直流SSPC主功率管的结温在线估计研究

作     者：钱叶彤 

作者单位：南京航空航天大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王莉

授予年度：2021年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：结温在线估计 固态功率控制器 Si C MOSFET 热网络模型 寿命预计 老化实验 失效物理 

摘      要：随着多电飞机和全电飞机在国内外的快速发展,电能成为飞机上重要的二次能源,这极大简化了飞机结构,降低了飞机重量和全周期费用,使飞机的安全可靠性和可维护性得到了极大提升。其中,智能配电系统逐步取代传统机电式配电系统,成为多电飞机电气系统的核心组成部分。固态功率控制器(Solid State Power Controllers,SSPC)作为先进智能飞机配电系统的核心部件,通常采用半导体功率器件作为主控器件,兼具断路器的断线保护功能和固态继电器的可靠性,具有开关速度快,无触点,电磁干扰小,可靠性高,便于微机控制等特点。随着SSPC的功率等级和功率密度的提高,SSPC的可靠性问题愈发突出,作为飞机配电系统的核心部件,SSPC的可靠性很大程度上影响了飞机配电系统的安全可靠运行。主功率管SiC MOSFET作为直流固态功率控制器中最容易失效的器件,除了承受正常的开通/关断应力外,还需要切断过载电流,甚至需要处理恶劣的短路电流冲击,在此过程中,SiC MOSFET的结温波动较大。影响MOSFET失效的因素中,与温度有关的失效问题占比最大,占比55%。在承受热冲击和长期热循环后,易造成功率模块老化失效,影响飞机配电系统的可靠运行。因此,结合直流SSPC的实际工况,对直流SSPC的主功率管SiC MOSFET进行结温在线估计研究具有重要的现实意义。本文的主要工作如下:首先,本文分析直流SSPC的实际任务剖面,并对各个任务剖面中直流SSPC主功率管SiC MOSFET开展了功率损耗和热分析。建立SiC MOSFET的3D几何模型,在Ansys中搭建瞬态热分析模块,开展器件老化前后各个任务剖面下的瞬态热仿真分析。其次,本文搭建三阶Foster热网络模型来实时估计SiC MOSFET的结温。采用瞬态双界面法测量SiC MOSFET在寿命初期的瞬态热阻抗曲线,通过对曲线的拟合来获取热网络模型的参数,避免了壳温测量带来的误差。针对直流SSPC多任务剖面的特点,提出了基于勒贝格采样的结温迭代算法,根据被测特征参数的变化实时调整结温的估计频率,既可以保证算法的高精度,又可以节约控制器资源。针对SiC MOSFET漏源电压V较低时电压测量精度低的问题,设计了宽范围漏源电压检测电路,可以实现0～300V的SiC MOSFET漏源电压的高精度测量。并搭建实验平台,通过实验获取了直流SSPC的各个任务剖面的结温值,以验证本文提出的结温在线估计方法的实时性和准确性。然后,本文开展SiC MOSFET的功率循环加速老化实验,在老化过程中实时观测SiC MOSFET的导通电阻、稳态热阻、瞬态热阻抗参数的变化趋势,对热结构性能退化进行分析。并基于分析结果,设计了热模型自适应修正平台,在SiC MOSFET的全寿命周期内实时监测焊料层的老化状态,并在不影响直流SSPC正常运行的前提下间接获取结温作为更新依据,将热阻信息关联焊料层老化状态,实时修正Foster热模型参数,提高结温估计的实时性和准确度,为SSPC的安全可靠运行提供保障。最后,本文分析SiC MOSFET的失效机理,并针对焊料层的失效,采用了考虑功率器件平均结温和结温波动的失效物理模型——LESIT模型。对每一个任务剖面的平均结温和结温波动进行统计,分析每一个任务剖面的应力损伤,通过Miner线性累积损伤理论对直流SSPC各个任务剖面的损伤进行累积,预测了直流SSPC的寿命。