计及IGBT结温约束的光伏高渗透配电网无功电压优化控制策略

光伏电源参与配电网无功电压调节是提升光伏高渗透配电网运行经济性和可靠性的有效手段,但光伏电源提供无功支撑会使得光伏电源IGBT最大结温升高、结温波动加剧,进而影响光伏电源和配电网的安全稳定运行。为此,该文提出一种计及IGBT结温约束的光伏高渗透配电网无功电压优化控制策略。首先,利用CatBoost算法计算IGBT结温,提高了IGBT结温计算效率,避免了传统结温算法对IGBT热模型参数的依赖;然后,建立考虑IGBT结温约束的有源配电网多目标无功优化模型,利用二分法求解IGBT结温约束下的光伏电源最大输出功率,实现了IGBT结温约束向二阶锥约束的转换;最后,利用IEEE33节点典型配电系统验证了所提策略在光伏高渗透配电网无功电压优化、光伏电源运行可靠性提升方面的有效性,并提出了综合考虑配电网网损、光伏电源可靠性的光伏电源IGBT结温限值整定原则。

功率循环试验中结温条件对IGBT器件失效模式的影响

为了探究功率循环试验中结温条件对绝缘栅双极型晶体管(IGBT)器件失效模式的影响及其失效机理,以理论分析为出发点,通过大量功率循环试验进行对比验证,基于瞬态热阻抗曲线建立了准确的三维有限元模型,并仿真分析了相关失效机理。仿真及试验结果表明,键合线失效只受结温波动的影响;焊料老化受结温波动和最大结温的影响。增加结温波动会增加键合线、焊料所受应力,而提高最大结温会影响焊料的材料特性,加速其蠕变过程。研究成果解决了解析寿命模型难以表征失效机理的问题,并为失效模式的分离提供新的研究思路。

结温导向的牵引变流器寿命优化控制

结温是影响绝缘栅双极型晶体管(IGBT)寿命的主要因素。为了提高地铁两电平牵引变流器寿命,提出一种降低结温的异步牵引电机双矢量模型预测转矩控制(DVMPTC)策略。将传统DVMPTC的第二个电压矢量选择范围缩小在与第一个电压矢量不切换或仅切换一次的范围,降低IGBT开关损耗的同时减小系统计算量;在代价函数中约束IGBT及其反并联二极管的损耗,动态加入损耗因子,并赋予权重系数,使得最优矢量的选择兼顾控制性能与降低损耗。通过仿真分析,本文所提方法相较于传统基于分段调制算法的直接转矩控制策略,降低了结温及其波动,提高了牵引变流器寿命。

牵引变流器功率器件结温在线监测方法综述

功率器件结温在线监测对牵引变流器安全可靠运行至关重要,准确的结温监测是牵引变流器失效分析、运行状态监测、健康管理和剩余服役寿命预测的基础。因此,面向功率器件结温在线监测开展了大量研究。在此基础上,概述了以热网络模型法和温敏参数法为主的功率器件结温在线监测方法,以此为分类基准梳理了现有功率器件的结温监测方法并讨论了在牵引变流器中在线实现的可能,详细介绍了功率器件结温监测方法针对在线应用及客观因素干扰的发展与改进。最后,总结并对比了现有功率器件结温在线监测方法的演变、联系与差异,在分析现有结温监测方法面临挑战的基础上,展望功率器件结温在线监测在人工智能技术辅助下的前景。

基于开通延迟时间的MOSFET结温的在线测量方法研究

随着工业需求的发展,对功率晶体管的可靠性提出了更高的要求。器件结温的实时测量因能够起到保证器件正常工作的作用而至关重要。通过对开通延迟时间在线测量方法的研究,设计测量电路测量不同结温下的开通延迟时间,建立二者关系;测量实际工况下的开通延迟时间,反推出器件结温,实现器件结温的在线测量。与红外测温枪测量结果进行对比,结果相近。所提基于开通延迟时间的MOSFET结温的在线测量方法,为今后结温的在线测量提供了新思路。

一种IGBT简化结温曲线计算方法

文章基于离散积分原理实现对基波周期内的结温量化表达,开发了一种简化结温曲线方法,将包含详细结温信息的结温波动曲线转换为仅含关键结温信息的简化结温波动曲线,计算精度高,同时能够快速确定最大/最小结温及其出现时刻,极大地降低了计算负担。通过不同基波频率的结温仿真分析,文章所提方法能很好反映结温波动变化,计算精度高。相较于其他结温计算方法,文章所提方法的计算速度优势明显,适应于长时间尺度计算。最后,通过功率考核试验实测结温波动,验证了该方法的准确性。

基于老化补偿的功率模块全生命周期在线结温监测方法

功率模块结温在线监测对提升系统性能和可靠性具有重要意义。应用导通饱和压降和电流对结温进行估计,对测量带宽要求不高,对硬件和算法的侵入性低,是比较理想的结温在线监测方法。但是传统的测量方法很难满足结温精度要求,另外长期工作下功率模块老化会引起温度模型参数漂移,进一步加剧结温估计误差。为此,该文提出一套高精度测量电路和采样校准策略,应用温漂抑制、动态自适应采样、误差定向标定、同步时序控制等策略,大幅提高了在线采样分辨率和结温估计精度。针对老化问题,提出一种基于大电流注入的急停控制策略,解决了老化特征参数在线辨识问题,实现了结温模型的老化补偿,大大提高了老化后的结温监测精度,实现了全生命周期高精度在线监测。最后,在250kW三相变流器平台上进行了实验验证,得到老化前后的结温估计误差,证明了该文方法对提高结温监测精度具有明显效果。

器件热阻随测试结温变化规律研究

为探究半导体分立器件电学法热阻测试时器件结温与热阻的变化规律,开展了基于热阻测试实验分析。详细介绍了热阻测试程序和典型热阻测试电路,并对4款典型VDMOS器件开展热阻测试,结合器件结构特性、热响应曲线和微观导热理论中声子导热系数与温度关系,研究获得器件热阻与结温的变化规律。通过热阻与结温的正相关性规律,有效提升器件在老炼和实际工况下结温计算的准确性。

集成结温在线监测功能的IGBT智能驱动器

结温是表征功率器件寿命的重要参数,对功率器件结温进行监测具有重要意义。基于热敏电参数法,选取对温度敏感的电参量饱和导通压降V_(CE(sat))作为研究对象,在IGBT驱动器中集成高精度结温参数测量电路,使系统可在线监测功率器件结温。同时为了得到更加精准的热-电参量对应关系,通过分段拟合的方式对IGBT模块在工作状态下结温与V_(CE(sat))的关系进行数学建模。在此基础上,还设计了相应的退饱和检测电路和分级驱动电路。经过实验验证,最终解决了传统结温测量方式工程应用性差的问题,提高了参数采集精度,将热敏电参数的结温预测误差控制在±5℃以内。

高压大功率器件结温在线测量方法综述

结温是高压大功率电力电子器件健康管理、寿命预测和可靠性评估的基础,通过对结温的在线测量,可以做到实时过热保护和状态监测,在提高可靠性的基础上还可以尽可能地挖掘其应用潜能。介绍不同结温在线测量方法,着重关注其在线应用实现方法,并从影响参量、老化影响、一致性、线性度、灵敏度、响应速度、实现难度和结温意义8个指标详细总结和对比了这些测量方法,建立了一套综合评价体系。特别介绍了结温意义的指标,不同的结温测量方法所代表的结温意义不同,导致其测量结果不同,在应用时要严格遵守结温意义,结温测量技术需要与结温应用需求相结合。

基于导通压降的大容量IGBT模块结温观测与误差分析研究

压接式绝缘栅双极性晶体管PP-IGBT(press-pack insulated gate bipolar transistor)模块因其优越的电气性能和可靠性,广泛应用于柔性直流换流阀等大功率应用场景。IGBT芯片结温的准确观测对于其运行状态的监测与剩余寿命的评估都非常重要。已有结温观测方法多是针对键合引线式IGBT,未考虑到压接式模块的特性,无法直接应用。首先,针对大容量换流阀中的压接式IGBT,提出了一种实用的模块导通压降与结温标定方法,并对结温在线估计的误差进行了全面分析。然后,基于ABB公司5SNA 3000K452300压接式IGBT模块(4500 V,3000 A)设计了结温标定方案,包括实验电路、温度标定范围选择、结温控制方式、测量电路及标定实验步骤。最后,基于脉冲测试平台,对所提方法进行了验证。实验结果表明,所提结温标定与观测方案有效,结温观测误差在±5℃以内,且能适用压接式IGBT模块存在差异的情况。

基于开通集射极电压下降平台的功率器件结温监测方法

准确的结温监测对功率器件可靠性评估和健康管理至关重要,因此在牵引变流器中广受欢迎。然而,传统的结温监测方法易受到负载电流变化的影响,导致监测精度不高,难以达到牵引变流器的可靠性需求。对此,该文提出一种基于开通集射极电压下降平台的功率器件结温监测方法,首先,基于功率器件的等效电路模型,对功率器件开通瞬态进行详细分析。在此基础上,对器件结温与开通集射极电压下降平台的关系进行探究,并提出一种基于杂散电感两端最大电压的开通集射极电压下降平台定位方法。进一步地,利用双脉冲实验对所研究结温监测方法的适用性进行分析验证;最后,搭建单相脉冲整流器实验平台,对所研究结温监测方法的可行性进行实验验证,该方法能够有效降低负载电流变化的影响且具有较高的灵敏度。

计及IGBT模块键合线与芯片焊料层老化的热网络法结温计算

文中提出一种计及IGBT模块键合线与芯片焊料层老化的热网络法结温计算,基于Simulink对短时间尺度下损耗与结温的相互依赖关系进行更新,并分别通过双脉冲测试及有限元仿真修正长时间尺度下键合线与芯片焊料层老化对IGBT结温计算的影响,在此基础上,根据芯片焊料层不同老化状态下键合线的应力特征,实现两种老化模式的相互关联,较为准确地计算IGBT结温。最终利用试验平台与传统结温计算方法进行对比验证了所提结温计算方法的准确性。该结温计算方法有助于在实际运行工况及IGBT模块老化状态下精确计算结温。

基于改进双支耦合Cauer模型的逆变器中IGBT模块结温预测方法

在严苛工况下,应用于光伏发电和风电系统逆变器中的IGBT模块极易老化,进而在焊料层中形成空洞,而芯片材料的热物性也会因高温而发生变化,两者结合将大幅影响耦合模型的预测精度。基于此,在热耦合效应下,对焊料层空洞和芯片热效应对芯片结温的影响进行分析,建立同时考虑IGBT芯片焊料层空洞损伤和芯片材料热效应的改进双支耦合Cauer模型。通过有限元方法研究不同空洞率对IGBT模块热特性的影响,并给出含有空洞时焊料层热阻的计算方法。在此基础上,进一步考虑IGBT模块芯片热参数对温度的依赖关系,建立芯片热阻-温度的函数模型。最终,通过实验验证所提改进模型的准确性和有效性,提高了IGBT模块的结温预测精度,增强了光伏发电和风电系统中逆变器的可靠性。

IGBT模块V-I特性曲线簇建模及其结温提取应用

绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)以其高效率、大容量和低成本等特点在新能源发电及储能、高压直流输电、电力牵引和电气化交通等领域应用非常广泛。然而一旦IGBT模块发生故障,将打破相关装置和设备的正常运行状态,引发一系列连锁事故,造成人员伤害和严重的经济损失。根据一项调查统计结果,光伏电站大约34%的可靠性问题是由IGBT模块故障所引发的,因此,IGBT模块可靠性问题愈发受到关注。相关研究成果表明,IGBT模块的结温与模块可靠性问题之间存在密切的关系,如何能够快速准确地获取当前IGBT模块的实时结温是IGBT模块可靠性研究的关键。通过对IGBT模块的V-I输出特性曲线进行深入分析和研究,提出一种表征IGBT模块导通压降、结温和集电极电流关系的建模方法。利用该方法建立的表征模型可以方便快捷地提取IGBT模块结温,并通过试验验证了基于该建模方法的IGBT模块结温提取策略的有效性。除此之外,该建模方法考虑到了模块键合线老化的影响,并给出了相应的模型校正方法和结温提取策略。

基于光效和BP神经网络的LED结温预测研究

提出了一种发光效率结合BP神经网络的大功率LED结温预测方法。实验中发现LED的发光效率在结温升高至80℃左右将急剧下降,光效与结温的函数关系发生改变,进而影响了测量精度。针对这一问题,基于发光效率与结温的函数关系,构建实验平台,获取发光效率和相应结温的数据,然后通过BP神经网络建立LED结温预测模型。模型所得数据与正向电压法进行对比实验,最大误差为2.1℃,验证了所提方法的可行性,同时所提方法无需考虑LED的内部结构,能够简便,准确地预测大功率LED结温。

功率器件结温主动控制及优化策略

功率器件因结温波动产生的热-机械应力是其疲劳失效的主要原因,开展结温控制是提升器件可靠性、实现功率变换系统安全运行的重要保障。该文提出一种基于有限时间有界理论的功率器件结温主动控制策略,实现器件结温波动较为精确的控制,降低功率器件在运行过程中的结温波动幅值,减小因结温波动产生的热应力对器件材料的冲击,延缓器件的疲劳老化程度。首先,基于Foster热网络模型建立功率器件结温波动的状态-空间模型,基于有限元分析方法完成模型参数的辨识,实现器件结温状态的实时估计;其次,基于有限时间有界理论完成结温管理反馈控制器的设计,考虑不同工况下器件结温需求,以器件开关频率的调整为例完成器件结温波动的管理,降低结温波动对器件的热冲击作用;最后,仿真和实验结果表明,状态-空间模型估算器件结温的误差约为2%,结温控制结果与设定值差距约1.7%,说明了该文方法在结温估算和管理方面的精度较高。

基于电压下降时间的SiC MOSFET结温在线检测方法

随着功率器件在航天航空、轨道交通和电动汽车等领域的广泛应用,其可靠性问题备受关注,准确估计器件结温是确保电力电子装置运行可靠性的关键因素,同时也是实现SiC MOSFET器件寿命预测和健康管理的基础。以SiC MOSFET为研究对象,研究SiC MOSFET开通过程漏源极电压下降时间(tfv)与结温的关系,提出一种基于电压下降时间的结温测量方法;设计基于高频信号的电压下降时间检测电路和驱动电阻可切换的结温检测系统。试验结果表明,大驱动电阻下SiC MOSFET电压下降时间在结温表征方面具有温度灵敏度高、线性度好的优势,可作为温敏电参数测量SiC MOSFET结温;所设计的检测电路提取的电压下降时间具有很高的准确度,能够有效提取电压下降时间;所搭建的结温检测系统能够实现在线检测结温。

混合热网络模型的构建及其结温估计方法

随着绝缘栅双极晶体管在电力电子系统中的广泛应用,对影响其可靠性的结温的准确获取变得至关重要。然而,模块主要的失效形式之一即焊料层的老化,会对结温产生很大的影响。为精确估计结温,结合2种传统热网络模型Cauer和Foster的优点,研究了2种热网络模型的接口方法,完成两部分模型的结合,将芯片焊料层的老化考虑在内提出了一种混合热网络模型。最后,通过有限元仿真和实验测试与混合热网络模型的计算结果对比,验证了混合热网络模型能够实现准确的结温估计,为模块运行状态的监测提供了依据。

基于IGBT米勒平台的阈值电压结温估计法

在绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)的结温监测方法中,温敏参数法因具有响应速度快、成本低、易于在线检测的特点而受到广泛关注。已有研究表明,温敏参数中的阈值电压(VTH)具有良好的温度性质,但对其采用直接测量的方法易受电流振荡影响。为此,提出了一种在阻感负载下基于米勒平台的阈值电压间接计算法。首先描述阻感负载下IGBT的开关瞬态过程,论述VTH间接计算法的理论基础。然后通过开关过程中的米勒平台电压值间接计算VTH。最后通过实验证明了所提方法的有效性。