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...     

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。     

考虑不同时间尺度的风电变流器功率模块可靠性评估模型

考虑到变风速运行下风电变流器功率模块的结温波动既受到风速的影响,同时也存在由换流引起的基频结温波动。为了综合衡量这两个时间尺度下结温波动对变流器可靠性的影响,提出考虑不同时间尺度下结温波动特点的可靠性评估模型。针对受风速影响较大的长时间尺度结温波动,根据FIDES可靠性评估导则,引入热应力因子和温度循环因子对不同风速均值、风速湍流强度运行状态下的可靠性影响进行评估。针对由换流引起的短时间尺度下的基频结温波动,采用多状态概率评估思想将风速大小进行概率划分,并基于功率模块失效机理评估不同风速对功率模块故障率的贡献。最后,以某风场变流器为例,对其可靠性进行评估,并分析设计参数对可靠性的影响。文中结论对于制定检修计划,提高功率模块设计可靠度提供了依据。     

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。     

基于热时间常数的IGBT模块热疲劳老化监测方法

提出利用热时间常数作为新的特征量,实现了对IGBT模块和导热硅脂的热疲劳老化进程的同步监测。通过研究热时间常数与Cauer型热网络参数的关系,建立了热时间常数与IGBT模块物理结构间的联系,总结出热时间常数在IGBT模块热疲劳老化过程中的变化规律。最后,通过3-D有限元仿真模型和实验验证了该方法对监测IGBT模块和导热硅脂热疲劳老化的有效性。该方法的显著优势在于可以仅通过1条结温降温曲线提取热时间常数,且不需要任何损耗信息或加热模块至热平衡状态。     

计及焊层疲劳影响的风电变流器IGBT模块热分析及改进热网络模型

针对不同疲劳寿命时期对风电变流器绝缘栅双极型晶闸管(IGBT)模块结温的影响,分析焊层在不同脱落度下的IGBT模块热阻变化规律,并建立考虑热阻变化的改进热网络模型。首先,依据风电机组变流器IGBT模块的结构和材料属性,建立三维有限元热-结构耦合分析模型,对基板焊层和芯片焊层在不同脱落度下IGBT模块结温和热应力的分布规律进行仿真分析。其次,确定不同焊层脱落度下其热阻增量值,并建立IGBT模块改进热网络模型。最后,将三维有限元模型和改进热网络模型的结温计算结果进行对比分析,验证了所提的改进热网络模型的有效性。     

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。     

基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法

压接式绝缘栅极双极性晶体管(IGBT)模块因优越的电气性能和封装设计,受到柔性直流输电等大功率应用场合的青睐,其模块可靠性也成为大功率应用场合研究的重点,而IGBT模块结温是影响器件可靠性的重要因素。基于压接式IGBT模块双脉冲测试平台,介绍一种基于关断电流最大变化率的压接式IGBT模块结温提取方法,分析压接式IGBT芯片结温和模块关断电流最大变化率间单调变化关系,并利用压接式IGBT模块封装结构固有的寄生电感有效获取关断电流最大变化率的信息,以此来反推模块结温特性。最后通过压接式IGBT双脉冲测试平台验证了通过模块关断电流最大变化率进行压接式IGBT结温提取的可行性。     

IGBT功率模块热网络模型建立及其 参数辨识方法综述和展望

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为功率变流器的核心器件,其可靠性受到广泛重视。而结温过高或者温度波动过高是导致功率器件失效的主要因素,故实时精确地监测IGBT模块结温对于提高其可靠性具有重要意义。通过建立热网络模型,然后对其电路进行仿真可获取结温,该方法因简单易行且可实现对结温的在线监测从而得到广泛应用。对现有的热网络模型进行了总结和归纳,并根据模型结构将其分为一维、二维和三维三类。然后,对近年来热网络模型的参数辨识方法的研究情况进行探讨,并对各个方法进行了比较和评价。在此基础上,对未来新的热网络模型和模型参数辨识方法的研究方向进行了展望。     

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。     

基于DCS的神经网络控制的工程实现

介绍了LN2000分散控制系统的软件设计方案。在系统功能模块的设计过程中,充分利用先进控制策略在热工过程控制中的应用研究成果,设计并开发了先进控制算法模块。详细介绍了该模块的输入输出变量和参数设置,论述了模块内部进行的手自动无扰切换的处理方法。针对火电厂主汽温被控对象,采用基于单个神经元的自适应控制器组成串级控制系统,利用LN2000分散控制系统平台,进行实时仿真研究。结果表明,采用基于单个神经元的自适应控制器的主汽温串级控制系统具有良好的跟踪性能和较强的鲁棒性。     

一种可提高IGBT可靠性的新型结温管控策略

变换器在运行过程中频繁和大范围地随机出力变化,会导致IGBT模块内部结温剧烈波动,使器件持续承受交变的热应力冲击,严重影响器件的可靠性。提出一种通过调节驱动电压实现功率器件结温平滑跟踪和自适应管控的策略。首先,基于简化的IGBT损耗分析模型,阐述了驱动电压大小对IGBT损耗的影响。然后,根据结温变化趋势的大小自动调节驱动电压,在不影响变流器输出性能的同时最大程度抑制结温波动,改善器件周期热应力,提高器件运行可靠性和寿命。最后,通过一种新型应力测试电路的结温跟踪管控实验平台进行实验测试,证明了该结温跟踪管控策略具有可行性和有效性。     

芯片封装参数对功率模块热特性影响的研究

由于温度分布不均匀以及封装中各层材料之间的热膨胀系数不同,使功率模块在工作中产生交变的热应力,造成焊层疲劳、键合线脱落等失效形式,因此研究模块的热特性尤为重要。热的测量是电力电子系统中最困难的工作之一,对封装结构进行电-热-力精确的仿真分析,能够准确了解对器件不同部位的温度、应力分布。采用基于电-热-力多物理场的有限元仿真,研究了封装材料、封装参数和封装结构对功率器件的温度、热阻、热应力这些热特性的影响,为优化封装设计,最终提高功率模块可靠性提供了一定的参考。     

基于傅里叶级数解析热扩散角的功率模块热阻抗物理模型

绝缘栅双极型晶体管功率模块失效主要由温度因素诱发。为提高功率模块可靠性,RC热阻抗模型被提出用于实时预测芯片结温。随着功率密度的提高,模块横向扩散愈发明显,多芯片热耦合效应愈加突出,导致传统RC模型会引入较大误差。文中针对RC模型精准度不足进行改进,揭示热扩散角取决于热流密度的物理内涵,结合多层封装结构下的傅里叶级数解析热流模型,建立一维RC热网络与三维热流物理场的本质联系,构造计及多芯片热路耦合的扩散角热网络,较为准确地描述多芯片结温动态特性,揭示热扩散与热耦合效应对芯片温度场形成的规律。与其他传统热扩散角模型相比,所提出方法的结温计算结果准确度最高。最后以型号SEMi X603GB12E4p模块为例,针对提出的物理模型进行验证,仿真与实验结果均表明,该模型能够表征不同工况条件下功率模块的热过程,验证了所提建模方法的有效性与准确性,误差小于4%,且验证了所提模型较不计及热耦合模型精度提高了16.72%。     

基于转速控制的双馈风电机组机侧变流器IGBT器件结温波动抑制策略

针对当前双馈风电机组机侧变流器在同步转速点附近结温波动大、影响器件运行可靠性的问题,提出一种基于机组转速控制的绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温波动抑制策略。首先,基于最大功率点跟踪(MPPT)控制原理,并结合变流器IGBT模块等效热网络,建立双馈风电变流器结温计算模型。其次,针对机侧变流器在同步转速点附近结温波动出现的"尖峰"现象,从减少机组低频运行范围和提升同步转速附近区域穿越速度的思路出发,提出基于功率、转速双控制外环的改进最大功率点跟踪控制策略。最后,搭建基于PLECS和Simulink联合平台的双馈风力发电系统仿真模型,对机组在亚同步和超同步转速间动态往返变化的变流器电-热性能及其在同步转速附近区域的稳态结温进行仿真,并开展变流器结温抑制效果验证的等效实验。仿真和实验结果验证了所提改进控制策略对抑制机组同步转速点附近变流器IGBT结温波动的有效性。     

光伏组件热斑电池片功率损耗的简化算法研究

热斑故障是光伏组件各类故障中最常见的一种。热斑电池发热越大,热斑故障越严重,对光伏系统的危害越大。针对常见晶硅光伏组件结构,剖析了光伏组件因热斑故障所引起的发热机理,结合单二极管等效电路模型提出一种简化的热斑电池片功率损耗计算方法;分析了光伏组件的不同工作状态,并结合组件的I-V曲线给出了各种工作状态下简化功率损耗算法中的关键参数确定方法。通过对光伏组件热斑电池片实验测试温度和热仿真温度对比,验证了所提简化功率损耗计算方法的准确性。     

绝缘栅双极型晶体管结温测量方法及其发展

绝缘栅双极晶体管(IGBT)大功率模块已在新能源发电、轨道交通、航空航天、高压直流输电等众多领域得到广泛应用。在包含大容量风力发电的电网中,其可靠性关系到整个电网的稳定。IGBT模块可靠性研究的基础是其失效研究和寿命预测,两者都与结温密切相关。本文首先阐述了IGBT结温测量的重要性,然后根据各种测量方法的特点,将其归为四大类(物理接触法、光学法、温敏参数法和热网络法)进行了阐述,并对比分析了各种方法的优缺点。最后指出结温测量的发展趋势和所需解决的关键问题,以促进该领域的进一步发展。     

磷酸铁锂电池模组过充热失控特性及细水雾灭火效果

磷酸铁锂电池模组的热失控及灭火是大规模应用急需解决的问题。文中分别以单个磷酸铁锂电池模组和簇级磷酸铁锂电池模组为试验对象,在恒流过充方式下研究单个磷酸铁锂电池模组与簇级磷酸铁锂电池模组的热失控特性,并使用细水雾作为灭火剂,研究细水雾对磷酸铁锂电池模组的灭火效果。试验结果显示:簇级磷酸铁锂电池模组燃烧后温度急剧上升,18 s内温升速率达42.74℃/s,温度峰值近1000℃,明显高于单个模组的峰值温度(600℃);细水雾持续喷洒100 s后,2组试验模组温度迅速降低,明火完全扑灭无复燃,灭火效果极佳。试验结果可为磷酸铁锂储能电站的安全和消防提供有效的理论与试验支撑。     

用于电动和混合动力交通工具的功率模块

为了开发新的电动和混合动力驱动交通工具需要的功率半导体模块，要有新的模块集成和封装解决方案。文章介绍了SKiM功率模块，是采用无基板压接触点的模块，确保了出色的热循环能力和低的热阻。