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     

基于实时结温观测的电动汽车逆变器动态限流策略

针对电动汽车逆变器中功率模块因实时结温过高而造成器件乃至系统失效的问题,提出了基于实时结温观测反馈的逆变器动态电流限幅控制策略。建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的电热模型,在线观测功率模块中所有IGBT芯片和续流二极管(FWD)芯片的瞬时最大结温;将该热状态以及器件的最大可用热容量输入电流限幅控制器得到逆变器的最大运行电流值,实现逆变器的电流动态限幅控制。测试结果表明,所提控制策略使逆变器安全地工作在最大可用结温范围内,可使逆变器的运行性能极限最大化,提高系统的功率密度和可靠性。     

模块化多电平换流阀IGBT器件功率损耗计算与结温探测

半桥子模块是柔性直流输电系统中模块化多电平换流阀(MMC)的核心单元,根据运行工况参数计算半桥子模块器件的功率损耗是进行绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块结温探测的关键,准确的结温波动信息对MMC换流阀系统的可靠性研究和安全运行尤为重要。与一般的两电平逆变器不同,MMC系统中桥臂电流具有与生俱来的直流偏置特性。该文提出了一种基于电热耦合模型的半桥子模块中IGBT器件功率损耗与瞬态结温计算的数学解析方法。首先研究半桥子模块中各导通器件电流复现方法,建立基于开关周期的平均功率损耗计算模型,基于瞬态热阻抗建立半桥子模块中IGBT器件的热网络模型;然后通过一个2MW的柔性直流输电系统算例,计算子模块中上下管开关器件的功率损耗和瞬态结温变化,计算速度是时域仿真模型的1 000倍;最后通过有限元模型验证了文中所提电热耦合模型的有效性。     

基于结温监测的风电IGBT热安全性和寿命耗损研究

针对风电变流器中的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块,研究模块结温实时监测方法及基于结温序列的模块热安全性和寿命耗损的评估方法。建立IGBT模块结温实时监测模型,该模型主要包括计及风速的风机模型和计及环境温度的电热耦合模型。对监测到的IGBT模块实时结温序列进行短时间尺度的特征参数序列提取,进而对模块进行热安全性评估,基于Lesit寿命模型和线性损伤累积理论对模块寿命耗损进行定量研究。结果表明,冬天影响IGBT模块安全性的因素主要是温度波动,夏天影响IGBT模块安全性的因素包括温度波动和高值温度(即某时段温度序列概率最大值对应的温度),温度差值是造成IGBT损伤的主因之一,风电IGBT模块夏天的寿命耗损远远高于冬天。     

IGBT模块结温变化下的电磁干扰特性研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)是电力变换装置中的重要器件,评估其可靠性至关重要。IGBT的结温及结温波动是造成其失效的主要原因,如何判定结温波动成为一个研究难点。通过分析IGBT的结构与结温特性、结温机理和结温波动对开关过程的影响及开关波形的频域模型,可以得出结温升高会导致IGBT模块工作过程中产生的电磁干扰变小,然后通过实验验证。实验测试结果表明,基于电磁干扰强度的结温估计或结温波动估计方法切实可行。     

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。     

IGBT损耗和温度估算

为获得绝缘栅双极型晶体管(IGBT)在工作过程中准确的功率损耗,基于数学模型及测试,建立了一种准确计算功率逆变器损耗模型的方法。通过双脉冲测试对影响IGBT开关损耗的参数(E_on、E_off和E_rec)进行准确测量,建立了一种通用的功率器件导通损耗和开关损耗模型。在考虑IGBT芯片间热偶合影响基础上提出了一种结温估算数学模型。搭建三相电感结温测试平台,通过结温试验验证了IGBT模块损耗模型和结温预估算型准确性。该损耗模型及结温估算的方法对于提高功率模块可靠性及降低成本具有较大工程实际意义。     

SPWM模式下逆变器中IGBT结温的快速评估方法

为了提高采用正弦脉冲宽度调制(SPWM)方式的逆变器中绝缘栅双极晶体管(IGBT)结温的仿真计算速度,采用高斯赛德尔迭代法对IGBT结温计算进行了研究。分析了开关周期的结温计算方法,然后使用迭代算法计算了工频周期的结温,并且将该计算方法与利用电热耦合模型仿真得出的结温和利用光纤测量实验得到的结温进行对比。结果表明:在保证精度的同时,同样是获取40 s时间的结温,仿真大约需要15 min时间,而结温迭代算法只需要20 s时间,其计算速度要比仿真快将近50倍。结温迭代法计算速度的提高,满足了逆变器中IGBT模块长期结温评估的要求,对于完成IGBT的寿命预测具有重要意义。     

大功率三电平变频器损耗及IGBT结温分析

提出一种大功率三电平变频器损耗及器件结温计算的简便方法,通过实验数据建立绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块导通损耗和开关损耗数学模型,并利用功率器件驱动信号来计算变频器的损耗,综合考虑了调制策略、负载功率因数、输出电流谐波、直流母线电压波动等因素,适用于变频器任何工况下的损耗和结温计算。建立了中点箝位型(NPC)三电平变频器电-热耦合模型,通过仿真和实验证明了所提方法的正确性,并分析了基于单开关周期的功率器件瞬态损耗及结温波动情况。     

双馈风电变流器IGBT模块的损耗与结温准确计算模型及规律研究

为了解决交变热应力大范围波动会导致IGBT模块稳定性大幅下降,引起双馈风电变流器IGBT模块故障频发的问题,基于解析解理论以及不同损耗分析方法并结合双馈风电变流器实际运行特性,建立了IGBT模块功率损耗以及机侧、网侧结温稳态模型,并且分析了其在不同工况下的变化特性。结果表明,风速对机侧以及网侧变流器IGBT模块的功损耗以及结温变化特性影响较大,最终得到基于开关周期理论所建模型更加适用于分析IGBT模块结温以及损耗的精确模拟。双馈风电用机侧变流器IGBT稳态结温波动幅值随风速的增大而增大。     

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。     

基于热阻抗模型的三相逆变器功率器件结温监测方法

绝缘栅双极型晶体管IGBT(insulated gate bipolar transistor)模块结温的精确计算是开展功率器件主动热管理、寿命预测的前提和关键.IGBT模块的导通压降和开关损耗均受温度影响,在计算损耗时应根据温度对结果进行修正.基于空间矢量脉宽调制SVPWM(space vector pulse wi...     

三相电压源逆变器内部IGBT模块温度的求解及评估

三相电压源逆变器的工作性能、使用寿命等方面均与其内部绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块温度直接相关,故求解及评估该逆变器中IGBT模块的温度对于确保逆变器系统的安全可靠运行具有重要意义。针对现有模型及方法难以求解IGBT模块温度的问题,本文借鉴直接法的思想,提出了一种新的简单实用的IGBT模块温度求解算法。基于拟合及插值算法,推导并建立了IGBT模块功率损耗模型;基于电热比拟理论,探讨并建立了集中参数的IGBT模块等效Cauer传热网络模型,并将传热微分方程差分化;最终,在同一电路仿真器中构建出IGBT模块温度的求解算法。在三相电压源逆变器的算例中,通过与英飞凌IPOSIM的温度计算结果对比,表明本文算法最大误差为3.01%,且温度变化趋势与IPOSIM基本一致,最后利用该算法评估了逆变器在不同负载工况下的IGBT模块温度,所得结果可为合理地进行三相电压源逆变器的散热设计、长期可靠性评估等服务。     

变频器中的IGBT模块损耗计算及散热系统设计

提出了一种设计变频器散热系统的实用方法,建立了比较准确且实用的变频器中IGBT(绝缘栅型双极晶体管)模块的通态损耗和开关损耗的计算方法,考虑了温度对各种损耗的影响,采用热阻等效电路法推导得出了散热器及功率器件各点温度的计算公式,并给出了散热器热阻的实用计算公式.在此基础上设计了一套采用强迫风冷的散热系统,计算结果与试验结果的对比,验证了该设计方法的合理性与实用性.     

计及IGBT暂态特性的PWM逆变电路输出电压谐波分析

PWM逆变器以结构简单、控制灵活等优点广泛地应用于电力系统之中,但其IGBT暂态特性易受结温影响,导致PWM逆变电路输出电压易受温度影响而产生畸变。针对上述问题,文中首先确定IGBT暂态特性与结温关系;通过贝塞尔函数推导出IGBT开关延迟时间与PWM逆变电路输出电压谐波的数学关系;最后在Matlab/Simulink环境下搭建计及IGBT暂态特性的PWM逆变电路模型进行仿真。理论分析与仿真结果表明,IGBT开关延迟时间呈正温度系数关系;在计及IGBT开关延迟的情况下,PWM逆变电路输出电压新增直流与高次谐波成份,谐波总含量增大,电压总畸变率升高。     

适合中高频应用的NFM系列IGBT模块

针对医疗仪器和电焊机等市场领域对中高频开关应用的需求,三菱电机开发了NFM系列中高频IGBT模块。本文分析了电流谐振逆变器在两种不同工作模式下的波形和特征,然后详细介绍了NFM系列模块设计中采用的关键技术,包括IGBT硅片、超高速续流二极管(Free Wheeling Diode,简称FWD)、低电感封装技术等,并指出这种模块在中高频开关应用时在低损耗方面的优越性。     

一种改进的并联IGBT模块瞬态电热模型

在大功率系统中,为了扩大电路的功率等级,开关器件往往会并联使用。为了保证绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块工作在安全范围,需要建立并联器件的瞬态电热模型。首先,重点分析了结温变化对损耗产生的影响,通过建立不同开关阶段等效电路分析推导电压、电流变化规律。同时,通过搭建测试电路得出受温度影响的参数与温度之间的定量关系。其次,在考虑并联器件之间的散热路径耦合基础上,提出并分析了一种改进的IGBT并联热阻抗模型。最后,基于损耗模型和热阻抗模型建立IGBT并联电热模型。搭建实验平台比较不同模块安装距离对瞬态结温的影响。与传统模型比较,计算结果与实验测试结果吻合,验证了改进的电热模型的准确性。     

压接IGBT器件并联子模组热阻分布实验研究

在刚性压接型IGBT模块中,并联芯片的压力分布直接决定了接触热阻和接触电阻的大小。通常无法测量器件正常工作时的压力分布及其引起的热阻分布。为了分析压接IGBT模块内部各子模组的压力分布情况和热阻分布情况,提出一种利用器件特性和热阻实验测量压接IGBT模块并联子模组热阻分布的方法。在此方法基础上,详细研究不同压力和电流条件下的热阻分布。实验结果表明,由于外部压力、器件特性和连接导体的差异,压接IGBT模块内部并联子模组间的结温、电流和热阻分布具有很大的分散性。提出的测量方法可以有效验证压接IGBT模块在一定封装条件下的结温、热阻和压力分布特性。     

压接IGBT器件并联子模组热阻分布实验研究

在刚性压接型IGBT模块中,并联芯片的压力分布直接决定了接触热阻和接触电阻的大小。通常无法测量器件正常工作时的压力分布及其引起的热阻分布。为了分析压接IGBT模块内部各子模组的压力分布情况和热阻分布情况,提出一种利用器件特性和热阻实验测量压接IGBT模块并联子模组热阻分布的方法。在此方法基础上,详细研究不同压力和电流条件下的热阻分布。实验结果表明,由于外部压力、器件特性和连接导体的差异,压接IGBT模块内部并联子模组间的结温、电流和热阻分布具有很大的分散性。提出的测量方法可以有效验证压接IGBT模块在一定封装条件下的结温、热阻和压力分布特性。