ES2396533B1 - Métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores. - Google Patents

Métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores. Download PDF

Info

Publication number
ES2396533B1
ES2396533B1 ES201000470A ES201000470A ES2396533B1 ES 2396533 B1 ES2396533 B1 ES 2396533B1 ES 201000470 A ES201000470 A ES 201000470A ES 201000470 A ES201000470 A ES 201000470A ES 2396533 B1 ES2396533 B1 ES 2396533B1
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
igbt
life
power device
semiconductor power
closeness
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn - After Issue
Application number
ES201000470A
Other languages
English (en)
Other versions
ES2396533A1 (es
Inventor
Jens Birk
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Gamesa Renewable Energy Innovation and Technology SL
Original Assignee
Gamesa Innovation and Technology SL
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Gamesa Innovation and Technology SL filed Critical Gamesa Innovation and Technology SL
Priority to ES201000470A priority Critical patent/ES2396533B1/es
Publication of ES2396533A1 publication Critical patent/ES2396533A1/es
Application granted granted Critical
Publication of ES2396533B1 publication Critical patent/ES2396533B1/es
Withdrawn - After Issue legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/26—Testing of individual semiconductor devices
    • G01R31/2607—Circuits therefor
    • G01R31/2608—Circuits therefor for testing bipolar transistors
    • G01R31/2619—Circuits therefor for testing bipolar transistors for measuring thermal properties thereof

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Control Of Eletrric Generators (AREA)

Abstract

Métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores. Están basados en un método para estimar cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo que incluye un sensor de temperatura que comprende: a) realizar al comienzo del tiempo de vida del dispositivo un primer ensayo que comprende los siguientes pasos: a1) proporcionar una corriente con una amplitud constante I a dicho dispositivo durante un intervalo de tiempo tn; a2) obtener un parámetro P1 indicativo de la elevación de temperatura en dicho intervalo tn; b) realizar periódicamente el mismo ensayo y estimar la cercanía de la finalización de la vida del dispositivo cuando la diferencia o la relación entre el parámetro P obtenido en el último ensayo ejecutado y el parámetro P1 obtenido en el primer ensayo es mayor de un valor predeterminado. El método es particularmente aplicable a los IGBT's de los convertidores de aerogeneradores.

Description

METODOS DE MONITORIZACION DE LA SALUD DE DISPOSITIVOS SEMICONDUCTORES
5
CAMPO DE LA INVENCION
1 o
Esta invención se refiere a métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores y, más en particular, a métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores utilizados en convertidores de aerogeneradores.
ANTECEDENTES
15 2 o 2 5 3 o
En un aerogenerador moderno el convertidor tiene frecuentemente una tasa de fallo relativamente alta comparada con la de otros componentes del aerogenerador. Entre los componentes del convertidor que fallan más. frecuentemente se encuentran los IGBT's (Transistores Bipolares de Puerta Aislada). Se conocen varios métodos de predicción del funcionamiento de los IGBT's y otros módulos de potencia semiconductores tal como el método descrito en US 5,654,896 que proporciona un procedimiento de medida y ensayo de parámetros de esos dispositivos tales como resistencia térmica Rthjc. voltaje de suministro V00, e intensidad de suministro 100 así como voltaje de saturación VcEsAT entre el colector y el emisor. Estos parámetros de dispositivo caracterizan varios componentes del circuito integrado incluyendo el encapsulado, la pastilla del circuito integrado y los conductores metálicos de conexión. Cuando esos componentes se degradan, dichos parámetros se sitúan en las proximidades de sus límites operativos. En este sentido se menciona que unos valores típicos de esos límites operativos para Rthjc y VcEsAT de un IGBT se sitúan en torno a un 20% por encima de sus valores de partida. Los métodos conocidos de predicción del funcionamiento de módulos de potencia semiconductores no son fácilmente aplicables a los módulos de
potencia semiconductores utilizados en convertidores operativos tales como los
IGBT's utilizados en los convertidores de los aerogeneradores.
En cualquier caso, el tiempo de vida esperado de dichos IGBT's no es
bien conocido debido, entre otras razones, a sus tolerancias de fabricación y a
5
su exposición a unas condiciones muy variadas de condiciones de fatiga porque
la energía del viento fluctúa de una manera no determinista y por tanto las
intensidades de los IGBT's también fluctúan de una manera no determinista.
Esta invención está dirigida a la solución de ese problema.
1 o
SUMARIO DE LA INVENCION
Es un objeto de la presente invención proporcionar un método para
estimar la cercanía de la finalización de la vida de dispositivos semiconductores
incluidos en convertidores conectados a máquinas eléctricas, tales como los
15
módulos IGBT utilizados en los convertidores de los aerogeneradores.
Es otro objeto de la presente invención proporcionar un método para
estimar la cercanía de la finalización de la vida de los módulos IGBT utilizados
en los convertidores de los aerogeneradores sin requerir componentes físicos
adicionales.
2 o
Es otro objeto de la presente invención proporcionar un método para
estimar la cercanía de la finalización de la vida de los módulos IGBT utilizados
en los convertidores de los aerogeneradores aplicable a las principales
configuraciones de convertidores de los aerogeneradores que ya están
instalados.
25
Estos y otros objetos se consiguen proporcionando un método que
comprende:
a) Realizar al comienzo del tiempo de vida de un dispositivo de potencia
semiconductor un primer ensayo que comprende los siguientes pasos:
a1) Proporcionar una corriente con una amplitud constante 1 a dicho
3 o
dispositivo de potencia semiconductor durante un intervalo de tiempo tn.
a2) Obtener un parámetro Pt indicativo de la elevación de temperatura en
dicho intervalo tn.
b) Realizar periódicamente el mismo ensayo y estimar la cercanía de la
finalización de la vida del dispositivo de potencia semiconductor cuando la
diferencia o la relación entre el parámetro P; obtenido en el último ensayo
ejecutado y el parámetro P1 obtenido en el primer ensayo es mayor de un valor
5
predeterminado.
En una realización preferente dicho ensayo también comprende el paso
de calentar o enfriar el dispositivo de potencia semiconductor para alcanzar una
predeterminada temperatura inicial Ts antes de dicho paso a1). Se consigue con
ello un método mejorado para el caso en que VcEsAT es altamente dependiente
1 o
de la temperatura.
En otras realizaciones preferentes dicho parámetro P es la temperatura
Te del dispositivo de potencia semiconductor al final de dicho intervalo tn, ó la
diferencia entre la temperatura Te del dispositivo de potencia semiconductor al
final de dicho intervalo tn y la temperatura Ts del dispositivo de potencia
15
semiconductor al inicio de dicho intervalo tn, ó el resultado de calcular la integral
de la temperatura T con respecta al tiempo a lo largo del intervalo tn. Se
consigue con ello un método que usa parámetros indicativos de la elevación de
la temperatura en el dispositivo semiconductor que son fáciles de obtener.
En otra realización preferente para estimar la cercanía de la finalización
2 o
de la vida de los dispositivos IGBT de un convertidor de un generador,
comprendiendo un inversor del generador, un enlace CC y un inversor de red,
dichos ensayos periódicos se realizan, estando el aerogenerador en una
situación de no producción de energía, separadamente para el inversor del
generador y el inversor de red y proporcionando corriente a dichos dispositivos
2 5
IGBT activando el inversor de red. Se consigue con ello un método que permite
una monitorización de la salud de dichos dispositivos IGBT evitando fallos de los
IGBT's.
En otra realización preferente para un inversor del generador
comprendiendo tres módulos IGBT de doble paquete, dichos ensayos
3 o
periódicos se realizan simultáneamente para los dos IGBT's de cada módulo
IGBT. Se consigue con ello un método que permite la monitorización de la salud
de dichos dispositivos IGBT que es fácil de implementar.
En otras realizaciones preferentes para un inversor del generador La Figura 4 muestra un convertidor a escala completa de un
comprendiendo tres módulos IGBT de doble paquete, dichos ensayos
periódicos se realizan separadamente para cada IGBT individual (estando
conectado sin PWM o en modo PWM), controlando la corriente proporcionada a
5
cada IGBT individual usando otros IGBT individual del inversor del generador
(en modo PWM o estando conectado sin PWM, según resulte apropiado). Se
consiguen con ello métodos que permite la monitorización de la salud de dichos
IGBT's que proporcionan unas estimaciones de alta precisión sobre el final de la
vida de los IGBT's.
1 o
En otras realizaciones preferentes para un inversor de red
comprendiendo tres módulos IGBT de doble paquete, dichos ensayos
periódicos se realizan simultáneamente para los dos IGBT's de cada módulo
IGBT. Adicionalmente la energía almacenada en el enlace CC se disipa
mediante cualquier medio apropiado. Se consiguen con ello métodos que
15
permites la monitorización de la salud de dichos dispositivos IGBT que son
fáciles de implementar.
Para cada uno de las realizaciones mencionadas anteriormente, el
convertidor también puede estar configurado con varios módulos IGBT de doble
paquete conectados en paralelo en lugar de un modulo IGBT de doble paquete
2 o
por cada fase.
Otras características y ventajas de la presente invención se desprenderán
de la siguiente descripción detallada de realizaciones ilustrativas y no limitativas
de su objeto en relación con las figuras que se acompañan.
2 5
BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS
La Figura 1 muestra un diagrama de circuito de un módulo IGBT de doble
paquete.
La Figura 2 es un diagrama Intensidad vs. Tiempo de la corriente a través
3 o
de un IGBT.
La Figura 3 es un diagrama Temperatura vs. Tiempo en el sensor de
temperatura del IGBT.
aerogenerador realizado con un módulo IGBT de doble paquete por fase.
La Figura 5 muestra un convertidor a escala completa de un
aerogenerador realizado con dos módulos IGBT de doble paquete por fase.
5
DESCRIPCION DETALLADA DE REALIZACIONES PREFERENTES
Método
La idea básica de esta invención es usar la elevación de temperatura en
1 o
cada módulo IGBT para estimar si el fin del tiempo de vida del IGBT se
encuentra cercano.
Como se ha dicho en los antecedentes, se ha señalado que cuando el
voltaje VcESAT del colector-emisor de un IGBT está cercano al fin de su tiempo
de vida, se puede estimar que el límite operativo de VcESAT para un IGBT puede
15
estimarse en torno a un 20% por encima de su valor inicial. Por tanto si una
corriente con una amplitud constante 1 está pasando a través de un IGBT la_
energía perdida en dicho IGBT, que es igual a VcESAT multiplicado por /, será
mayor en las cercanías del fin de la duración de la vida del IGBT que al
principio. La elevación de la temperatura del IGBT puede ser usada por tanto
2 o
como un indicador de la cercanía del fin de la vida deiiGBT.
El método según la presente invención es aplicable a un dispositivo de
potencia semiconductor perteneciente a un convertidor conectado a una
máquina eléctrica que incluye un sensor de temperatura tal como el módulo
IGBT de doble paquete 5 mostrado en la Figura 1 que comprende dos IGBT's
2 5
con diodos de efecto volante y un resistor NTC 7 como sensor de temperatura.
El sensor de temperatura 7 está dispuesto físicamente dentro del módulo
IGBT. La constante de tiempo térmica 'tthjc desde la especificación térmica del
IGBT a la carcasa del módulo IGBT es del orden de un segundo (ver lnfineon
Technologies AG: Application note AN2008-03, quot;Thermal equivalent circuit
3 o
modelsquot;, edición 2008-06-16). La constante de tiempo térmica de un disipador
refrigerado por aire 'tthca, p.ej. desde la carcasa a la temperatura ambiente, se
encuentra en el rango de 1 O a 100 segundos (ver /nfineon Technologies AG:
Application note AN2008-03, quot;Thermal equivalent circuit modelsquot;, edición 2008
06-16). Esto significa que las lecturas del sensor de temperatura siguen la
especificación térmica Tj bastante exactamente durante una secuencia corta de
5
calentamiento de 1-1 O segundos y que puede considerarse que el disipador
tiene una temperatura relativamente constante durante el tiempo de ensayo.
El método comprende la realización de un primer ensayo al comienzo del
tiempo de vida de un IGBT y la repetición periódica del test para obtener un
parámetro P indicativo de la elevación de temperatura (ver Figura 3) cuando una
10
corriente de amplitud constante 1 (ver Fig. 2) está pasando a través def
dispositivo IGBT durante un intervalo temporal tn entre los tiempos t1 y t2.
Cuando la diferencia o la relación entre el parámetro P¡ obtenido en el último
ensayo realizado y el parámetro P1 obtenido en el primer ensayo, es decir P¡-P 1
o P/P1, es mayor que un valor predeterminado se estima que el IGBT está
15
cercano al final de la duración de su vida. El primer ensayo puede ser realizado
como parte de los ensayos de calidad en la planta de fabricación del convertidor
y el ensayo puede ser repetido regularmente, por ejemplo una vez por semana
o una vez por mes. Alternativamente, el primer ensayo puede se realizado como
una parte del procedimiento de arranque del aerogenerador. Preferiblemente
2 o
todos los ensayos se realizan con el IGBT a una temperatura igual o muy
próxima a la temperatura inicial Ts del primer ensayo para evitar la dependencia
de la temperatura de VcEsAT. Un valor típico para Ts puede ser 50 °C. Para
algunos tipos de IGBT's, como los NPT-IGBT's, el coeficiente de temperatura
para VcESAT es positivo en todo el rango entre O y la intensidad nominal. Para
25
otros tipos de IGBT's, tales como los PT-IGBT's, el coeficiente de temperatura
es negativo para pequeñas intensidades y positivo para altas intensidades
próximas a la intensidad nominal. Si la intensidad del ensayo está cercana a la
intensidad nominal el coeficiente de temperatura será positivo tanto para los
NPT-IGBT's como para los PT-IGBT's. Afortunadamente el coeficiente de
3 o
temperatura positivo amplifica el cambio de temperatura durante el ensayo ya
que VcESAT se incrementará en función tanto de la edad del IGBT como del
propio incremento de la temperatura.
En una realización P es la diferencia entre la temperatura Te al final del
intervalo temporal tn y la temperatura Ts al principio del intervalo temporal tn.
En otra realización Pes la temperatura Te al final del intervalo temporal
tn.
5
En otra realización Pes la integral de la temperatura T respecto al tiempo
a lo largo del intervalo tn mostrada como un área rayada en la Figura 3.
El método para un convertidor de un aerogenerador
La Figura 4 muestra un generador 9 de un aerogenerador conectado a
una red 31 a través de un convertidor 11 a escala completa que comprende un
10
inversor del generador 13 que tiene tres módulos IGBT de doble paquete (Au,;
Al; Bu, 81; Cu, Cl), un enlace CC 15 incluyendo un condensador 19, un
troceador de frenado 21 y un resistor troceador de freno 23, un inversor de red
17 que tiene tres módulos IGBT de doble paquete (L 1 u, L11; L2u, L21; L3u, L31) y
los contactares de red/conmutadores 29. Los IGBT's individuales están
15
conectados o bien al lado superior (Au, Bu, Cu, L 1 u, L2u, L3u) o al lado inferior
(Al, 81, Cl, L11, L21, L31) del enlace CC 15.
La Figura 5 es similar a la Figura 4 salvo que en que hay dos módulos
IGBT de doble paquete conectados en paralelo para cada fase tanto en el
inversor del generador 13 (Au, Al, Au', Al'; Bu, Bl, Bu', 81'; Cu, Cl, Cu', Cl') como
20
en el inversor de red 17 (L1u, L11, L 1u', L 11'; L2u, L21, L2u', L21'; L3u, L31, L3u',
L31').
El método según esta invención para estimar la cercanía del fin de la vida
de dichos IGBT's comprende realizar los ensayos mencionados anteriormente
estando el aerogenerador en una situación de no producción de energía. Esta
2 5
situación incluye situaciones de poco viento y períodos en los que la góndola
debe girar para desenrollar el cable de la torre.
Dependiendo de la configuración de los componentes del convertidor 11,
ó bien un IGBT individual de un módulo IGBT, ó bien todos los IGBT's
superiores o inferiores en la misma fase, ó bien todos los IGBT's en todos los
3 o
módulos IGBT son ensayados en la misma secuencia de ensayo. En el caso del
inversor del generador 13 es posible ensayar un IGBT individual de una vez
mientras que en el caso del inversor de red 17 es necesario ensayar ó bien
todos los IGBT's en un módulo IGBT o todos los IGBT's pertenecientes a la
misma fase al mismo tiempo.
Si la configuración de los componentes del convertidor 11 lo permite, se
ensaya un IGBT cada vez. En este caso, la forma de la onda de la corriente del
5
IGBT y de la fase se aproximan a una onda rectangular ideal como se muestra
en la Figura 2.
Si la configuración de los componentes del convertidor 11 no permite
ensayar de una vez a un IGBT individual ó simultáneamente a todos los IGBT's
inferiores o superiores, se utiliza una modulación PWM sinusoidal normal, pera
1 o
con unas referencias constantes de la amplitud de la corriente de manera que
las corrientes de las tres fases tengan una frecuencia y amplitud constante
durante el ensayo.
En cualquier caso, el primer paso es calentar o enfriar el dispositivo IGBT.
para alcanzar una determinada temperatura inicial Ts que puede ser, por
15
ejemplo, de 50°C. Si la temperatura del dispositivo IGBT es mayor que Ts es
necesario esperar (hasta unos pocos minutos) hasta alcanzar dicho valor. Si la
temperatura del dispositivo IGBT es menor que Ts debe disiparse energía en los
componentes montados en el disipador de energía que contiene el dispositivo·
IGBT a ser ensayado. Idealmente todos los componentes deben experimentar
2 o
una disipación de calor de manera que el disipador de calor sea calentado de.
una manera uniforme. Cuando la lectura de la temperatura haya excedido Ts
en, por ejemplo, 1 0°C, se para la disipación de energía y se procede a esperar a
que la temperatura descienda hasta alcanzar el valor deseado. En el caso de
que el disipador de calor esté refrigerado con agua en lugar de con aire, el flujo
2 5
de agua debe ser detenido durante el ensayo para asegurar una
suficientemente alta constante de tiempo térmica al disipador de calor. En la
práctica esto se puede hacer parando la bomba de agua desde el PLC.
En el caso de que VcESAT no muestre una alta dependencia de la
temperatura este primer paso puede ser omitido.
3 o
Realizaciones preferente para los módulos IGBT del lado del
generador
Para los módulos IGBT del lado del generador es posible ensayar cada
IGBT separadamente. Esta solución es más complicada que ensayar los dos
IGBT's de cada módulo IGBT simultáneamente pero es más precisa.
El método para ensayar cada IGBT separadamente es el siguiente:
5
Cuando el generador 9 está parado, el circuito equivalente del generador
puede ser expresado simplemente como una impedancia resistiva-inductiva
para cualquier tipo de generador (síncrono, PM síncrono, de inducción ó de
inducción doblemente alimentado). Durante el ensayo el generador 9 puede
estar ó bien rotando muy lentamente o bien asegurado en la posición de parada
1 o
mediante por ejemplo un freno mecánico ó un dispositivo automático de bloqueq
del rotor.
Se pueden ensayar dos IGBT's a la vez, por ejemplo Bl y Cl de la Figura
4. Se llevan a cabo los siguientes pasos:
-Se activa en primer lugar el inversor de red 17 para asegurar un voltaje
15
constante en el enlace ce.
-Se usa Au en modo PWM para controlar la amplitud de la corriente.
-Se conecta Bl durante todo el tiempo entre t1 y t2.
-La corriente fluye desde el enlace CC 15 a través de Au y las fases A y·
B del generador y vuelve a través de 81.
2 o
-Una vez que se alcanza t2 se mide Te para Bl si se compara con la:
temperatura inicial Te de 81 del ensayo de fábrica.
-Seguidamente el módulo IGBT que contiene Bu y Bl se calienta y ya no
puede usarse en el ensayo antes de que se igualen la temperatura del disipador
de calor y la temperatura del módulo.
2 5
-Se usa nuevamente Au en modo PWM para controlar la amplitud de la
corriente.
-Se conecta otra vez Cl durante todo el tiempo entre t1 y t2.
-La corriente fluye desde el enlace CC 15 a través de Au y las fases A y
C del generador y vuelve a través de Cl.
3 o
-Una vez que se alcanza t2 se mide Te y se compara con la temperatura
inicial Te de Cl del ensayo de fábrica.
Después de ensayar Bl y Cl hay que asegurarse que se igualen la
temperatura del disipador de calor y la temperatura del módulo IGBT antes de
ensayar los otros IGBT's.
El procedimiento es similar para ensayar Bu y Cu, en este caso Al se usa
5
en modo PWM para controlar la corriente. Después de ensayar Bu y Cu hay que
asegurarse que se igualen la temperatura del disipador de calor y la
temperatura del módulo IGBT antes de ensayar los otros IGBT's.
Al puede ser ensayado usando Bu ó Cu para controlar la amplitud de la
corriente.
1 o
Después de ensayar Al hay que asegurarse que se igualen la
temperatura del disipador de calor y la temperatura del módulo IGBT antes de
ensayar el último IGBT.
Au puede ser ensayado usando Bl ó Cl para controlar la amplitud de la
corriente.
15
Se controla la corriente del IGBT que se usa en modo PWM en un bucle:
cerrado usando un sensor de corriente ya existente para medir la corriente de
fase del generador. El bucle cerrado de control puede ser realizado por el
controlador del convertidor comparando las corrientes de fase medidas con la
referencia de corriente deseada y ajustando el ciclo correspondiente de los
2 o
pulsos PWM de manera que las corrientes medidas sean iguales a la corriente
de referencia.
Alternativamente al método que venimos de describir, el ensayo de un
IGBT individual también se puede hacer de forma opuesta, es decir ensayando
Bl teniendo Bl en modo PWM y Au conectado sin modulación PWM. También
25
es posible usar tanto Bl como Au en modo PWM.
Realizaciones preferentes para los módulos IGBT del lado de la red
En este caso la energía fluye desde la red 31 a través del inversor de red
17. Inicialmente la energía puede ser almacenada en el condensador 19 del
enlace CC, que puede ser cargado inicialmente al valor de pico del voltaje de
3 o
red (por ejemplo 975 V para un voltaje de red de 690 V). Sin embargo el voltaje
del enlace CC no puede exceder el máximo voltaje de por ejemplo 1200 V sin
dañar los IGBT's ó el condensador 19 del enlace CC, de manera que es
necesario disipar energía del condensador 19 del enlace CC por alguno de los
siguientes medios:
-Usando el troceador de frenado 21: La energía se disipa en el resistor
del troceador de frenado 23.
5
-Convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica acelerando el
rotor del aerogenerador.
-Convirtiendo la energía eléctrica en energía mecánica usando el
generador 9 como motor. Por ejemplo se puede usar un ángulo de paso de pala
fijo de, por ejemplo, 45° y la velocidad del generador puede ajustarse de manera
10
que se transfiera la energía necesaria al generador 9.
La modulación usual PWM se usa con una referencia constante de la
amplitud de corriente, de manera que se drene corriente activa de la red para
cargar el condensador 19 del enlace CC. De esta manera las corrientes de las
tres fases tendrán iguales amplitudes y frecuencias y los tres módulos IGBT
15
están por tanto experimentando una elevación de temperatura. Una vez que se:
alcanza t2 se mide Te para todos los IGBT's y se compara con los valores
iniciales Te del ensayo de fábrica.
En una implementación alternativa, las referencias de corriente pueden
ser elegidas de manera que no se drene de la red corriente activa sino solo
2 o
reactiva. Esto tiene la ventaja de que la corriente reactiva no carga el
condensador del enlace ce pero desafortunadamente influenciará el nivel del
voltaje de red, así que este método solo puede ser potencialmente usado con
una red robusta, es decir cuando la impedancia de red es baja.
Una realización para un aerogenerador con un generador
2 5
doblemente alimentado
En un aerogenerador con un generador doblemente alimentado el estator
del generador está conectado directamente a la red mientras que el rotor del
generador está conectado a la red a través de un convertidor.
Si el estator del generador está desconectado de la red usando, por
3 o
ejemplo, un contactar ya existente tal como un contactar estrella-triángulo, los
mismos métodos descritos anteriormente pueden ser utilizados para estimar la
cercanía del fin de la vida de los IGBT's del convertidor.
Sin embargo un convertidor de un generador doblemente alimentado no
incluye habitualmente un troceador de frenado, por lo que la disipación de
energía en el enlace CC tiene que ser realizado por alguno de los medios
mencionados anteriormente para convertir energía eléctrica en energía
5
mecánica.
Se puede usar el método tanto en los IGBT's del convertidor del lado de
la red como en los IGBT's del convertidor del lado del generador.
Implementación del método
Los métodos según la presente invención pueden implementarse
1 o
utilizando los sistemas disponibles de control del aerogenerador por lo que
pueden ser ejecutados sin ninguna interacción humana. Tampoco son
necesarios cambios en el hardware ni sensores adicionales en el convertidor ó
en otros componentes del aerogenerador.
Ventajas
15
El propietario del aerogenerador puede recibir una advertencia desde el:
convertidor, a través por ejemplo del sistema SCADA, cuando un IGBT está
cercano al final de la duración de su vida. Se puede entonces programar en un
futuro próximo un cambio del módulo IGBT, por ejemplo en la próxima visita del
personal de servicio al parque eólico. Se consigue pues la ventaja de una mayor
2 o
fiabilidad del aerogenerador y más específicamente:
-Se evitan fallos de IGBT's y por tanto se evitan fallos del convertidor y:
del generador así como pérdidas de producción (perdidas de ingresos para el
propietario del aerogenerador).
-Se evitan daños potenciales a otros componentes del convertidor.
2 5
-Se evitan visitas de servicio no programadas lo que reduce costes.
Aunque la presente invención se ha descrito enteramente en conexión
con realizaciones preferidas, es evidente que se pueden introducir aquellas
modificaciones dentro de su alcance, no considerando éste como limitado por
las anteriores realizaciones, sino por el contenido de las reivindicaciones
3 o
siguientes.

Claims (16)

  1. REIVINDICACIONES
    1.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
    dispositivo de potencia semiconductor que incluye un sensor de temperatura,
    5
    perteneciente a un convertidor conectado a una máquina eléctrica,
    caracterizado porque comprende:
    a) realizar al comienzo del tiempo de vida del dispositivo de potencia
    semiconductor un primer ensayo que comprende los siguientes pasos:
    a1) proporcionar una corriente con una amplitud constante 1 a dicha
    1 o
    dispositivo de potencia semiconductor durante un intervalo de tiempo tn;
    a2) obtener un parámetro P1 indicativo de la elevación de temperatura en
    dicho intervalo tn;
    b) realizar periódicamente el mismo ensayo y estimar la cercanía de la
    finalización de la vida del dispositivo de potencia semiconductor cuando la
    15
    diferencia o la relación entre el parámetro P¡ obtenido en el último ensayo:
    ejecutado y el parámetro P1 obtenido en el primer ensayo es mayor de un valor:
    predeterminado.
  2. 2.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
    2 o
    dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 1, caracterizadú,
    porque también comprende el paso de calentar o enfriar el dispositivo de
    potencia semiconductor para alcanzar una predeterminada temperatura inicial
    Ts antes de dicho paso a1 ).
    2 5
    3.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
    dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones
    1-2, caracterizado porque dicho parámetro Pes uno de los siguientes:
    -la temperatura Te del dispositivo de potencia semiconductor al final de
    dicho intervalo tn;
    3 o
    -la diferencia entre la temperatura Te del dispositivo de potencia
    semiconductor al final de dicho intervalo tn y la temperatura Ts del dispositivo de
    potencia semiconductor al inicio de dicho intervalo tn.
  3. 4.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
    dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones
    1-2, caracterizado porque dicho parámetro P se obtiene calculando la integral
    de la temperatura T con respecto al tiempo a lo largo del intervalo tn.
    5
  4. 5.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
    dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones
    1-4, caracterizado porque dicho dispositivo de potencia semiconductor es un
    dispositivo IGBT.
    10
  5. 6.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
    dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 5, caracterizado
    porque:
    -dicho convertidor es un convertidor (11) de un aerogenerador que
    15
    comprende un inversor de generador ( 13), un enlace ce ( 15) y un inversor de
    red (17);
    -dichos ensayos periódicos se realizan estando el aerogenerador en una·
    situación de no producción de energía;
    -dichos ensayos periódicos se realizan separadamente para los
    20
    dispositivos IGBT del inversor del generador (13) y del inversor de red (17);
    -en dicho paso a1) se proporciona corriente a dichos dispositivos IGBT
    activando el inversor de red (17).
  6. 7.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
    2 5
    dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6, caracterizado
    porque:
    -el inversor del generador (13) comprende tres módulos IGBT de doble
    paquete (Au, Al; Bu, 81; Cu, Cl);
    -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para los dos
    3 o
    IGBT's de cada módulo IGBT de doble paquete.
  7. 8.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
    dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6, caracterizado
    porque:
    -el inversor del generador (13) comprende dos o más módulos IGBT de
    5
    doble paquete conectados en paralelo por cada fase;
    -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para los dos
    IGBT's de cada módulo IGBT de doble paquete.
  8. 9.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un
    1 o
    dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6, caracterizado
    porque:
    -el inversor del generador (13) comprende dos o más módulos IGBT de
    doble paquete conectados en paralelo por cada fase;
    -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para todos los
    15
    IGBT's de los módulo IGBT de doble paquete que están conectados a la misma
    fase.
  9. 10.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
    un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6,
    2 o
    caracterizado porque:
    -el inversor del generador (13) comprende tres módulos IGBT de doble
    paquete (Au, Al; Bu, 81; Cu, Cl);
    -dichos ensayos periódicos se realizan separadamente para cada IGBT
    individual.
    25
  10. 11.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
    un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6,
    caracterizado porque:
    -el inversor del generador (13) comprende dos o más módulos IGBT de
    3 o
    doble paquete conectados en paralelo por cada fase;
    -
    dichos ensayos periódicos se realizan separadamente para cada IGBT individual.
  11. 12.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
    un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las
    reivindicaciones 10-11, caracterizado porque en dicho paso a1) la amplitud de la
    5
    corriente proporcionada a cada IGBT individual que está siendo ensayado se
    controla usando otro IGBT individual del inversor del generador (13) en modo
    PWM.
  12. 13.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida d~
    1 o
    un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las.
    reivindicaciones 10-11, caracterizado porque en dicho paso a1) el IGBT
    individual que está siendo ensayado está en modo PWM y se usa otro IGBT
    individual o varios IGBT's del inversor del generador (13) en modo PWM para
    controlar la amplitud de la corriente proporcionada al IGBT individual que está
    15
    siendo ensayado.
  13. 14.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
    un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las
    reivindicaciones 10-11, caracterizado porque en dicho paso a1) el IGBT
    2 o
    individual que está siendo ensayado está en modo PWM y se usa para controlar
    la amplitud de la corriente proporcionada al IGBT individual que está siendo
    ensayado, mientras que un IGBT individual o varios IGBT's del inversor del
    generador (13) están conectados sin modo PWM.
    2 5
    15.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
    un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6,
    caracterizado porque:
    -el inversor del generador (13) comprende dos o más módulos IGBT de
    doble paquete conectados en paralelo por cada fase;
    3 o
    -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para todos los
    IGBT's superiores o inferiores de los módulos IGBT de doble paquete que están
    conectados a la misma fase.
  14. 16.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
    un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 15,
    caracterizado porque en dicho paso a1) la amplitud de la corriente
    5
    proporcionada a dichos múltiples IGBT's conectados en paralelo que están
    siendo ensayados se controla usando otros múltiples IGBT's conectados en
    paralelo del inversor del generador (13) en modo PWM.
  15. 17.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
    1 o
    un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 15
    caracterizado porque en dicho paso a1) dichos múltiples IGBT's conectados en
    paralelo que están siendo ensayados están en modo PWM y se usan otros
    múltiples IGBT's conectados en paralelo del inversor del generador (13) en
    modo PWM para controlar la amplitud de la corriente proporcionada a dichos
    15
    múltiples IGBT's conectados en paralelo que están siendo ensayados.
  16. 18.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
    un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 15,
    caracterizado porque en dicho paso a1) dichos múltiples IGBT's conectados en
    2 o
    paralelo que están siendo ensayados están en modo PWM y son usados para
    controlar la amplitud de la corriente proporcionada a los IGBT's que están
    siendo ensayados y otros múltiples IGBT's conectados en paralelo del inversor
    del generador (13) están conectados sin modo PWM.
    2 5
    19.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de
    un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6,
    caracterizado porque:
    -el inversor del red (17) comprende tres módulos IGBT de doble paquete
    (L1u, L11; L2u, L21; L3u, L31);
    3 o
    -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para los dos
    IGBT's de cada módulo IGBT.
    5
    20.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6, caracterizado porque: -el inversor de red (17) comprende dos o más módulos IGBT de doble paquete conectados en paralelo por cada fase; -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para los dos IGBT's de cada módulo IGBT.
    1 o 15
    21.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según la reivindicación 6 caracterizado porque: -el inversor de red (17) comprende dos o más módulos IGBT de doble paquete conectados en paralelo por cada fase; -dichos ensayos periódicos se realizan simultáneamente para todos los IGBT's de los módulos IGBT de doble paquete que están conectados a la misma fase.
    2 o
    22.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 19-21, caracterizado porque la energía almacenada en el. enlace ce (15) se disipa mediante cualquier medio apropiado.
    25
    23.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 6-22, caracterizado porque dicho convertidor (11) de aerogenerador es un convertidor a escala completa
    3 o
    24.-Un método para estimar la cercanía de la finalización de la vida de un dispositivo de potencia semiconductor según cualquiera de las reivindicaciones 6-22, caracterizado porque dicho convertidor (11) es un convertidor conectado al rotor del generador de un generador doblemente alimentado.
ES201000470A 2010-04-13 2010-04-13 Métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores. Withdrawn - After Issue ES2396533B1 (es)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES201000470A ES2396533B1 (es) 2010-04-13 2010-04-13 Métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores.

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES201000470A ES2396533B1 (es) 2010-04-13 2010-04-13 Métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ES2396533A1 ES2396533A1 (es) 2013-02-22
ES2396533B1 true ES2396533B1 (es) 2014-01-27

Family

ID=47633820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES201000470A Withdrawn - After Issue ES2396533B1 (es) 2010-04-13 2010-04-13 Métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores.

Country Status (1)

Country Link
ES (1) ES2396533B1 (es)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12074530B2 (en) 2019-11-06 2024-08-27 General Electric Renovables España, S.L. Systems and methods for controlling wind converters

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002101668A (ja) * 2000-09-26 2002-04-05 Meidensha Corp 半導体電力変換装置の寿命推定方法および半導体電力変換装置
JP3788334B2 (ja) * 2001-12-05 2006-06-21 オムロン株式会社 半導体装置の異常検出装置
JP5016967B2 (ja) * 2007-04-20 2012-09-05 株式会社日立産機システム 電力変換装置及びパワーサイクル寿命予測方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US12074530B2 (en) 2019-11-06 2024-08-27 General Electric Renovables España, S.L. Systems and methods for controlling wind converters

Also Published As

Publication number Publication date
ES2396533A1 (es) 2013-02-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2381918T3 (es) Método para controlar una turbina eólica a cargas térmicas elevadas
ES2808338T3 (es) Control de temperatura de unión en un sistema de energía
ES2985445T3 (es) Sistema y procedimiento para detectar el aislamiento del rodamiento y el estado de las escobillas de conexión a masa en un generador
US9621088B2 (en) System and method for reducing ice and/or condensation formed on a power component
ES2533797T3 (es) Dispositivo y método para la detección de una falla a tierra
ES2991616T3 (es) Sistema y procedimiento para la reducción de potencia de una turbina eólica en función de la temperatura
US9217420B2 (en) Test system for wind turbine dump load
ES2902140T3 (es) Sistema y procedimiento para controlar una fuente de alimentación ininterrumpida de sistemas de potencia eléctrica
ES2697613T3 (es) Procedimiento para el control de un consumo de potencia de un grupo de varias instalaciones de energía eólica
ES2766382T3 (es) Procedimiento y sistema para adaptar la carga a la que está sometido un componente eléctrico y/o electrónico en una instalación de energía eólica
ES2613902B1 (es) Método y sistemas de monitorización en tiempo real del estado del aislamiento de los devanados de generadores eólicos
US9325268B2 (en) Power dissipating arrangement in a wind turbine
JP5213951B2 (ja) 電気的駆動装置
US9739841B2 (en) Automated method and apparatus for testing a power converter
ES2396533B1 (es) Métodos de monitorización de la salud de dispositivos semiconductores.
ES2573650T3 (es) Instalación de energía eólica
ES3019397T3 (en) Method of protecting a converter of a wind turbine and protection system
US20170184074A1 (en) Wind Turbine Pitch Cabinet Temperature Control System
ES3012409T3 (en) System and method for estimating grid strength
ES2961979T3 (es) Sistema y procedimiento para mitigar daños en una pala de rotor de una turbina eólica
ES2963849T3 (es) Sistema y procedimiento para operar un sistema de potencia de una turbina eólica en base a análisis estadístico de datos operativos y/o de red del mismo
ES2328809T3 (es) Instalacion de energia eolica con un dispositivo de control autoalimentado con un modulo de regulacion de potencia activa y de potencia reactiva.
ES2525559T3 (es) Instalación de energía eólica y procedimiento para la operación de una instalación de energía eólica con vigilancia de temperatura del transformador
ES2690476T3 (es) Medición de la potencia disipada en un inversor
ES3049293T3 (en) Wind turbine generator fault protection system

Legal Events

Date Code Title Description
FG2A Definitive protection

Ref document number: 2396533

Country of ref document: ES

Kind code of ref document: B1

Effective date: 20140127

FA2A Application withdrawn

Effective date: 20140529