一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统及方法

1.本发明涉及电力电子设备局部放电测试技术领域，具体涉及一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统及方法。


背景技术：

2.碳化硅属于宽禁带功率半导体材料，相比于传统的硅具有很多优势，比如工作温度更高、通态损耗更低、开关频率更高和耐压强度更大等特点。在高压领域，以碳化硅为材料制作的功率器件有着优异的性能，随着碳化硅功率器件在高压领域应用的逐渐推广，高压碳化硅功率模块的封装绝缘设计越来越重要，对绝缘缺陷定位的需求越来越迫切，此时亟需一种能够有效地对局部放电信号源进行检测和精准定位的方法。考虑到高压碳化硅功率模块在运行过程中内部存在高开关频率的电压脉冲，以及高压碳化硅功率模块的体积小巧，传统的缺陷定位方案容易受到电磁干扰并且对空间尺度有较高的要求，此外，传统的缺陷定位方案应用在小体积的高压碳化硅功率模块时存在定位精度不足的问题。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统及方法，以解决高压碳化硅功率模块绝缘设计的验证和故障定位难的问题，本发明使用超声波定位，有效地避免了受到高压碳化硅功率模块所产生的电磁干扰的影响，同时结合算法，可以有效地提升精度，进而实现对放电缺陷进行高精度近场定位，体积小巧，有助于高压碳化硅功率模块的封装绝缘设计，可以应用在高压领域。
4.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
5.一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统，包括高压碳化硅功率模块、超声传感系统、信号采集处理系统、高频电流传感系统和上位机；
6.所述超声传感系统设置在高压碳化硅功率模块上侧，所述超声传感系统包括基板以及设置在基板上的超声传感器组；
7.所述信号采集处理系统包括第一信号调理电路、第二信号调理电路、fpga采集板卡、dsp信号处理板卡，所述超声传感器组的通过信号传输线与第一信号调理电路的信号输入通道相连，所述高频电流传感系统通过信号传输线与第二信号调理电路的信号输入通道相连，所述第一信号调理电路的信号输出通道和第二信号调理电路的信号输出通道分别与fpga采集板卡的信号输入通道相连，fpga采集板卡和dsp信号处理板卡通过srio高速接口进行通讯，dsp信号处理板卡的输出端连接至上位机，上位机和fpga采集板卡之间通过串口进行通讯。
8.进一步地，所述高压碳化硅功率模块的上表面均匀涂抹有声耦合剂，所述超声传感系统安装有超声传感器组的一面紧贴高压碳化硅功率模块的上表面设置。
9.进一步地，所述超声传感器组包括3个超声传感器，分别为第一超声传感器、第二超声传感器和第三超声传感器，所述第一信号调理电路具有三个信号输入通道和三个信号
输出通道，所述第一超声传感器、第二超声传感器和第三超声传感器分别通过三条信号传输线与所述第一信号调理电路的三个信号输入通道相连，所述第一信号调理电路的三个信号输出通道连接至fpga采集板卡的输入端。
10.进一步地，所述第一超声传感器、第二超声传感器和第三超声传感器的频率范围是20khz～200khz。
11.进一步地，所述第二信号调理电路具有一个信号输入通道和一个信号输出通道，所述高频电流传感系统通过一条信号传输线与所述第二信号调理电路的信号输入通道相连，所述第二信号调理电路的信号输出通道连接至fpga采集板卡的输入端。
12.进一步地，所述高频电流传感系统的带宽范围是100khz～500mhz。
13.一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位方法，包括以下步骤：
14.步骤1：在所述高压碳化硅功率模块的上表面均匀涂抹声耦合剂，将所述超声传感系统安装有超声传感器组的一面紧贴高压碳化硅功率模块的上表面；
15.步骤2：利用所述上位机给所述fpga采集板卡发送指令，控制所述fpga采集板卡产生同步时钟信号，使所述fpga采集板卡的四个信号输入通道在采集时间上保持同步；
16.步骤3：利用所述fpga采集板卡，记录所述超声传感器组和所述高频电流传感系统采集到的局部放电信号，并对局部放电信号进行a/d转换；
17.步骤4：在所述fpga采集板卡中对超声传感器组采集到的局部放电超声信号先后进行截止频率为250khz的低通fir滤波和截止频率为20khz的高通fir滤波，在所述fpga采集板卡中对高频电流传感系统采集到的局部放电信号先后进行截止频率为1ghz的低通fir滤波和截止频率为200mhz的高通fir滤波；
18.步骤5：局部放电信号经过所述fpga采集板卡的前端预处理之后，通过srio接口传输给所述dsp信号处理板卡；
19.步骤6：利用所述dsp信号处理板卡收到的信号，记录所述超声传感器组采集到的局部放电超声信号波峰到达时间，和所述高频电流传感系统采集到的局部放电信号的峰值所处的时间；
20.步骤7：以所述高压碳化硅功率模块的上表面为基准，建立空间三维坐标系，记录所述超声传感器组的坐标；
21.步骤8：所述dsp信号处理板卡运行信号处理算法，进而计算出局部放电信号源的空间坐标，并传输给上位机；重复步骤2～7，将得到的空间坐标数据取平均值，即完成高压碳化硅功率模块内部局部放电定位。
22.进一步地，所述超声传感器组包括3个超声传感器，分别为第一超声传感器、第二超声传感器和第三超声传感器，所述步骤2中，记录所述第一超声传感器、所述第二超声传感器和所述第三超声传感器采集到的局部放电超声信号波峰到达时间，并分别记作t1、t2和t3。
23.进一步地，所述步骤4中，记录所述第一超声传感器、所述第二超声传感器和所述第三超声传感器的坐标，分别记作(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)。
24.进一步地，所述运行信号处理算法如以下公式所示：
[0025][0026]
其中，(x0,y0,z0)是所述高压碳化硅功率模块内部局部放电信号源的空间坐标，(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)分别是所述第一超声传感器、所述第二超声传感器和所述第三超声传感器的坐标，t0、t1、t2和t3分别是所述高频电流传感系统、所述第一超声传感器、所述第二超声传感器和所述第三超声传感器采集到的局部放电信号波峰的到达时间，v是所述高压碳化硅功率模块内部的声速。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0028]
本发明基于声学原理和数学算法，当介质内部发生局部放电时，会产生瞬时的介质高频振动现象，这种高频振动超出了人耳所能听到的频率。超声传感系统将采集的局部放电声学信号转化为电信号，并将电信号传输给信号采集处理系统，从而获得准确的局部放电声学信号峰值所处的时刻；通过引入高频电流传感系统，利用电信号高速传输的优势，从而获得准确的局部放电电信号峰值所处的时刻，将两种时刻相结合，配合数学算法，可以获得高压碳化硅功率模块内部局部放电缺陷的准确空间坐标，有利于对高压碳化硅功率模块的封装绝缘设计进行验证和故障定位。
附图说明
[0029]
说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
[0030]
图1为本发明一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统的结构示意图；
[0031]
图2为本发明超声传感系统结构示意图；
[0032]
图3为本发明信号采集处理系统结构示意图；
[0033]
图4为本发明空间三维坐标系示意图；
[0034]
图5为本发明一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位方法的操作步骤示意图；
[0035]
图6为本发明一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统中超声传感器组和高频电流传感系统采集到的局部放电信号的一种实施例示意图；
[0036]
图7为本发明一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统的一种定位误差实施例示意图。
[0037]
其中，1-高压碳化硅功率模块，2-超声传感系统，3-信号采集处理系统，4-高频电流传感系统，5-上位机，6-第一信号调理电路，7-第二信号调理电路，8-fpga采集板卡，9-dsp信号处理板卡。
具体实施方式
[0038]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合附图，对本发明技术方案进行进一步详细描述，所述是对本发明的解释而不是限定。
[0039]
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
[0040]
如图1、图2和图3所示，本发明所设计的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统，包括高压碳化硅功率模块1、超声传感系统2、信号采集处理系统3、高频电流传感系统4和上位机5；所述超声传感系统2包括超声传感器组2a和基板2b；所述超声传感器组2a包括3个超声传感器；所述信号采集处理系统3包括第一信号调理电路6、第二信号调理电路7、fpga采集板卡8、dsp信号处理板卡9。
[0041]
所述超声传感器组2a包括3个超声传感器，分别为第一超声传感器sensor 1、第二超声传感器sensor 2和第三超声传感器sensor 3，这三个超声传感器的频率范围是20khz～200khz；所述高频电流传感系统4的带宽范围是100khz～500mhz；所述第一信号调理电路6具有三个信号输入通道和三个信号输出通道，所述超声传感器组2a通过三条信号传输线与所述第一信号调理电路6的三个信号输入通道相连；所述第二信号调理电路7具有一个信号输入通道和一个信号输出通道，所述高频电流传感系统4通过一条信号传输线与所述第二信号调理电路7的信号输入通道相连。
[0042]
如图4、图5、图6和图7所示，一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位方法，包括以下步骤：
[0043]
步骤1：在所述高压碳化硅功率模块1的上表面均匀涂抹声耦合剂，将所述超声传感系统2安装有超声传感器组2a的一面紧贴高压碳化硅功率模块1的上表面；
[0044]
步骤2：利用所述上位机5给所述fpga采集板卡8发送指令，控制所述fpga采集板卡8产生同步时钟信号，使所述fpga采集板卡8的四个信号输入通道在采集时间上保持同步；
[0045]
步骤3：利用所述fpga采集板卡8，记录所述超声传感器组2a和所述高频电流传感系统4采集到的局部放电信号，并对局部放电信号进行a/d转换；
[0046]
步骤4：在所述fpga采集板卡8中对超声传感器组2a采集到的局部放电超声信号先后进行截止频率为250khz的低通fir滤波和截止频率为20khz的高通fir滤波，在所述fpga采集板卡8中对高频电流传感系统4采集到的局部放电信号先后进行截止频率为1ghz的低通fir滤波和截止频率为200mhz的高通fir滤波；
[0047]
步骤5：局部放电信号经过所述fpga采集板卡8的前端预处理之后，通过srio接口传输给所述dsp信号处理板卡9；
[0048]
步骤6：利用所述dsp信号处理板卡9收到的信号，记录下所述第一超声传感器sensor 1、所述第二超声传感器sensor 2和所述第三超声传感器sensor 3采集到的局部放电超声信号波峰到达时间，并分别记作t1、t2和t3；记录下所述高频电流传感系统4采集到的局部放电信号的峰值所处的时间，并记作t0；
[0049]
步骤7：以所述高压碳化硅功率模块1的上表面为基准，建立空间三维坐标系，记录下所述第一超声传感器sensor 1、所述第二超声传感器sensor 2和所述第三超声传感器sensor 3的坐标，分别记作(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)；
[0050]
步骤8：所述dsp信号处理板卡9运行信号处理算法，进而计算出局部放电信号源的空间坐标(x0,y0,z0)，并传输给上位机5；重复步骤2～7，将得到的空间坐标数据取平均值后
获得。
[0051]
所述运行信号处理算法按照以下进行：
[0052][0053]
其中(x0,y0,z0)是所述高压碳化硅功率模块1内部局部放电信号源的空间坐标，(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)分别是所述第一超声传感器sensor 1、所述第二超声传感器sensor 2和所述第三超声传感器sensor 3的坐标，t0、t1、t2和t3分别是所述高频电流传感系统4、所述第一超声传感器sensor 1、所述第二超声传感器sensor 2和所述第三超声传感器sensor 3采集到的局部放电信号波峰的到达时间，v是所述高压碳化硅功率模块1内部的声速。
[0054]
从图6和图7可以看出，超声传感器组和高频电流传感系统可以正常捕捉局部放电信号，由于电信号在导线内传播速度大约为2.3
×
103m/s，声波信号在功率模块灌封胶内部传播速度大约为2000m/s。因此在狭小的空间内和同一时间基准坐标下，高频电流传感系统采集的局部放电信号近似表现为瞬时脉冲信号，其峰值时间t0可以认为是局部放电发生的瞬间。以t0时刻为基准，可以在图6中获得超声传感器组采集的局部放电信号首波波峰值时刻，分别为t1、t2和t3，进而它们和t0时刻之间的时间差即为局部放电声波信号传递至超声传感器组的具体时间。根据信号处理算法，进而计算出局部放电信号源的空间坐标(x0,y0,z0)，具体的定位误差如图7所示，在xyz坐标系内的定位误差不超过2％，可以满足需求。
[0055]
由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

技术特征：
1.一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统，其特征在于，包括高压碳化硅功率模块(1)、超声传感系统(2)、信号采集处理系统(3)、高频电流传感系统(4)和上位机(5)；所述超声传感系统(2)设置在高压碳化硅功率模块(1)上侧，所述超声传感系统(2)包括基板(2b)以及设置在基板(2b)上的超声传感器组(2a)；所述信号采集处理系统(3)包括第一信号调理电路(6)、第二信号调理电路(7)、fpga采集板卡(8)、dsp信号处理板卡(9)，所述超声传感器组(2a)的通过信号传输线与第一信号调理电路(6)的信号输入通道相连，所述高频电流传感系统(4)通过信号传输线与第二信号调理电路(7)的信号输入通道相连，所述第一信号调理电路(6)的信号输出通道和第二信号调理电路(7)的信号输出通道分别与fpga采集板卡(8)的信号输入通道相连，fpga采集板卡(8)和dsp信号处理板卡(9)通过srio高速接口进行通讯，dsp信号处理板卡(9)的输出端连接至上位机(5)，上位机(5)和fpga采集板卡(8)之间通过串口进行通讯。2.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统，其特征在于，所述高压碳化硅功率模块(1)的上表面均匀涂抹有声耦合剂，所述超声传感系统(2)安装有超声传感器组(2a)的一面紧贴高压碳化硅功率模块(1)的上表面设置。3.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统，其特征在于，所述超声传感器组(2a)包括3个超声传感器，分别为第一超声传感器、第二超声传感器和第三超声传感器，所述第一信号调理电路(6)具有三个信号输入通道和三个信号输出通道，所述第一超声传感器、第二超声传感器和第三超声传感器分别通过三条信号传输线与所述第一信号调理电路(6)的三个信号输入通道相连，所述第一信号调理电路(6)的三个信号输出通道连接至fpga采集板卡(8)的输入端。4.根据权利要求3所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统，其特征在于，所述第一超声传感器、第二超声传感器和第三超声传感器的频率范围是20khz～200khz。5.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统，其特征在于，所述第二信号调理电路(7)具有一个信号输入通道和一个信号输出通道，所述高频电流传感系统(4)通过一条信号传输线与所述第二信号调理电路(7)的信号输入通道相连，所述第二信号调理电路(7)的信号输出通道连接至fpga采集板卡(8)的输入端。6.根据权利要求1所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统，其特征在于，所述高频电流传感系统(4)的带宽范围是100khz～500mhz。7.一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位方法，基于权利要求1-6任一项所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：在所述高压碳化硅功率模块(1)的上表面均匀涂抹声耦合剂，将所述超声传感系统(2)安装有超声传感器组(2a)的一面紧贴高压碳化硅功率模块(1)的上表面；步骤2：利用所述上位机(5)给所述fpga采集板卡(8)发送指令，控制所述fpga采集板卡(8)产生同步时钟信号，使所述fpga采集板卡(8)的四个信号输入通道在采集时间上保持同步；步骤3：利用所述fpga采集板卡(8)，记录所述超声传感器组(2a)和所述高频电流传感系统(4)采集到的局部放电信号，并对局部放电信号进行a/d转换；步骤4：在所述fpga采集板卡(8)中对超声传感器组(2a)采集到的局部放电超声信号先
后进行截止频率为250khz的低通fir滤波和截止频率为20khz的高通fir滤波，在所述fpga采集板卡(8)中对高频电流传感系统(4)采集到的局部放电信号先后进行截止频率为1ghz的低通fir滤波和截止频率为200mhz的高通fir滤波；步骤5：局部放电信号经过所述fpga采集板卡(8)的前端预处理之后，通过srio接口传输给所述dsp信号处理板卡(9)；步骤6：利用所述dsp信号处理板卡(9)收到的信号，记录所述超声传感器组(2a)采集到的局部放电超声信号波峰到达时间，和所述高频电流传感系统(4)采集到的局部放电信号的峰值所处的时间；步骤7：以所述高压碳化硅功率模块(1)的上表面为基准，建立空间三维坐标系，记录所述超声传感器组(2a)的坐标；步骤8：所述dsp信号处理板卡(9)运行信号处理算法，进而计算出局部放电信号源的空间坐标，并传输给上位机(5)；重复步骤2～7，将得到的空间坐标数据取平均值，即完成高压碳化硅功率模块内部局部放电定位。8.根据权利要求7所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位方法，其特征在于，所述超声传感器组(2a)包括3个超声传感器，分别为第一超声传感器、第二超声传感器和第三超声传感器，所述步骤2中，记录所述第一超声传感器、所述第二超声传感器和所述第三超声传感器采集到的局部放电超声信号波峰到达时间，并分别记作t1、t2和t3。9.根据权利要求8所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位方法，其特征在于，所述步骤4中，记录所述第一超声传感器、所述第二超声传感器和所述第三超声传感器的坐标，分别记作(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)。10.根据权利要求9所述的一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位方法，其特征在于，所述运行信号处理算法如以下公式所示：其中，(x0,y0,z0)是所述高压碳化硅功率模块(1)内部局部放电信号源的空间坐标，(x1,y1,z1)、(x2,y2,z2)和(x3,y3,z3)分别是所述第一超声传感器、所述第二超声传感器和所述第三超声传感器的坐标，t0、t1、t2和t3分别是所述高频电流传感系统(4)、所述第一超声传感器、所述第二超声传感器和所述第三超声传感器采集到的局部放电信号波峰的到达时间，v是所述高压碳化硅功率模块(1)内部的声速。

技术总结
本发明公开了一种高压碳化硅功率模块内部局部放电定位系统及方法，包括高压碳化硅功率模块、超声传感系统、信号采集处理系统、高频电流传感系统和上位机；超声传感系统包括超声传感器组和基板，超声传感器组包括3个超声传感器；信号采集处理系统包括第一信号调理电路、第二信号调理电路、FPGA采集板卡、DSP信号处理板卡；本发明使用超声波定位，有效地避免了受到高压碳化硅功率模块所产生的电磁干扰的影响，同时结合算法，可以有效地提升精度，进而实现对放电缺陷进行高精度近场定位，体积小巧，有助于高压碳化硅功率模块的封装绝缘设计，可以应用在高压领域。可以应用在高压领域。可以应用在高压领域。


技术研发人员：王来利 王海骅 马早军 闫飞飞 杨庆收 张哲维
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.27
技术公布日：2023/7/12