/2時長內之即時參數及後T/2時長內之即時參數。

在示例性實施例，該第一存儲單元430為靜態隨機存取記憶體（SRAM），該第二存儲單元440為flash記憶體。當然，本案中所說之SRAM、flash是用於示例性說明，並非用於限制本案，即根據系統設計之需求，可以選擇採用任意一種合適之存儲方式。

在示例性實施例，該故障資訊包含通過讀取該即時時鐘之時間獲得的故障發生時間，通過該處理器420判斷出的故障位置及故障類型。

圖5為該錄波裝置之一具體實施例之結構示意圖。如圖5所示，該錄波裝置包括：信號調理電路510，其用於對各類感測器採集到的該功率模組之運行參數進行處理，使其適合AD採樣電路520之輸入；AD採樣電路520，其分別電性耦接該信號調理電路510和處理器530，對經過該信號調理電路510處理後的該運行參數進行採樣，並將採樣後的運行參數輸入至該處理器530；處理器530（例如，MUC或ASIC器件）分別與該AD採樣電路520、第一存儲單元SRAM 540、即時時鐘RTC 550、第二存儲單元flash 560電性耦接。該處理器530對該功率模組之運行參數進行計算，以獲得該功率模組之核心資料參數。

在示例性實施例，該flash 560可以包括第一存儲區域561和第二存儲區域562，分別用於存儲故障資訊和即時參數。其中，該flash 560之第一存儲區域561中存儲功率模組發生的1~n次故障之故障資訊，n為正整數，n可以大於等於1000。該故障資訊包括故障發生時間、電流故障位置、溫度故障位置1至溫度故障位置M以及其他故障類型資訊等，M為正整數。該flash 560之第二存儲區域562中可以存儲最近發生之N次故障中每一次故障發生時功率模組之即時參數，N為正整數。例如N等於7，存儲最近發生故障之即時參數時，最近一次故障之即時參數會將之前第1次故障之即時參數覆蓋，保證存放裝置中存儲之即時參數為最近N次故障發生時之即時參數。該即時參數包括最近N次故障中每一次故障發生時前後一定時間（例如前後2s）內之資料。

在示例性實施例，該錄波裝置還包括：故障波形生成單元，用於根據該第二存儲單元560之第二存儲區域562內存儲之即時參數，生成最近N次故障中任意一次或多次故障對應之即時參數波形。

圖7A示意性示出從本案功率模組內之錄波裝置中讀出之某一次故障電流波形。圖7B示出圖7A之故障電流波形之放大圖。如圖7A所示，可以清楚的觀察故障發生時電流之即時變化。

在一定條件下，該錄波裝置將採集到之資料與計算處理得到之資料存入存放裝置（例如flash 560）中，維護人員通過通用通信介面將存放裝置中之資料讀取出來，並對即時錄波資訊進行直觀分析，有助於有效、方便的判斷發生異常或者故障之根本原因，最終使功率模組具有非常高之可用性和智慧性。

例如功率模組中之錄波裝置存儲最近7次故障之即時參數，並可得到最近7次故障對應之參數波形。當維護人員通過通信介面將功率模組與PC機連接好，點擊HMI介面上連接按鈕，功率模組收到連接指令後，自動上傳所有故障資訊，HMI介面根據存儲之故障資訊提取最近7次故障發生之時間，維護人員可以點擊這些時間讀取對應之參數波形。維護人員不僅可以查看最近一次故障之參數波形，分析功率模組發生故障之原因，同時可以查看之前多次故障之參數波形，幫助分析系統級問題。同時，維護人員可以讀取所有故障發生之時間及對應之故障類型，確定故障發生之次數、頻率等資訊，幫助分析功率模組和系統發生故障之根本原因，維護功率模組及系統之穩定性，提高功率模組之智慧性。

本案實施方式提供之錄波裝置，可以採集與功率模組運行狀況相關之運行參數以及環境參數，可以將故障發生時的故障類型以及故障發生時間，及最近N次故障發生時對應之功率模組之參數等資訊存儲到存放裝置中。判定發生故障之類型（可存儲千次以上故障類型），通過與故障發生時間配對，可以清晰的瞭解故障發生之頻率等資訊，方便維護人員分析某些共性故障，同時維護人員基於對故障次數以及故障類型之瞭解，能夠更好的掌握該功率模組之運行狀況，對該功率模組之維護提供針對性之對策。

本公開還揭露了一種功率模組，該功率模組包括：功率轉換電路；分散設置於該功率模組內之多個感測器；錄波裝置，與該多個感測器進行信號通訊；以及驅動控制裝置，其電性耦接於該功率轉換電路及該錄波裝置。功率模組之具體結構，請一併參照圖8和圖9。

以一種單相功率模組為例，圖8示出本案中內置錄波裝置之功率模組之電路圖。如圖8所示，功率模組800包括：功率轉換電路810，分散在該功率模組800中之各類感測器（如871~877），錄波裝置820及驅動控制裝置830。其中，錄波裝置820接收該各類感測器採集之信號，驅動控制裝置830電性耦接於功率轉換電路810及錄波裝置820。功率模組800還包括冷卻元件（冷卻元件入口841、冷卻元件出口842），直流支撐電容850，直流匯流排（正直流匯流排861、負直流匯流排862），交流匯流排880。

在示例性實施例中，該功率轉換電路810為一單相電路，即接收直流輸入電能，並輸出一相交流電能。功率轉換電路810包含多個開關器件，該開關器件可以是IGBT或MOSFET等。

該各類感測器包括：測量該功率模組內部濕度之濕度感測器（圖8中未示出）；用於測量該直流支撐電容表面溫度之第一溫度感測器871，其貼裝在直流支撐電容850之表面；測量環境溫度之第二溫度感測器873；測量功率轉換電路810中開關器件內部溫度之第三溫度感測器877；測量冷卻元件入口841溫度之第四溫度感測器875；測量冷卻元件出口842溫度之第五溫度感測器876；用於測量該正直流匯流排861與負直流匯流排862兩端電壓之電壓感測器872，其耦接於正直流匯流排861與負直流匯流排862之間；電流感測器874套設於該交流匯流排880上，通過互感測量該功率模組之輸出電流。舉例說明濕度感測器之作用，利用濕度感測器檢測功率模組所處環境之濕度，結合濕度和環境溫度之變化，來判斷功率模組之器件上是否存在凝露之可能，以便針對會產生凝露之環境做出相應之整改措施，甚至可以據此判定某些失效是由凝露造成。

該錄波裝置820，接收測量該功率模組各類運行參數之感測器採集之信號，記錄經該多個感測器測量之功率模組之相關參數，功率模組發生故障之時間及故障類型，存儲功率模組之多次故障資訊及最近N次故障對應之參數波形。具體之細節可參考上文對錄波方法及錄波裝置之說明，此處不再贅述。

該驅動控制裝置830，電性耦接於該功率轉換電路810，對系統輸入之開關信號進行必要之邏輯處理，以驅動功率轉換電路810中的開關器件進行相關動作，其中邏輯處理可以採用任意一種現有方式，在此不再詳細描述。驅動控制裝置830還與該錄波裝置820電性耦接，該驅動控制裝置830即時監測開關器件是否有短路現象，一旦出現短路現象，驅動控制裝置830立即向錄波裝置820回饋短路故障信號；同時，在功率模組800發生故障情況下，錄波裝置820會向驅動控制裝置830發送封鎖信號，進而驅動控制裝置830封鎖開關信號，功率轉換電路810停止輸出。

該開關器件冷卻元件可以是水冷式冷卻元件和/或風冷式冷卻元件，包括冷卻元件入口841和冷卻元件出口842。直流匯流排，包括正直流匯流排861和負直流匯流排862。直流支撐電容850，電性耦接於正直流匯流排861和負直流匯流排862之間，具體地，直流支撐電容850分別電性耦接於該功率模組之直流正負極端子。交流匯流排880，電性耦接於該功率模組800之交流端子。

圖9示出本案中內置錄波裝置之功率模組之結構示意圖。如圖9所示，該功率模組900包括：功率轉換電路910；多個感測器920（圖9中沒有將所有之感測器標識出來）；錄波裝置930；驅動控制裝置940；直流匯流排950；交流匯流排960；直流支撐電容970；開關器件冷卻元件980。從圖9可以得出，相對於變流器系統設置錄波功能，在功率模組900中集成錄波裝置、各類感測器，走線簡單，節省空間，信號傳輸準確。同時，錄波裝置930設置在功率模組900之邊緣，不會過多佔用功率模組900之內部空間。

本領域技術人員應該清楚的知道，圖8、圖9僅示意性示出功率模組之部分結構，功率模組還包括其它必要之結構元件（圖中未標識出）。

上述實施例提供之功率模組自身採集、計算、存儲參數，相對整個變流器系統採集、計算、存儲參數有著很大的優越性，至少體現在以下三點：第一，變流器系統針對功率模組之資料獲取主要側重於功率模組之輸出特性，包含輸出電流、開關器件溫度、BUS電壓等，而本案實施例中之功率模組關注整個模組所有能夠監測到的參數，能夠更好的幫助分析模組本身之根本特性。第二，相對整個變流器系統而言，功率模組自身需要採集、計算、存儲之資料會少很多，在有限之存儲空間內參數採樣頻率和存儲頻率可以比較高，同時可以存儲較長時長內之資料（例如存儲故障發生前後2s，共4s內之資料），從而有利於完整觀察模組發生故障之前一段時間內和後一段時間內各個參數更詳細之資料資訊；而高採樣速率能夠更好的複現功率模組發生故障時之參數波形，更有效協助分析人員分析發生故障之原因。第三，如果變流器系統與功率模組一樣，採集功率模組內很詳細之參數資訊，那麼勢必要將功率模組中各個感測器與系統連接，而功率模組作為系統中功率輸出之主要部件，太多的線從功率模組內部拉出，會導致走線困難，甚至出現高低壓走線紊亂，除了有高低壓絕緣問題外還有信號傳輸線干擾問題，導致信號傳輸失真，無法協助維護人員分析，甚至會導致維護人員對問題之誤判。功率模組監測本身之底層參數，並在一定條件下，將採集之參數存儲到存放裝置中，減小了變流器系統之負擔，同時能夠保證底層參數之完整性，對模組分析或系統分析起到很大的促進作用。

圖10A-10C示意性示出功率轉換電路之電路圖。功率轉換電路為功率模組之主回路，按照相數集成度劃分，可分為：單個開關組組成之電路，單相電路，雙相電路及三相電路。圖10A示出一單相電路拓撲，包含兩個並聯橋臂，該單相電路輸入/輸出一相交流電能。圖10B示出一雙相電路拓撲，包含四個並聯橋臂，該雙相電路輸入/輸出兩相交流電能。圖10C示出一三相電路拓撲，包含6個並聯橋臂，該三相電路輸入/輸出三相交流電能。單個開關組組成之電路由於佈局限制難以進行優化，雙相電路或三相電路集成在一個功率模組中，尺寸和重量較難控制，且功率等級擴展受到限制。相對而言，單相電路集成之功率模組具有較高靈活性。變流器系統會包含多個功率模組，以變流器系統實現AC/AC轉換為例，至少需要包含六個單相功率模組以實現電能轉換。

一般地，變流器系統應用於高壓大功率場合，需要通過功率模組並聯來增加系統輸出能力（例如功率等級）。如圖11所示，示意性示出現有功率模組並聯之電路框圖。第一功率模組111和第二功率模組112並聯，功率模組111、112之具體結構不再詳述。功率模組並聯後，系統採集之電流為兩個模組並聯後之總電流，如果在運行過程中，系統檢測到發生了過流故障，卻不能判斷出兩個功率模組中哪個模組發生過流故障還是兩個功率模組均發生過流故障。除此之外，這種系統採集匯流排電壓只會採集直流匯流排上面的電壓，而非功率模組內部之開關器件兩端匯流排之電壓，這種參數採集方式存在比較大局限性。

現有功率模組並聯還存在一種情況，當該功率模組112出現短路現象時，開關器件開關瞬間會產生電壓尖峰，由於功率模組內部電氣連接雜散電感（例如L1和L2），及功率模組111中存在較大的直流匯流排支撐電容C1，在DC+和DC-之間電壓感測器113將檢測不到這種電壓尖峰，在後續故障分析過程中，就失去了一個故障判斷依據，甚至造成誤分析。

而本案提供之功率模組很好的解決了上述問題，如圖12所示，示意性示出本案功率模組並聯之電路框圖。功率模組121和功率模組122並聯，功率模組121、122之具體結構參照上述實施例，在此不再詳述。採用本案集成錄波裝置之功率模組，每個功率模組本身具有參數採集檢測功能，例如電流檢測和電壓檢測。舉例說明，功率模組121具有電流感測器1210檢測其交流匯流排之輸出電流，功率模組122具有電流感測器1220檢測其交流匯流排之輸出電流，而不是如圖11所示僅檢測交流匯流排123之電流。功率模組121和功率模組122之直流端子通過直流匯流排連接於直流端DC+和DC-，功率模組121包含電壓感測器1211檢測其匯流排電壓，功率模組122包含電壓感測器1221檢測其匯流排電壓，而不是如圖11所示直接檢測DC+與DC-之間電壓。一旦模組出現異常，能夠快速判斷出具體是哪個功率模組出現異常。同時電壓檢測直接測量開關器件兩端之匯流排電壓，保證所採集和存儲之波形為模組本身最真實之資料，為維護人員提供更有效之分析資料。

圖12僅示出了兩個功率模組121和122，但是本領域普通技術人員應理解到並不限於此，根據電路設計需求，例如變流器還可以包括三個、四個或多個功率模組。

本案還揭露了一種變流器，包含上述功率模組。一般而言，變流器包含多個上述功率模組，部分的或全部功率模組之間彼此並聯，擴展變流器之輸出等級。功率模組與變流器系統通過編碼方式進行資訊傳輸。當變流器系統請求讀取故障資訊或者故障波形時，功率模組能夠通過編碼形式將資料傳送給變流器系統。當變流器系統需要清除故障等措施時，功率模組會採取相應之措施。

本案所公開功率模組，功率模組之錄波方法及錄波裝置，通過對採集功率模組之即時資訊、計算關鍵參數、存儲故障類型資訊和即時錄波故障資訊，克服了基於系統級存儲波形之局限性以及模組故障原因查找之困難性。

本領域技術人員在考慮說明書及實踐公開之發明後，將容易想到本案之其它實施方案。本申請旨在涵蓋本案之任何變型、用途或者適應性變化，這些變型、用途或者適應性變化遵循本案之一般性原理並包括未公開之本技術領域中之公知常識或慣用技術手段。說明書和實施例僅被視為示例性的，本案之真正範圍和精神由申請專利範圍指出。

S110至S150‧‧‧錄波方法步驟
S131至S136‧‧‧錄波方法中第一存儲單元存儲資料之方法步驟
S151至S157‧‧‧錄波方法中第二存儲單元存儲資料之方法步驟
400‧‧‧錄波裝置
410‧‧‧採集單元
420‧‧‧處理器
430‧‧‧第一存儲單元
440‧‧‧第二存儲單元
510‧‧‧信號調理電路
520‧‧‧AD採樣電路
530‧‧‧處理器
540‧‧‧第一存儲單元SRAM
550‧‧‧即時時鐘RTC
560‧‧‧第二存儲單元flash
561‧‧‧第一存儲區域
562‧‧‧第二存儲區域
800‧‧‧功率模組
810‧‧‧功率轉換電路
871‧‧‧第一溫度感測器
872‧‧‧電壓感測器
873‧‧‧第二溫度感測器
874‧‧‧電流感測器
875‧‧‧第四溫度感測器
876‧‧‧第五溫度感測器
877‧‧‧第三溫度感測器
820‧‧‧錄波裝置
830‧‧‧驅動控制裝置
841‧‧‧冷卻組件入口
842‧‧‧冷卻組件出口
850‧‧‧直流支撐電容
861‧‧‧正直流匯流排
862‧‧‧負直流匯流排
880‧‧‧交流匯流排
900‧‧‧功率模組
910‧‧‧功率轉換電路
920‧‧‧感測器
930‧‧‧錄波裝置
940‧‧‧驅動控制裝置
950‧‧‧直流匯流排
960‧‧‧交流匯流排
970‧‧‧直流支撐電容
980‧‧‧開關器件冷卻元件
111‧‧‧第一功率模組
112‧‧‧第二功率模組
113‧‧‧電壓感測器
121、122‧‧‧功率模組
123‧‧‧交流匯流排
1210、1220‧‧‧電流感測器
1211、1221‧‧‧電壓感測器

圖1示意性示出本案一種功率模組之錄波方法之流程圖。 圖2示意性示出本案一種功率模組之錄波方法中第一存儲單元存儲資料之方法流程圖。 圖3示意性示出本案一種功率模組之錄波方法中第二存儲單元存儲資料之方法流程圖。 圖4示意性示出本案一種功率模組內之錄波裝置之原理框圖。 圖5示意性示出本案一種功率模組內之錄波裝置之一具體實施例之結構示意圖。 圖6示意性示出本案一種功率模組之錄波裝置生成最近N次故障波形之示意圖。 圖7A-7B示意性示出本案一種功率模組之錄波裝置記錄的某一次故障對應之電流波形及其放大圖。 圖8示意性示出本案中內置錄波裝置之功率模組之電路圖。 圖9示意性示出本案中內置錄波裝置之功率模組之結構示意圖。 圖10A-10C示意性示出功率轉換電路之電路圖。 圖11示意性示出現有功率模組並聯之電路框圖。 圖12示意性示出本案功率模組並聯之電路框圖。

S110至S150‧‧‧錄波方法步驟

Claims (18)

1. 一種功率模組之錄波方法，其中包括： 步驟1：通過一採集單元採集該功率模組之運行參數； 步驟2：通過一處理器讀取並處理該運行參數，以得到該功率模組之即時參數； 步驟3：當該功率模組開機運行後，將該即時參數存儲到一第一存儲單元； 步驟4：當該處理器判斷該功率模組發生異常時，將對應之故障資訊和該功率模組之即時參數存儲至一第二存儲單元之按照預設策略獲得的存儲位址中。
2. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組之錄波方法，其中該功率模組之即時參數包括經採樣處理後之該運行參數，及根據該運行參數計算出的該功率模組之核心資料參數。
3. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組之錄波方法，其中該第二存儲單元中存儲該功率模組發生之多次故障之故障資訊，及最近N次故障中每一次故障發生時前後一定時間段內該功率模組之即時參數，其中N為正整數。
4. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組之錄波方法，其中於該步驟3中包含： 預設一時長T，該第一存儲單元存儲該時長T內之即時參數，當該功率模組未發生異常時，循環更新該第一存儲單元內之資料；當該功率模組發生異常時，一計時器開始計時，當該計時器未達到時長T/2時，持續更新該第一存儲單元內之資料，當該計時器達到時長T/2時，停止更新該第一存儲單元內之資料。
5. 如申請專利範圍第4項所述之功率模組之錄波方法，其中於該步驟4中包含： 步驟41：讀取一即時時鐘之時間及該第二存儲單元中之故障總次數，將該故障總次數加1，並更新該第二存儲單元中之故障總次數； 步驟42：按照該預設策略獲得該存儲位址，即根據更新後的故障總次數，計算本次故障對應之故障資訊和即時參數在該第二存儲單元中之存儲位址； 步驟43：該功率模組發生異常時，該計時器開始計時，當該計時器達到時長T/2時，將本次故障對應之故障資訊和該第一存儲單元內存儲之即時參數存入步驟42所述之存儲位址中。
6. 如申請專利範圍第4或5項所述之功率模組之錄波方法，其中當該計時器達到時長T/2時，該第一存儲單元中存儲有該功率模組異常時，前T/2時長內之即時參數及後T/2時長內之即時參數。
7. 如申請專利範圍第3項所述之功率模組之錄波方法，其中還包含步驟5： 根據該第二存儲單元內存儲的即時參數，生成最近N次故障中任意一次或多次故障對應之即時參數波形。
8. 如申請專利範圍第5項所述之功率模組之錄波方法，其中該故障資訊包含通過讀取該即時時鐘之時間獲得的故障發生時間，通過該處理器判斷出的故障位置及故障類型。
9. 如申請專利範圍第1項所述之功率模組之錄波方法，其中還包括：該功率模組通過編碼形式將該故障資訊及對應之即時參數傳送給系統。
10. 一種功率模組內之錄波裝置，包含： 一採集單元，採集該功率模組之運行參數； 一處理器，讀取並處理該運行參數，以得到該功率模組之即時參數； 一第一存儲單元，當該功率模組開機運行後，存儲該即時參數； 一第二存儲單元，當該處理器判斷該功率模組發生異常時，存儲對應之故障資訊和該功率模組之即時參數至一按照預設策略獲得的存儲位址中。
11. 如申請專利範圍第10項所述之功率模組內之錄波裝置，其中該處理器對該功率模組之運行參數進行採樣處理，並根據該功率模組之運行參數計算出該功率模組之核心資料參數； 其中，該功率模組之即時參數包括經採樣處理後的該運行參數及計算出的該功率模組之核心資料參數。
12. 如申請專利範圍第10項所述之功率模組內之錄波裝置，其中該第二存儲單元能夠實現存儲該功率模組發生之多次故障之故障資訊，並且記錄最近N次故障中每一次故障發生時前後一定時間段內該功率模組之即時參數，其中N為正整數。
13. 如申請專利範圍第10項所述之功率模組內之錄波裝置，其中預設一時長T，該第一存儲單元存儲時長T內之即時參數，當該功率模組未發生異常時，循環更新該第一存儲單元內之資料；當該功率模組發生異常時，一計時器開始計時，當該計時器未達到時長T/2時，持續更新該第一存儲單元內之資料，當該計時器達到時長T/2時，停止更新該第一存儲單元內之資料。
14. 如申請專利範圍第13項所述之功率模組內之錄波裝置，其中還包括： 一即時時鐘； 其中，當該功率模組發生異常時，該處理器讀取該即時時鐘之時間及該第二存儲單元中之故障總次數，將該故障總次數加1，並更新該第二存儲單元中之故障總次數，根據更新後之故障總次數，計算本次故障對應之故障資訊和即時參數在該第二存儲單元中之存儲位址；該計時器開始計時，當該計時器達到時長T/2時，將本次故障對應之故障資訊和該第一存儲單元內之即時參數存入計算出的存儲位址中。
15. 如申請專利範圍第13或14項所述之功率模組內之錄波裝置，其中當該計時器達到時長T/2時，該第一存儲單元中存儲有該功率模組異常時，前T/2時長內之即時參數及後T/2時長內之即時參數。
16. 如申請專利範圍第12項所述之功率模組內之錄波裝置，其中還包括： 故障波形生成單元，用於根據該第二存儲單元內存儲之即時參數，生成最近N次故障中任意一次或多次故障對應之即時參數波形。
17. 如申請專利範圍第14項所述之功率模組內之錄波裝置，其中該故障資訊包含通過讀取該即時時鐘之時間獲得的故障發生時間，通過該處理器判斷出的故障位置及故障類型。
18. 如申請專利範圍第10項所述之功率模組內之錄波裝置，其中該第一存儲單元為靜態隨機存取記憶體，該第二存儲單元為flash記憶體。