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基于传递函数的IGBT模块结温估计及老化监测方法

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天津理工大学学报 2024年

作者：孙谢鹏杜明星胡经纬天津理工大学电气工程与自动化学院天津理工大学复杂系统控制理论及应用天津市重点实验室

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模块的Cauer模型与可靠性密切相关，因此研究Cauer模型及其参数的提取方法具有重要的实际意义。基于此，以三阶Cauer模型为例，研究了基于底板温度传递函数的热网络模型... 详细信息

绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）模块的Cauer模型与可靠性密切相关，因此研究Cauer模型及其参数的提取方法具有重要的实际意义。基于此，以三阶Cauer模型为例，研究了基于底板温度传递函数的热网络模型参数提取方法，并利用该模型实现了结温准确估计和老化状态监测。首先，建立了底板温度传递函数与热网络模型参数的关系，确定了三阶Cauer频域模型的热阻和热容。其次，根据得到的三阶Cauer频域模型反推出结温传递函数，进而求得结温表达式，实现IGBT模块结温估计并实验验证其准确性。最后，将该方法与国际电工委员会（International Electrotechnical Commission，IEC）标准下的总热阻计算方法相比，计算误差小于1%，且实现了结温的准确估计。此外，基于此方法可以实现对IGBT模块、热界面材料（Thermal Interface Material，TIM）和散热片散热效果的状态监测。

关键词：绝缘栅双极型晶体管 Cauer频域模型传递函数结温估计状态监测

突发散热故障时的光伏MPPT变换器控制方法研究

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电力系统保护与控制 2024年第11期52卷 170-178页

作者：谢佳伟应展烽李德明南京理工大学能源与动力工程学院江苏南京210094

作为光伏发电系统的重要组成,MPPT变换器能够实现光伏电池最大功率点跟踪(maximumpowerpoint tracing, MPPT)控制。但在环境通风不畅和冷却装置失效等突发性散热故障情况下,变换器极易发生过热停机保护,导致光伏电池无法输出功率,严重... 详细信息

作为光伏发电系统的重要组成,MPPT变换器能够实现光伏电池最大功率点跟踪(maximumpowerpoint tracing, MPPT)控制。但在环境通风不畅和冷却装置失效等突发性散热故障情况下,变换器极易发生过热停机保护,导致光伏电池无法输出功率,严重影响光伏发电的可靠性与经济性。为此,以一个300 W级MPPT变换器为对象,对其功率器件温升特性进行了试验分析。随后,结合传统MPPT算法和主动热管理策略,提出了一种突发散热故障时的光伏MPPT变换器控制方法。通过对器件驱动信号占空比的动态限制和开关频率的分级调节,所提方法能够主动调整器件工作损耗,进而充分挖掘变换器输出功率。相关实验表明,所提方法可最大程度保留变换器散热故障时的光伏出力,并减少散热故障修复前的光伏发电经济损失。根据实验结果,构建了所提方法性能评价指标,并分析了方法性能的影响因素。

关键词：光伏发电最大功率点跟踪控制功率器件结温估计主动热管理

多数据驱动人工神经网络的IGBT结温在线估计方法

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电子测量与仪器学报 2022年第7期36卷 223-229页

作者：赵泽宇杜明星天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室天津300384

传统结温估计方法因其无法根据IGBT模块健康状态实时调校,从而导致当模块发生封装退化后无法准确估计结温。因此,为解决在实际工况中模块封装退化造成的结温估计误差问题,建立了一个基于多数据驱动的以人工神经网络为主体的IGBT结温在... 详细信息

传统结温估计方法因其无法根据IGBT模块健康状态实时调校,从而导致当模块发生封装退化后无法准确估计结温。因此,为解决在实际工况中模块封装退化造成的结温估计误差问题,建立了一个基于多数据驱动的以人工神经网络为主体的IGBT结温在线估计模型。首先,确定饱和压降作为温敏电参数并研究其构成,分析其与集电极电流,芯片结温和封装退化之间的耦合关系。随后,为解决封装退化造成的饱和压降温度特性变化问题,提出结合米勒电压温度特性的优势,配合饱和压降与集电极电流驱动人工神经网络算法构建结温估计模型,并通过搭建实验平台提取数据,完成模型的训练。最终,通过与传统结温估计方法对比估计误差,新模型将结温估计误差从20%降低到了5%以下。

关键词： IGBT 结温估计封装退化数据驱动神经网络

分立型功率MOSFET结温估计的非线性热网络模型和参数辨识方法

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电工技术学报 2019年第12期34卷 2477-2488页

作者：万萌应展烽张伟南京理工大学能源与动力工程学院

分立型功率MOSFET是一类重要的电力电子器件,结温估计对于其安全运行具有重要意义。传统结温估计模型将功率器件壳温测量值作为解算的边界条件,对温度传感器安装可靠性要求较高,故当其应用于体积小巧的分立型功率MOSFET时,所得结温估计... 详细信息

分立型功率MOSFET是一类重要的电力电子器件,结温估计对于其安全运行具有重要意义。传统结温估计模型将功率器件壳温测量值作为解算的边界条件,对温度传感器安装可靠性要求较高,故当其应用于体积小巧的分立型功率MOSFET时,所得结温估计结果容易因传感器脱落而不可靠。为此,该文提出针对分立型功率MOSFET结温估计的非线性热网络模型。该模型利用较易测量的功率器件环境温度作为边界条件,计及非线性热对流和热辐射作用,有效描述器件与环境之间的换热过程。为克服模型热参数难以获取问题,提出模型参数的辨识方法,证明了辨识目标函数的凸函数特性。利用原对偶内点法,获得参数辨识的全局最优解,有效确定模型热参数。相关实验表明,所提模型能够在壳温测量不可靠时,提高分立型功率MOSFET结温工程估计的可靠性。

关键词：分立型功率器件结温估计非线性热网络模型参数辨识原对偶内点法

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一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法

电气传动 2022年第19期52卷 53-59页

作者：李哲厉成元袁媛陈玉杰王自满天津电气科学研究院有限公司天津300180

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在工业领域应用广泛,但IGBT结温易受工况变化及其所处散热环境影响,散热通道不畅会使IGBT模块处于高温状态,长期在高温状态下工作严重影响器件使用效率。由此,提出一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法。将IGB... 详细信息

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在工业领域应用广泛,但IGBT结温易受工况变化及其所处散热环境影响,散热通道不畅会使IGBT模块处于高温状态,长期在高温状态下工作严重影响器件使用效率。由此,提出一种基于热阻抗模型的IGBT结温估计方法。将IGBT模块各功能层抽象为一个热阻模型,通过建模仿真获得某确定工况下IGBT的估计结温。在同工况下,通过实验采集IGBT温度值,将建模结果与实验结果相验证,进而证明基于阻抗模型的IGBT结温估计的准确性。

关键词：绝缘栅双极型晶体管热阻模型结温估计建模仿真

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基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略

上海工程技术大学学报 2023年第4期37卷 387-396页

作者：杨尚明马其华上海工程技术大学机械与汽车工程学院上海201620

绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是电动汽车重要的能源传输和转换元件.但IGBT长期在变化工况下工作,导致热负荷较高,严重影响其使用寿命.通过建立IGBT结温估计模型进行实时结温观测,定性分析IGBT结温与开... 详细信息

绝缘栅双极性晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是电动汽车重要的能源传输和转换元件.但IGBT长期在变化工况下工作,导致热负荷较高,严重影响其使用寿命.通过建立IGBT结温估计模型进行实时结温观测,定性分析IGBT结温与开关频率、母线电压之间的关系.为降低IGBT在循环工况下的热负荷,提出一种IGBT结温区域控制策略,以控制最高结温和结温波动为目标,将控制区域进行划分,分别采用模糊控制和PI控制对开关频率和母线电压进行控制.结果表明,在NEDC工况下最高结温平均降低5.1℃,IGBT结温波动平均降低2.6℃,验证了该控制策略的有效性,提高了IGBT的可靠性和运行寿命.

关键词：绝缘栅双极性晶体管电动汽车结温估计区域控制

一种车用逆变器SiC MOSFET结温估计的Simulink建模方法

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汽车电器 2023年第12期 28-31,35页

作者：彭琛郑晓琦闫国辉华通力盛(北京)智能检测集团有限公司山东济宁272000

目前,电动汽车高压平台已成为趋势,电机控制器功率器件由IGBT向SiC MOSFET转换,而针对SiC MOSFET结温的相关研究,很多学者曾提供了具体的理论公式,但是复杂的理论计算公式并不能很好地运用在实际开发过程中。文章基于以上现状,选择合适... 详细信息

目前,电动汽车高压平台已成为趋势,电机控制器功率器件由IGBT向SiC MOSFET转换,而针对SiC MOSFET结温的相关研究,很多学者曾提供了具体的理论公式,但是复杂的理论计算公式并不能很好地运用在实际开发过程中。文章基于以上现状,选择合适的SiC MOSFET热阻网络模型,将三阶RC网络通过基尔霍夫第一定律转化为时域的离散方程,进而建立Simulink模型,通过仿真及台架测试,测试结果显示能够满足预期目标。

关键词： SiC MOSFET 结温估计热阻网络电机控制 Simulink建模

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基于多模型的IGBT模块结温估计方法研究

基于多模型的IGBT模块结温估计方法研究

作者：孙志宇合肥工业大学

学位级别：硕士

近年来,大功率电力电子技术得到广泛应用,其支撑着新能源发电,航空航天,轨道交通,智能电网,电动汽车等新兴领域的发展。随着功率容量的不断提高,系统的可靠性要求也越来越高。绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT... 详细信息

近年来,大功率电力电子技术得到广泛应用,其支撑着新能源发电,航空航天,轨道交通,智能电网,电动汽车等新兴领域的发展。随着功率容量的不断提高,系统的可靠性要求也越来越高。绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistors,IGBT)模块作为电力电子系统的核心部件,其结温是可靠性评估的重要参数,受到工业界与学术界广泛关注。本文从工程应用的角度出发,以电动汽车为应用背景,开展了基于多模型的IGBT模块结温估计方法的研究,提出了一种具有工程意义在线结温估计方法,通过搭建电机驱动器测试平台与有限元仿真模型,验证了所提方案结温估计的准确性,并实现了电动汽车的电机驱动器在线结温估计。本文首先介绍了目前常见的几种结温估计方法,对各种方法的优缺点进行了概括,针对于工程应用场合分析几种结温估计方法的适用性。在分析了几种常见结温估计方法的适用性基础上,根据电动汽车电机驱动器所用IGBT模块特点锁定了适用于在线结温估计方案。IGBT模块内部结构中通常会内置一个负温度系数热敏电阻NTC用于获取模块内部的温度情况,很多厂商的变流器产品中都是利用IGBT模块内部的NTC读取的温度值作温度保护,但是其并不会直接反映IGBT结温,基于这种保护机制的基础,本文中探究在特定工况下结温与NTC温度的关系,在多个散热条件下通过大量实验搭建两个温度间的数据模型,并将其应用于在线条件进行实验验证其方法的可行性与准确性。其次,通过对比分析几种常见的IGBT模块结温估计方法,基于热阻抗模型的结温估计方法更加适用于工程应用。文中介绍此方法中Foster型热阻抗模型的获取方法,以及其中必要的损耗计算方法。在基于NTC温度与结温关系的基础上,整合了两种方法的基于多模型的IGBT模块结温估计方法,利用现代控制理论中的卡尔曼滤波器将两模型结合以获取最优的结温估计。最后,通过实验与有限元仿真分析比较了基于多模型的结温估计与有限元仿真结果的差异,以此验证了基于多模型的结温估计方法的可行性与准确性。延伸了在线结温估计的应用,提出了一种电动汽车电机驱动器中IGBT模块的过温保护策略,为电动汽车的安全可靠运行提供了基础。

关键词：电力电子技术绝缘栅双极晶体管可靠性结温估计电动汽车

SiC MOSFET结温估计与偏压温度不稳定性的研究

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SiC MOSFET结温估计与偏压温度不稳定性的研究

作者：郑磊天津理工大学

学位级别：硕士

碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(Silicon Carbide Based Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,SiC MOSFET)是新型宽禁带电力电子器件,具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和漂移速度和热导率大等技术优势,能以更低的... 详细信息

碳化硅金属-氧化物半导体场效应晶体管(Silicon Carbide Based Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor,SiC MOSFET)是新型宽禁带电力电子器件,具有禁带宽度大、击穿电场高、饱和漂移速度和热导率大等技术优势,能以更低的开关损耗、更快的开关频率、更高的结温工作运行,并已在航空航天、医疗、新能源汽车等行业得到了广泛的应用。功率器件是电力电子系统的关键单元,其安全性和可靠性决定着整个系统能否稳定、高效运行。结温是SiC MOSFET较为重要的运行参数之一。SiC MOSFET结温的精准估计或测量是其损耗计算、寿命预测与可靠性评估的重要基础,同时由偏压温度不稳定性(Bias Temperature Instability,BTI)引起的阈值电压(V)漂移是SiC MOSFET极为严重的可靠性问题之一。V的漂移将影响器件的运行功耗与开关特性,进而可能引发整个电力系统的故障。因此,能否准确检测器件BTI特性是提高其可靠性的关键因素之一。本文以SiC MOSFET作为研究对象,从结温估计与BTI特性检测两个方面开展研究,具体研究内容如下:1.对SiC MOSFET的物理结构、工作原理与特性进行了归纳总结。从半导体物理学角度详细解释了BTI特性的产生原因,深入研究了BTI特性对V的影响机制,进而探究了受BTI特性影响,SiC MOSFET导通电阻、开关时间等特性参数发生变化的内在机理,为后续研究提供了理论基础。2.提出了一种基于热敏感电参数的结温估计方法。首先研究了SiC MOSFET关断阶段的电气行为特性,并重新定义了关断延迟时间(t)的区间。其次分析了阈值电压、米勒电压与温度的关系,进而证明了重新定义的t相比于传统定义下的t具有更为良好的温度特性。最后得到了基于重新定义t的结温在线估计模型。实验结果表明,基于重新定义t的结温估计方法具有较高的精度。3.提出了一种BTI特性检测方法。根据SiC MOSFET的物理结构与工作原理,基于反向导通电阻建立源漏电压(V)解析模型。利用模型研究BTI特性对V的影响机理,提出一种基于V的BTI特性检测方法,并搭建了相应的检测平台。实验结果证明本文提出的方法可以实时且准确地提取V的漂移值,且测量方法简单便捷,达到了对BTI特性准确检测的目的。

关键词： SiC MOSFET 可靠性结温估计偏压温度不稳定性阈值电压漂移