大功率IGBT模块结温提取研究

为了提高大功率功率变换器的可靠性,需要对大功率绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块进行温度监测,到目前为止,该领域对高压IGBT的研究很少。本文搭建了双脉冲实验平台,对4.5 kV、1.2 kA IGBT模块开关瞬态时的热敏感电参数进行了测量,并对每个参数是否适用在线结温提取以及预期成本进行了讨论。结果表明,大多数参数除温度外还强烈依赖于负载电流和母线电压,最合适的结温提取参数是准阈值电压和开通时集电极电流变化率,它们都可以通过IGBT的寄生电感来获取。     

IGBT模块结温估计方法及其温度特性研究

为了准确快速地估计结温,研究了IGBT模块的温度特性及基于温度敏感电参数TSEP(temperature sensitive electrical parameters)的结温估计方法。首先在不同壳温的条件下,测量IGBT开关过程中的门极-射极电压Vge、集电极-射极电压Vce和集电极电流Ic,并以上述参数作为TSEP;然后分析了TSEP随温度变化的机理,研究了TSEP典型特征与温度的关系,并将其量化;最后提出一种准确的IGBT结温估计方法。实验测试结果表明,基于TSEP的典型特征的结温估计方法切实可行。     

IGBT模块在线结温预测方法对比研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块以其驱动简单、功率等级高、功耗小、热稳定性好等优点,被广泛应用于光伏发电、航空航天、电动汽车、船舶等各类电力电子设备中。IGBT模块作为电力电子设备的核心部件,其可靠性一直都是制造商与用户重点关注的问题,而结温波动被认为是导致IGBT模块失效的主要原因。因此,如何估算或测量IGBT模块的结温是研究IGBT模块可靠性的重点。此处对常见的热敏感电参数(TSEP)进行分析,并通过IGBT模块双脉冲测试平台进行了实验对比,实验结果表明相比较于其他TSEP,关断时间对结温的灵敏度更高,线性度更好,为最佳TSEP。     

风电变流器IGBT模块工作结温估算研究

针对风电变流器中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)工作结温估算精度低、难度大的问题,分析了IGBT模块的伏安特性和温敏特性,进而建立了一种基于饱和压降的结温估算物理模型;通过IGBT模块的伏安特性和温敏特性试验,获取了IGBT模块在不同集电极电流下的饱和压降温敏特性曲线,进而基于饱和压降提出了一种结温估算数学模型。研究结果表明,物理模型相比数学模型精度较高,但需获取器件各物理参数准确值,建模过程较复杂;数学模型无需了解器件物理机理,但精度相对较低。实际风电工况中可根据精度需要选择物理模型或数学模型,这为IGBT模块和风电机组的状态监测和安全评估提供了一种新思路。     

基于感应电压的大功率IGBT模块结温检测研究

大功率绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块广泛应用于电力系统、机车牵引和风力发电等众多领域,其健康状态与可靠运行是电力电子系统关注的重点.IGBT结温检测是其可靠性分析与状态检测研究的关键.基于热敏感电参数(TSEP)法,分析了感应电压与结温之间的关系,通过实测建立了感应电压测量结温的三维模型,最后设计和搭建了基于H桥拓...     

基于开通密勒平台电压的IGBT模块结温估计研究

已有研究表明,绝缘栅双极性晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的可靠性与结温波动密切相关,如能准确地实时测量IGBT的结温,对可靠性的研究具有重要意义。依据温敏电参数法,该文提出一种基于栅极电压开通密勒平台的结温估计方法。首先分析IGBT栅极寄生电容的物理特性与温度的关系,得到栅极开通过程中密勒平台电压与结温线性相关;然后提出采用恒流驱动电路延长栅极电压开通过程中密勒平台持续时间,使其温敏感度与温线性度更高,可拟合出密勒平台值和结温间的线性关系;最后采用该方法对IGBT模块的结温估算进行实验验证,并与采用红外测温仪实时测量的结温进行对比,验证了所提方法的可行性和准确性。     

MMC阀子模块IGBT损耗与结温计算

模块化多电平整流器(modular multilevel converter,MMC)子模块具有承受高电压、大电流等特点,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)又是子模块的关键器件,而IGBT的损耗和结温计算方法决定IGBT的热设计和选型,是影响其在MMC工程应用的关键因素。文中首先对MMC稳态运行时子模块承受的应力进行了分析,其次,结合通态电流、子模块的投切和结温估算模型,设计了一种IGBT损耗和结温的计算方法,最后在搭建的试验系统中进行验证,结果证明了所给出的计算方法有效可行。     

用于IGBT模块结温预测的热-电耦合模型研究

随着IGBT模块功率等级及密度的提高,因功率损耗而导致芯片温升加剧进而导致变流系统崩溃的问题愈发突出。对功率器件及散热系统的深入研究有助于功率器件封装设计、器件选型、系统布局以及逆变器的可靠运行。本文通过有限元分析方法对IGBT模块和散热系统的瞬态热阻抗进行了提取,所得结果与厂商数据手册吻合,而且通过所用方法验证了热阻抗曲线的普适性,最后利用热特性RC等效网络建立热-电耦合模型,可对芯片动态结温进行预测。     

一种改进的IGBT模块结温提取算法及实验研究

IGBT模块目前被广泛应用于电力系统、牵引传动和电动汽车等各个领域,其安全可靠运行对电力电子系统具有重要意义。研究表明,器件的结温与其健康状况有密切的关系,如何实时提取IGBT的结温是在线监测亟需解决的重要问题。在研究IGBT关断期间电流变化率di/dt与结温关系的基础上,提出一种改进的结温提取模型和算法,该方法具有模型简单和准确的特点,并给出了详细的理论推导分析和简化计算模型。最后,通过设计的改进双脉冲实验,验证了模型和算法的正确性与实用性。     

风电变流器IGBT模块损耗及结温的计算与分析

针对双馈风电变流器IGBT模块在交变热应力的长期作用下导致故障频发的问题,提出其损耗与结温的准确计算模型及不同工况下两者变化规律的研究。首先,建立了机侧及网侧变流器在整流或逆变模式下IGBT模块损耗及结温的计算模型;其次,对机组在不同运行工况下,其损耗和稳态结温进行分析。结果表明,随风速的增大,机侧与网侧变流器IGBT模块的损耗变化规律不同;机侧变流器IGBT模块的结温波动剧烈,尤其是在同步风速附近区域。     

IGBT模块栅极电压米勒平台时延与结温的关系

通过对IGBT模块栅极电压米勒平台的时延与结温Tj的关系进行研究,首先从理论角度分析了米勒平台时延温度特性;其次设计了稳定可靠的米勒时延测量系统实现栅极米勒平台时间延迟的精确测量;最后,在一定条件(恒定电压、恒定电流)下对米勒平台的时延与结温的关系进行了实验验证。理论与实验均证实,米勒平台的时间延迟随结温的变化而变化,且二者呈现非常好的线性比例关系,结温Tj每升高1℃,栅极电压米勒平台时间延长0.74ns左右。     

基于热敏感电参数法的IGBT模块结温检测

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)在电力系统、交通、军工、航天等诸多领域得到广泛应用,其可靠性关乎整个系统的稳定,而模块的结温是IGBT可靠性研究中至关重要的一环。但在实际工作电路中,其芯片封装在IGBT内部,要实现结温的实时检测非常困难。在此条件下,综合考虑各结温测量方法的可行性及测量的准确性后,选取饱和压降作为热敏感电参数来预测结温。利用饱和压降测试平台提取所需热敏感电参数,然后结合试验数据建立了基于误差反向传播算法的IGBT模块结温预测神经网络模型,构建热敏感电参数与结温的映射关系。避开IGBT模块的物理结构,实现了对IGBT在实际工况条件下结温的准确预测。     

高功率密度电机控制器的IGBT模块损耗及结温计算

为设计可靠性高的高功率密度电机控制器,计算绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块的损耗和结温至关重要。以某电动汽车用高功率密度电机控制器为研究对象,分析了利用数据手册计算IGBT模块损耗和结温的方法,利用FLUENT软件计算出实际冷却水温度下的热阻值,解决了数据手册中热性能数据不完善的问题。基于Matlab软件的M语言开发了损耗及结温计算程序,可以计算出不同工况下的损耗和结温等重要参数,为电机控制器的热设计提供指导。     

基于开关周期的IGBT模块功率损耗和结温计算

<正>为计算逆变器IGBT模块功率损耗和结温,通过分析逆变器中IGBT模块的工作方式,建立了基于开关周期平均功率损耗的IGBT模块电热耦合模型。该模型以IGBT开关周期为基本单位,结合IGBT功率损耗计算方法,通过分析每个开关周期     

基于电热耦合模型的风电变流器IGBT结温特性研究

随着我国新能源电力的规模化开发,新能源发电系统(包括风电、光伏、生物质能、海浪等)装机容量不断增长,对新能源变流器的容量、效率和可靠性的要求也越来越高。研究风电变流器IGBT的结温有助于研究变流器的可靠性,为新能源安全运行提供了支持。目前,针对IGBT结温的计算主要是基于数据手册,损耗计算采用了热路模型或者场的方法,并且忽略了恶劣的运行环境以及IGBT不同工况故障带来的影响。针对其在不同运行工况下的结温特性问题,建立了IGBT功率模块的电热耦合模型,分析了在SPWM控制策略下IGBT功率模块结温特性的变化规律。仿真结果表明,在电网遇到的三相故障短路问题、开路问题以及高海拔地区风机恶劣的运行环境影响下,对IGBT的结温都会有很大的影响。     

功率变换器IGBT开关模块的传导电磁干扰预测

提出一种新的频域模块化建模方法,用于预测功率变换器中传导电磁干扰噪声源.该建模方法以绝缘栅双极晶体管开关模块为基本单元,在一定的开关条件下,建立诺顿等效电路,获得噪声电流源和噪声源阻抗,连同传播路径一起构成功率变换器系统的电磁干扰预测模型.搭建一个标准的实验平台,可以方便地控制开关条件以及提取传播路径参数.实验结果表明,该模块化模型可以精确预测整个传导干扰频段内的电磁干扰噪声.最后的非线性分析验证了该方法的有效性和通用性.     

IGBT结温及温度场分布探测研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)采用传统的集总参数热路法只能得到一个平均结温,不能获得芯片表面的温度场分布,因此有必要开展结温探测及温度场分布研究.先在数值仿真软件ANSYS热仿真分析环境里采用有限单元法(FEM)得到模块温度场分布,利用红外热成像仪探测IGBT模块芯片表面结温,获得了结温瞬态温度场分布,分析了结温温升及...     

基于电-热耦合模型的IGBT模块结温计算方法

温度循环下的疲劳累计损伤是IGBT模块失效的主要原因,计算IGBT模块的结温对预测其寿命具有重要意义。为了研究IGBT模块工作过程中结温变化情况,首先通过计算IGBT和FWD的功率损耗建立了IGBT模块电模型,然后在分析IGBT模块热传导方式的基础上建立了IGBT模块热模型,进而基于电模型和热模型建立了IGBT模块的电-热耦合模型,最后以三相桥式逆变器为例对IGBT和FWD的结温进行了仿真分析。结果表明,由于IGBT和FWD处于开关状态,两者的结温波形均呈波动形状,且波动均值经过短时间上升后稳定于一恒定值,所以逆变器用IGBT模块开始工作后经短时间的热量积累最终达到热稳定状态;由于IGBT的开关损耗比FWD大,使得IGBT结温受开关频率的影响较大。     

考虑多热源耦合的风电变流器IGBT模块结温评估模型

为了更准确地描述大功率风电机组变流器IGBT模块内并联芯片的结温,提出一种考虑多热源耦合影响的变流器功率模块结温评估改进模型。从实际2 MW双馈风电机组变流器IGBT模块内部结构和材料参数出发,利用有限元方法分析IGBT模块内多芯片的结温分布和稳态热耦合影响。引入等效耦合热阻抗概念,推导功率模块芯片间热阻抗关系矩阵,并建立考虑多芯片热源影响的IGBT模块改进热网络模型。以某H93-2MW双馈风电机组为例,对比分析了不同功率损耗下改进模型的芯片结温计算结果与有限元和常规热网络模型结果。结果表明了考虑多热源耦合影响的风电变流器功率模块内部芯片结温计算的必要性和有效性,且热耦合影响程度与不同的芯片间距密切相关,需重点关注非边缘位置芯片的热分布。