IGBT模块热参数准在线监测方法研究

摘要

功率变流器在各个领域得到了广泛的应用，如风机、光伏发电系统、电动汽车、列车牵引、微网等等。然而在这些高可靠性应用领域，功率变流器的实际使用寿命和设计寿命存在一定的差距。工业界调查结果表明，功率半导体器件是功率变流器中最易失效的部件之一，因此提高功率半导体器件的可靠性可以降低功率变流器的故障停机时间以及相应的维修费用。进一步的研究结果表明，功率半导体器件的失效机理，结温估算，寿命评估，状态监测，故障诊断以及热管理设计均与热参数（热阻和热容）关系密切。因此，本论文围绕热参数的辨识、监测以及应用开展了研究工作。　　①在热参数辨识方面，现有的方法需要测量器件的结温和功率损耗，并且需要将器件加热至热平衡状态。然而，由于变流器处理功率的波动性以及器件自身的开通关断，器件的结温处于非热平衡状态，而且变流器电压电流的快速变化使得器件结温和功率损耗的测量具有较大的难度。　　为克服现有方法的局限性，本文提出了一种基于壳温信息的热参数准在线辨识方法。该方法应用于变流器停机降温阶段，属于准在线类型。它不仅测量简单，而且无需测量器件的功率损耗以及加热器件至平衡状态。首先根据电热比拟理论，将热网络模型转换成等效的电网络模型。然后基于节点电压法以及特征方程根与系数的关系，建立了壳温降温曲线时间常数和热参数之间的约束方程。最后通过联立不同散热工况下的约束方程辨识出IGBT模块的热阻和热容。此外，综合考虑温度测量系统的延迟效应、结温、壳温测量点以及热耦合对热参数辨识方法的影响。结果表明，提出的方法能够在变流器中较为准确地辨识出IGBT模块的热参数。　　②在热参数监测方面，现有的研究通常借助其它易于测量的物理特征量实现对器件热参数的监测。这些方法假设器件热阻的增加导致器件结温的升高，进而引起待监测物理特征量的改变。然而相关的研究表明，散热系统的老化也会带来器件结温的抬升，因此已有的物理特征量容易受到散热系统老化状态的影响。　　为克服现有物理特征量的局限性，本文提出了一种基于热时间常数的IGBT模块和散热系统健康状态准在线监测方法。该方法不仅可以监测IGBT模块的健康状态，还可以评估散热系统的健康状态。首先基于传热学理论概述了热时间常数这一物理量，然后结合老化工况分析了热时间常数作为一个新特征量的可行性，最后详细介绍了如何从级联热系统中提取出待监测对象的热时间常数。为验证所提出的方法，搭建了一台采用风冷散热的三相逆变器，并详细考虑了变流器运行工况对热时间常数的影响。实验结果表明，提出的新特征量能够对IGBT模块和散热系统健康状态同时进行监测。　　③在热参数应用方面，以风电变流器中IGBT模块的热管理为例。已有的研究表明低频热载荷引起的寿命消耗占据器件总寿命消耗的很大一部分比例，因此平滑低频结温波动能够提高器件的可靠性。然而现有的研究方法对器件的基频热载荷具有良好的平滑效果，但是面对低频热载荷却不能实现有针对性的调控。这主要是因为低频结温波动的幅值是由不同工况下的风速和气温决定的，结温控制目标比较模糊，而基频结温波动可以和某一具体风速相对应，其平滑目标较为明确。　　为克服现有方法的局限性，本文提出了一种基于器件寿命消耗分布特点的宏观热管理策略。该方法能够有针对性地平滑低频结温波动引起的器件寿命消耗，其核心思想在于根据器件的低频寿命消耗分布特点确定结温波动的允许范围并映射到变流器需要进行调控的工作区间。采用变开关频率作为具体的结温调控手段，并详细分析了变开关频率的可行性以及对变流器输出电流谐波含量的影响。研究结果表明，提出的方法不仅能够有效地降低器件的低频寿命消耗，而且能够满足变流器对并网电能质量的要求。

目录

1 绪 论

1.1 研究背景

1.2 IGBT模块热参数监测的研究意义

1.2.1 状态监测

1.2.2 结温估算

1.2.3 热管理设计

1.2.4 寿命评估

1.3 研究现状

1.3.1 热参数辨识的研究现状

1.3.2 热参数监测的研究现状

1.3.3 热管理的研究现状

1.3.4 现有方法存在的问题

1.4 论文的主要研究内容

2 IGBT模块等效热网络模型

2.1 引言

2.2 IGBT模块稳态热响应

2.3 IGBT模块暂态热响应

2.4 IGBT模块等效热网络模型

2.4.1 Foster和Cauer热网络模型

2.4.2 两种热网络模型参数的提取算法

2.5 仿真案例分析

2.5.1 热网络模型的物理意义

2.5.2 非热平衡以及损耗测量对现有热参数提取方法的影响

2.5.3 低阶热网络模型的应用分析

2.6 本章小结

3 基于IGBT模块壳温信息的热参数准在线辨识方法

3.1 引言

3.2 IGBT模块壳温降温曲线时间常数和热参数之间的约束方程

3.3 IGBT模块壳温测量系统的误差校正

3.4 实验验证

3.4.1 IGBT模块壳温测量系统的时间常数

3.4.2 IGBT模块热参数辨识的实验平台设计

3.4.3 IGBT模块热参数的辨识结果与验证

3.5 实际应用中需要考虑的影响因素

3.5.1 结温大小对热参数辨识结果的影响

3.5.2 壳温测量点对热参数辨识结果的影响

3.5.3 硅脂老化对热参数辨识结果的影响

3.5.4 热耦合对热参数辨识结果的影响

3.6 本章小结

4 IGBT模块和散热系统健康状态准在线监测方法

4.1 引言

4.2 热时间常数的定义以及作为状态监测特征量的可行性分析

4.3 IGBT模块和散热系统的热时间常数提取

4.4 实验验证

4.4.1 状态监测实验平台设计

4.4.2 健康IGBT模块和散热系统热时间常数的监测结果

4.4.3 变流器运行工况对热时间常数监测的影响

4.5 老化IGBT模块和散热系统热时间常数的监测结果

4.5.1 IGBT模块/硅脂老化下的热时间常数

4.5.2 风扇老化下的热时间常数

4.5.3 IGBT模块/硅脂/风扇老化下的热时间常数

4.6 本章小结

5 风电变流器中IGBT模块的宏观热管理策略

5.1 引言

5.2 风电变流器中IGBT模块的寿命评估方法

5.2.1 风力发电系统模型

5.2.2 变流器电参数计算

5.2.3 IGBT模块功率损耗计算

5.2.4 IGBT模块结温数值计算

5.2.5 IGBT模块寿命评估模型

5.2.6 低频热循环提取

5.3 风电变流器中IGBT模块的低频寿命消耗分布规律

5.4.1 IGBT模块结温的控制目标

5.4.2 变开关频率的可行性分析

5.4.3 宏观热管理的效果

5.5 本章小节

6 全文总结

6.1 论文主要工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

附录

A. 作者在攻读博士学位期间发表的论文

B 作者在攻读博士学位期间申请的专利

C 作者在攻读博士学位期间参研的科研项目

D 学位论文数据集

致谢