采用全阶状态观测器的IGBT模块结温预测

为解决控制器功率器件过温失效问题,需要对IGBT的PN结温度进行实时精确估计。设计全阶状态观测器对IGBT的结温进行实时估计,并综合考虑电、热参数的相互影响,采用闭环控制实现结温的估计修正;根据双脉冲测试原理搭建IGBT动态特性离线测试平台,研究导通电流、母线电压、结温对IGBT损耗的影响,采用线性插值法推导IGBT损耗的数学模型;根据热-电比拟理论建立热网络模型,搭建热阻测试平台获得温度与瞬态热阻变化曲线;基于IGBT热网络模型推导各温度节点的状态方程,针对开环估计方法估计精度差的问题,设计全阶状态观测器,利用观测器输出壳温和实测的壳温之间的误差对结温估计值进行实时修正。搭建基于Matlab\\Simulink的仿真平台,验证了IGBT结温估计的有效性和准确性;搭建结温预测实验平台,采用热敏参数法对结温状态观测器进行验证。仿真和实验结果表明,估计的结温能够很好地跟踪实际值,验证了提出方法的准确性。     

基于实时结温估计的动态IGBT热管理策略

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.     

模块化多电平换流器子模块等效数学模型的建立及仿真

模块化多电平换流器(MMC)中包含的半导体开关器件数量是2电平、3电平电压源换流器(VSC)的2次幂倍,随着系统电平数的增加,大量功率器件的引入给模型的电磁暂态仿真带来了困难。本研究把IGBT等效为2个不同状态的等效电阻,将MMC子模块的模型简化,根据戴维宁定理建立了MMC子模块的数学模型和MMC桥臂数学模型。最后,在MATLAB/Simulink下搭建基于MMC子模块数学模型的21电平仿真电路和基于MMC桥臂数学模型的61电平VSC-HVDC输电系统仿真电路,并与采用器件模型的仿真结果进行对比。仿真验证了该数学模型的准确性和可靠性。     

无刷电动舵机功率驱动电路发热特性分析

针对小型大功率无刷电动舵机由于大电流、高功率密度引起的散热困难问题,开展其功率驱动电路发热特性研究。根据所使用的H-PWM-L-ON型半桥调制模式,分析了IGBT三相桥式功率逆变电路的功率损耗,基于RC热网络模型方法建立了该电路的热传导模型,并使用英飞凌FS50R06W1E3型功率模块开展了功率驱动电路发热特性仿真分析和实验验证。结果表明,所给出的功率驱动电路功率损耗分析结果合理可信,通过该热传导模型可有效计算功率器件工作温度。在无刷电动舵机设计过程中,可使用此方法进行功率器件工作温度计算,在确保低于最高工作结温的情况下提高可用输出功率。     

基于开通波形的IGBT开关特性测试平台寄生电感提取方法

IGBT动态测试平台的寄生电感影响IGBT器件的开关参数以及开关损耗,因此,提取动态测试平台回路的寄生电感对于准确获得IGBT器件的开关参数具有重要意义。传统的寄生电感提取方法忽略了回路寄生电阻的影响,给寄生电感的提取带来误差。为了提高寄生电感提取的准确性,提出了采用IGBT开通波形来计算动态特性测试平台寄生电感的方法,通过对开通电流上升过程的分析,建立了包含回路寄生电阻的等效电路模型及电路方程。仿真结果表明该方法的计算误差低于传统计算方法。为验证该方法的正确性,搭建了IGBT动态特性测试平台,实验结果表明,该方法实现了寄生电感参数的提取,为提供准确的IGBT器件开关参数奠定了基础。     

基于传热反问题的绝缘栅双极型晶体管模块温度计算方法

在分析绝缘栅双极型晶体管(Insulated grid bipolar transistor,IGBT)模块内部传热机理的基础上,建立了集总参数的温度计算模型。采用边界元法对传热反问题的解空间进行离散。采用共轭梯度法求解传热反问题,得到较准确的等效热阻和等效热容值。该方法通过与制造商提供的IGBT模块结温实验数据和有限元方法计算的结果相比较,计算误差小于5%。     

计及裂纹损伤的IGBT模块热疲劳失效分析

以实际IGBT功率模块为研究对象,通过有限元分析技术(FEM),探究裂纹损伤对IGBT模块热特性及疲劳寿命评估的影响规律,通过加速老化实验对有限元仿真结果进行验证.结果表明,焊料层裂纹是造成IGBT模块热阻增加的主要原因,在裂纹未萌生和萌生初期,裂纹对模块热特性的影响较小;一旦模块损伤到某一阶段,随着裂纹的继续扩展,模块热阻将近似指数增大,继续服役将导致功率模块在短时间内失效.通过研究发现,IGBT模块的疲劳寿命不仅与功率循环条件相关,还受到焊料层疲劳现状的影响,因此计及焊料层的疲劳累积效应的物理寿命模型相对于解析寿命模型能够更准确地对IGBT模块寿命进行评估.     

模块化多电平换流器阀基主动均压控制策略研究

模块化多电平换流器阀臂中子模块IGBT的平均开关频率和电容电压纹波幅值具有相互耦合的特性,如何在保证纹波幅值不超标的情况下精确定量控制IGBT的平均开关频率具有重要的理论和工程意义。基于此提出一种MMC阀基主动控制策略。首先,基于一种改进的电容均压排序算法和其子模块电容电压纹波幅值与IGBT平均开关频率的数学关系,为基于PI控制器的主动均压策略提供输出阈值的设计准则;其次,设计了一种在线测量IGBT平均开关频率的模块,可以实现开关频率的划窗式动态测量;进而,提出了定量控制IGBT平均开关频率的闭环控制器。最后,为证明所提出频率控制方法的有效性,在PSCAD/EMTDC中搭建了双端401电平MMC-HVDC系统分别针对稳态、潮流翻转以及严重交、直流故障情况验证了所提出的MMC阀基主动均压控制策略鲁棒性和工程适用性。     

PWM直流调速系统的研究

介绍了一种以大功率IGBT模块作主功率开关器件,采用SG3525集成PWM控制器为核心控制器,EXB841作为驱动模块的高效集成化的直流调速系统,该调速系统适用于需直流调速的工控领域,也可作为大专院校开设PWM控制实验课之用。     

5 MW中压直驱风电变流器控制系统设计

针对5 MW永磁直驱风力发电机的特点,详细研究了二极管中点钳位式(neutral point clamped,NPC)三电平中压全功率变流器的控制系统、主回路设计、定子磁链估算与不连续脉冲调制(discontinuous pulse-width modulation,DPWM)。网侧变流器采用电网电压定向和空间电压脉冲宽度调制(space voltage pulse width modulation,SVPWM)策略,机侧变流器采用转子磁场定向和DPWM策略,并基于低通滤波器补偿的方法进行定子磁链的幅值及角度的估算。热仿真软件结果表明:网侧开关频率为1. 55 kHz时,IGBT结温与温升满足器件设计规范; 25 k W样机实验结果表明,采用该文所提调制策略和定子磁链估算方法,并网电流谐波含量能够满足国标要求,转子位置估计误差小,具有较好的稳态性能和转矩动态响应性能,能够很好满足系统控制要求。     

电动汽车动力控制器集成化壳体的热仿真分析

采用集成化设计方案,将电动汽车动力控制系统的IGBT模块、DC/DC模块、电机控制模块、整车控制器及关键电气零件全部集成在同一壳体内.IGBT模块和DC/DC模块作为动力控制系统的发热件,采用CFD有限元热仿真分析软件,对IGBT模块、DC/DC模块功率器件分别进行稳态与瞬态分析,验证了集成化壳体内部的冷却散热效果,有利于散热设计方案的确定.     

基于三相逆变器变开关频率和变直流母线电压的PMSM控制

针对三相电压源逆变器应用固定开关频率和额定直流母线电压的空间矢量脉宽调制（space vector pulse width modulation, SVPWM）驱动方式时存在直流电压利用率低、绝缘栅双极性晶体管（insulated gate bipolar transistors, IGBT）损耗较高的缺点,建立永磁同步电机（permanent magnet synchronous motor, PMSM）和基于输出周期的IGBT损耗控制模型,在此基础上以输出电流质量为约束条件,以开关频率和直流母线电压为约束变量,应用猫鼬优化算法获得基于输出周期的IGBT损耗最优的开关频率和直流母线电压。对所提出的策略进行仿真和实验,通过比较输出电流总谐波畸变率（total harmonic distortion, THD）、电流波形、IGBT损耗和结温等验证所提策略在保证控制系统性能的条件下降低三相电压源逆变器损耗,增加三相电压源逆变器的可靠性。     

一种IGBT热阻测试方法的研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)工作时会产生大量的热,这不仅会影响到其工作的可靠性,还会对其周围的电路产生影响,降低整个系统的性能.因此对其进行准确的温升和热阻测量具有重要意义.论文阐述了利用直接测量结温法测量IGBT热阻的原理,介绍了热阻测试系统的硬件构成及测试流程,并测试了模块在不同功率下的热阻值,对测量结果进行分析,发现该热阻测试系统具有测量简单、对不同运行条件适应性强、测量结果重复性好等优点,可作为测量IGBT温升及热阻的一种方法.     

基于PID自校准算法的IGBT温升控制实现

针对功率循环实验中绝缘栅双极型晶体管( insulated gate bipolar transistor, IGBT)温度过冲和滞后问题,设计了一种自校准PID算法控制IGBT温升。通过MATLAB进行PID建模及参数仿真,采用电学法测试原理并结合嵌入式系统测试IGBT结温,使用PID自校准算法控制器件温升进行IGBT热疲劳测试。实验结果表明：该算法的调节方式和温度精度都达到理想的效果,改善了系统的动态性能,为IGBT寿命预测提供了一个良好的实验环境。     

基于SH79F1611单片机的交流电机变频调速系统

以智能功率模块(SPM)作为逆变电路功率开关器件,以单片机SH79F1611作为控制核心,采用脉冲宽度调制(PWM)的控制方法,设计一套交流电动机变频调速系统。根据系统参数对电路器件进行选型,通过实验实现变频调速控制。     

并联IGBT的散热有限元计算分析及试验研究

为了了解并验证在恶劣工作环境下IGBT的结温,对并联运行的IGBT的散热系统进行了适当的模型简化,基于有限元软件ANSYS的模拟计算,求解其散热系统的温度场分布.通过与试验结果进行对比研究,表明计算结果满足工程运用所需的精度要求,可应用于复杂分布功率半导体器件的热分析中.     

功率晶体管峰值结温电学测量技术中的热模型

描述了功率晶体管峰值结温电学测量技术中采用的三维两层结构模型,给出其解析解及计算程序框图,用此模型将电学测量的平均结温修正为峰值结温,修正可达10～30℃, 以红外微热像仪测量的热场为标准,峰值电学法的误差小于8％,标准电学法的误差则可达50％。     

中压IGBT模块用热电制冷集成微型平板热管散热器的研究

为满足绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块散热器散热性能的要求,设计了一套用于中压IGBT模块散热的主动式散热器,以热电制冷器为核心,和微型平板热管热并联连接集成分离热通道散热器。基于一维稳态传热理论建立了分离热通道散热器的热阻网络模型,分析了该散热器在性能、经济方面比传统热电制冷散热器的优势。仿真结果表明,相比传统的径向热通道散热器,分离热通道散热器提高了热电制冷器的制冷系数,拥有更大的散热极限。与常规的水冷散热器对比结果表明,分离热通道散热器适用于高温环境的小功率场合。该研究成果为改进IGBT模块主动散热器性能提供了一定参考。     

基于软开关技术的氩弧焊逆变焊机

作为新型逆变弧焊电源核心技术的软开关技术,它较好解决了具有关断拖尾特性的IGBT开关转换,同时大大减少了变换器的环路损耗。电源的主要开关功率器件进行的是零开关,减少了功率器件的电压、电流应力。     

铣磨车变频器主电路的损耗分析 及其冷却装置的设计

采用近似法对铣磨车变频器主电路器件功率损耗进行分析,计算出主要器件的损耗,在此基础上设计铣磨车牵引变频器的冷却装置,保证功率器件在结温范围内工作。实验证明,该冷却装置能实现其散热功能,使主要功率器件降温,从而保护功率器件,并确保机车稳定运行。