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具有过压稳流及结温控制功能的光电一体化LED模组设计

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具有过压稳流及结温控制功能的光电一体化LED模组设计

作者：张红林华中科技大学

学位级别：硕士

本文以光电一体化LED模组为研究对象,提出了一种可在输入电压升高时稳定LED平均电流,在工作环境温度升高时控制LED结温的光电一体化LED模组。从驱动电源、散热及结温控制、测试等方面展开研究,主要工作和结论如下:首先,根据光电一体化LE... 详细信息

本文以光电一体化LED模组为研究对象,提出了一种可在输入电压升高时稳定LED平均电流,在工作环境温度升高时控制LED结温的光电一体化LED模组。从驱动电源、散热及结温控制、测试等方面展开研究,主要工作和结论如下:首先,根据光电一体化LED模组中光源的实测伏安特性曲线建立了光源在工作区的等效电学模型,并实测了正温度系数热敏电阻(PTC)阻值与温度的关系,为电源设计及利用PTC关联并控制光源结温的设计提供数据支撑。通过理论分析结合电路仿真的方法研究了线性电源的工作原理及缺陷,明确了电源设计的改进方向。其次,针对传统线性电源的缺陷提出了在电源设计中引入电压差反馈调节LED电流的机制,设计了电源的架构及电路图,优化了电源参数,并将所设计的30W光电一体化LED模组电源与传统线性电源进行了参数对比,结果表明本文设计电源实现了过压稳流,输入电压在AC220-265V范围内变化时,LED平均电流变化不超过5%。再者,通过有限元热稳态模拟完成了光电一体化LED模组的散热设计及光源结温控制设计:优化了LED光源排列间距,通过正交试验法优化了散热外壳尺寸,结合散热设计与电源设计,完成了利用正温度系数热敏电阻(PTC)关联并控制LED光源结温的设计。最后,根据设计方案制作出光电一体化LED模组样品,测试了其电源参数,结合正向电压法与管脚温度法测试了光源结温,并在过温环境下测试了光电一体化LED模组的热电参数,结果表明:在环境温度为25℃时,本文设计的模组实测功率为30.58W,电源效率为86.6%,功率因素为0.910,光源结温为78.6℃;在环境温度为25-45℃时,光源功率可自匹配环境温度,光源结温最高为84.6℃,实现了过温环境下控制光源结温的目的。此外,基于光电一体化LED模组设计了一款投光灯,其光通量为3329.41lm,光效为108.77lm/W。

关键词：光电一体化LED模组驱动电源过压稳流散热设计结温控制

基于主动栅极控制的IGBT开关轨迹调节和结温控制研究

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基于主动栅极控制的IGBT开关轨迹调节和结温控制研究

作者：郭远欣华南理工大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术的发展,功率器件在电动汽车等新能源领域获得了更加广泛的应用,其可靠性问题也引起了更多的重视。影响功率器件可靠性的因素有机械应力、电气应力和热应力等等。受到实际工况中各种应力的冲击,IGBT在使用过程中不可避... 详细信息

随着电力电子技术的发展,功率器件在电动汽车等新能源领域获得了更加广泛的应用,其可靠性问题也引起了更多的重视。影响功率器件可靠性的因素有机械应力、电气应力和热应力等等。受到实际工况中各种应力的冲击,IGBT在使用过程中不可避免地存在老化疲劳现象,疲劳损伤累积到一定程度就会导致器件失效。因此需要尽可能地减小器件在使用过程中受到的电气应力和热应力,以延缓老化速度,改善使用寿命。对此,本文提出了基于主动栅极控制的开关轨迹调节和结温控制技术。研究的主要内容包括:栅极驱动器是功率电路和控制电路的重要接口,直接影响器件的开关行为。通过分析栅极驱动电流影响开关轨迹的作用机理,设计了一种调节栅极电流的主动栅极驱动电路。设计的主动栅极驱动电路在提高器件可靠性上可以有两方面的应用,一方面用于调节开关轨迹,减小电流、电压的过冲和振荡,降低器件受到的电气应力;另一方面,通过改变开关轨迹调节开关损耗,用于结温管理,降低热应力,延缓器件的老化。提出了栅极电流分级调节和整体调节的方案来实现以上应用。器件的寿命与运行结温息息相关,结温信息的采集是结温管理的基础。针对功率模块结温不便直接测量的难题,采用提取关断时寄生电感感应电压峰值的方法间接获取结温信息,改进了结温曲线校准的算法,并通过双脉冲实验进行验证。接着建立温度依赖的与栅极电流相关的损耗模型,用于电热耦合仿真计算结温工况。通过分析开关损耗占比估算栅极控制技术的结温调节能力,为结温控制设定给定值提供参考。基于对Lesit寿命模型的分析,研究了结温摆幅和平均结温对寿命的影响,提出了指导结温控制策略制定的寿命改善因子和温变操作域,确保结温控制起到改善寿命的作用。给出了一种同时降低结温波动和平均结温的保守结温控制策略。最后,在simulink中搭建变流器工况测试平台,设计功率电路闭环控制系统复现结温工况,验证所提出的栅极电流调节控制结温的可行性。为了降低基频结温波动、提高结温控制的响应速度,提出利用负载电流反馈比较的方法来控制输出损耗,进而控制结温的方法。为验证该方法在复杂工况下的寿命改善效果,建立电动汽车电机驱动系统模型,仿真汽车变流器在UDDS工况下的控制前后的结温。使用雨流计数法统计工况的热应力分布,并借助Miner线性累积损伤理论对所提出的结温控制方法改善寿命的效果进行评估。

关键词： IGBT 主动栅极控制开关轨迹调节结温在线获取结温控制

一种电动汽车启动过程中IGBT结温控制策略

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控制与信息技术 2023年第1期 52-56页

作者：刘鹏陈致初唐雄辉张思玉张士兵古强株洲中车时代电气股份有限公司湖南株洲412001

在电动汽车启动过程中,由于电机控制器输出电流的频率较低,当满转矩输出时,控制器开关器件IGBT的结温波动严重,容易造成IGBT芯片结温过高,对IGBT模块可靠性和寿命带来影响。对此,文章提出一种基于速度反馈的电动汽车启动过程中IGBT结温... 详细信息

在电动汽车启动过程中,由于电机控制器输出电流的频率较低,当满转矩输出时,控制器开关器件IGBT的结温波动严重,容易造成IGBT芯片结温过高,对IGBT模块可靠性和寿命带来影响。对此,文章提出一种基于速度反馈的电动汽车启动过程中IGBT结温控制策略。其首先分析了启动过程中转速、电流、开关频率之间的数学关系,在此基础上根据速度反馈构造转矩释放函数,不断释放转矩上限,在尽可能提升整车动力性能的基础上控制结温。Matlab仿真结果和黑模块实测数据验证了所提控制策略的可行性。

关键词：电动汽车 IGBT 结温控制黑模块电机控制器

SiC MOSFET结温监测与控制技术综述

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中国电机工程学报 2025年

作者：张擎昊郑大勇张品佳电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室(清华大学) 北京交通大学

碳化硅(silicon carbide，SiC)金属-氧化物-半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)性能优越、发展迅猛，在工业界获得广泛应用。其失效与结温息息相关，故SiC MOSFET结温监控技术至关重要，近年... 详细信息

碳化硅(silicon carbide，SiC)金属-氧化物-半导体场效应管(metal-oxide-semiconductor field effect transistor，MOSFET)性能优越、发展迅猛，在工业界获得广泛应用。其失效与结温息息相关，故SiC MOSFET结温监控技术至关重要，近年来成为研究热点。文中将该技术分为经典结温监测、考虑老化影响的结温监测、结温控制3部分。对于经典结温监测技术，重点介绍热模型法和热敏电参数法的原理、模型、发展历程、缺点及优势；对于考虑老化影响的结温监测技术，重点分析老化对结温监测的影响，论述老化补偿技术的必要性并指出现有方法的局限性；对于结温控制技术，分析其意义，重点介绍内部控制法和外部控制法的原理，比较各类方法的优劣。最后，综合以上分析，指出SiC MOSFET结温监控领域存在的关键问题和发展方向，旨在为相关研究人员提供参考。

关键词：碳化硅金属-氧化物-半导体场效应管温变机理结温监测结温控制器件老化

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功率器件结温主动控制及优化策略

电工技术学报 2024年第18期39卷 5732-5741页

作者：胡震崔曼吴晓华施涛南京邮电大学自动化学院、人工智能学院南京210042 苏州帝奥电梯有限公司苏州215200 北京理工大学信息与电子学院北京100081

功率器件因结温波动产生的热-机械应力是其疲劳失效的主要原因,开展结温控制是提升器件可靠性、实现功率变换系统安全运行的重要保障。该文提出一种基于有限时间有界理论的功率器件结温主动控制策略,实现器件结温波动较为精确的控制,降... 详细信息

功率器件因结温波动产生的热-机械应力是其疲劳失效的主要原因,开展结温控制是提升器件可靠性、实现功率变换系统安全运行的重要保障。该文提出一种基于有限时间有界理论的功率器件结温主动控制策略,实现器件结温波动较为精确的控制,降低功率器件在运行过程中的结温波动幅值,减小因结温波动产生的热应力对器件材料的冲击,延缓器件的疲劳老化程度。首先,基于Foster热网络模型建立功率器件结温波动的状态-空间模型,基于有限元分析方法完成模型参数的辨识,实现器件结温状态的实时估计;其次,基于有限时间有界理论完成结温管理反馈控制器的设计,考虑不同工况下器件结温需求,以器件开关频率的调整为例完成器件结温波动的管理,降低结温波动对器件的热冲击作用;最后,仿真和实验结果表明,状态-空间模型估算器件结温的误差约为2%,结温控制结果与设定值差距约1.7%,说明了该文方法在结温估算和管理方面的精度较高。

关键词：功率器件结温控制可靠性热管理

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基于频段导向的PWM逆变器主动热管理控制

电力自动化设备 2017年第5期37卷 34-39页

作者：黄守道陈叶宇刘平荣飞湖南大学电气与信息工程学院湖南长沙410082

对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)进行主动热管理,是提高器件使用寿命和降低逆变器运行维护成本的有效途径,然而,输出频率对器件的结温性能的影响往往被忽略。因此,基于频段导向,针对电压型PWM逆变器提出了一种主动热管理控制的新方法。通过... 详细信息

对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)进行主动热管理,是提高器件使用寿命和降低逆变器运行维护成本的有效途径,然而,输出频率对器件的结温性能的影响往往被忽略。因此,基于频段导向,针对电压型PWM逆变器提出了一种主动热管理控制的新方法。通过损耗计算和实时结温观测,在低输出频率区域采用滞环控制调节开关频率,在高输出频率区域对电流进行限幅。仿真结果表明,该控制策略能有效降低器件平均结温和结温波动,提高热容量利用率,改善逆变器可靠性,延长器件使用寿命。

关键词：电压型PWM逆变器绝缘栅双极型晶体管可靠性主动热管理结温控制频段导向

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LED汽车灯结温估算及控制

LED汽车灯结温估算及控制

作者：吴雪强重庆大学

学位级别：硕士

发光二极管(Light-emitting diode:LED)为第四代光源,相比于传统光源具有光效高、寿命长、响应速度快、体积小、抗震性好等优点,被广泛应用在汽车照明领域。在LED灯工作过程中,受限于LED的电光转换效率,将有超过70%的注入电能被转换为... 详细信息

发光二极管(Light-emitting diode:LED)为第四代光源,相比于传统光源具有光效高、寿命长、响应速度快、体积小、抗震性好等优点,被广泛应用在汽车照明领域。在LED灯工作过程中,受限于LED的电光转换效率,将有超过70%的注入电能被转换为热能。如果LED灯的散热不良,将会导致LED芯片结温(又称:LED结温、LED灯珠结温、LED灯珠芯片结温)过高,造成光效降低,寿命显著缩短,光谱基波变长等不良影响。针对这一问题本文采取实验和仿真分析手段,提出了LED汽车灯结温优化及控制的方法研究,主要工作包括以下几个方面:实现LED灯结温优化设计及控制的前提是快速、简便、准确的测量LED芯片结温。为此本文提出函数模型修正LED灯珠表面温度估算LED芯片结温的方法,具体做法是:首先搭建高速电流切换装置及LED芯片结温测试系统,采用前向电压法测量LED芯片结温;其次通过红外热像仪采集LED灯珠表面温度。然后拟合得出LED芯片结温与表面温度的函数模型,并通过有限元仿真分析修正该函数模型。最后采用该函数模型修正实时测量到的LED灯珠表面温度,得出实时变化的LED芯片结温。实验表明该方法测量LED芯片结温的误差可控制在1.5℃之内。中小功率LED汽车灯一般不加散热器辅助散热,为此本文以中等功率的日间行车灯为例,提出通过热场仿真实现中小功率LED汽车灯的热性能优化设计的方法。首先,建立LED日间行车灯有限元模型,根据LED芯片结温估算结果修正LED日间行车灯有限元模型,得到能够准确反应LED日间行车灯热场分布的有限元模型。然后,基于该有限元模型,通过仿真手段,研究LED芯片结温与灯珠间距、铝基板厚度之间的关系,并以此作为约束条件,提出LED日间行车灯的最优化设计方案。大功率LED汽车灯,比如LED汽车大灯,产热量大,距离汽车发动机距离近,工作环境温度高,传统散热器散热效果有限,为此,本文进一步研究了基于半导体制冷片的LED汽车大灯结温控制系统。首先,搭建大功率LED汽车灯散热硬件系统,包括制作LED恒流驱动电路、半导体制冷片控制电路。然后,设计基于热电偶传感器和贝加莱PLC控制器的温度控制硬件系统,在Simulink中搭建基于延时PID算法的温度控制软件系统。最后,将热电偶实时测量的LED灯珠管脚温度作为反馈量,输入到控制软件系统,并且由系统输出量控制半导体制冷片工作,降低LED芯片结温。该控制系统在50s之内可将功率为10W的LED灯珠管脚温度降低到25℃并保持,此时的LED芯片结温为80℃左右,保证了LED汽车大灯安全可靠的工作。

关键词： LED汽车灯结温热场分布优化设计结温控制

分立碳化硅MOSFET器件并联结温均衡控制方法研究

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分立碳化硅MOSFET器件并联结温均衡控制方法研究

作者：王鑫湖南大学

学位级别：硕士

电动汽车、轨道交通、光伏发电和航天航空等领域的发展对电力电子设备提出了更高效率、更高功率密度以及更高可靠性的要求。为了满足上述要求,需要将SiC MOSFET器件进行并联使用,以达到所需的功率等级和热性能。然而,由于生产工艺不成... 详细信息

电动汽车、轨道交通、光伏发电和航天航空等领域的发展对电力电子设备提出了更高效率、更高功率密度以及更高可靠性的要求。为了满足上述要求,需要将SiC MOSFET器件进行并联使用,以达到所需的功率等级和热性能。然而,由于生产工艺不成熟以及应用布局不对称,SiC MOSFET器件在并联应用过程中总是不可避免存在热应力和电应力不均衡等问题。另外,SiC MOSFET器件的开关速度快,开关瞬态过程的电流不均衡会产生过大的电应力使得器件失效,而长期的热应力不均衡又会导致各个并联器件间的寿命不一致,使得有的器件会先失效并剧烈加速其他器件失效,极大降低了电力电子设备的安全性与可靠性。为了实现并联分立SiC MOSFET器件的安全可靠运行,平衡并联器件间的热应力差异,本文首先对SiC MOSFET的器件结构和工作原理进行了深入分析,并以型号为C2M0080120D的分立SiC MOSFET器件为研究对象,揭示了SiC MOSFET相关器件特性的变化规律,然后将SiC MOSFET的开关过程进行了详细研究,推导了各个开关阶段的等效电路模型以及数学关系式。在此基础上,建立了并联SiC MOSFET器件的解析模型,并基于Pspice仿真平台搭建了器件并联仿真电路模型,研究了并联器件各项参数不一致对其运行状态的影响规律,为后续并联器件结温均衡控制方案设计提供参考。目前大多数研究均是针对并联器件电流不均衡问题,较少有涉及热应力均衡的研究,而温度又是影响器件安全可靠运行的重要因素。针对上述问题,本文从并联器件结温均衡的角度出发,提出了一种基于驱动电压和驱动电阻调节的并联器件结温均衡控制方法,并设计了可变驱动电压与驱动电阻的栅极驱动电路。同时,在PLECS仿真平台搭建了基于并联SiC MOSFET器件的BUCK变换器仿真模型,在并联器件分别运行在各项参数不一致的情况下,对所提并联器件结温均衡控制方法进行了仿真验证。最后,搭建了分立SiC MOSFET器件并联的实验测试平台。在不同负载电流和不同开关频率等多种实验工况下对并联器件进行测试,并对比分析了加入本文所提出的并联器件结温均衡控制方法前后的稳态结温和漏极电流。实验结果表明,本文所提结温均衡控制方法能够很好地平衡并联器件间的结温不均衡,提升了并联器件的寿命与运行可靠性。

关键词： SiC MOSFET 并联应用结温控制栅极驱动

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功率器件主动热控制的PI参数优化方法

南京理工大学学报 2019年第6期43卷 667-676页

作者：万萌应展烽张旭东南京理工大学能源与动力工程学院

为了提高功率器件结温控制精度,提出了功率器件主动热控制的参数优化方法。基于功率器件主动热控制原理和热网络模型,构建比例-积分(PI)参数优化的目标函数。利用遗传算法对目标函数进行求解,获得最优PI参数。为了验证方法的有效性,以功... 详细信息

为了提高功率器件结温控制精度,提出了功率器件主动热控制的参数优化方法。基于功率器件主动热控制原理和热网络模型,构建比例-积分(PI)参数优化的目标函数。利用遗传算法对目标函数进行求解,获得最优PI参数。为了验证方法的有效性,以功率MOSFET构成单相全桥电路,以电流动态限幅为手段,在不同的电流限幅最大值、器件初始结温和环境温度等情况下,对功率器件进行了主动热控制仿真与实验。结果表明,该文PI参数优化方法能够提升功率器件结温控制准确性。

关键词：功率器件主动热控制 PI控制器参数优化结温控制遗传算法单相全桥电路电流动态限幅