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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法

实现准确的结温监测对增强绝缘栅双极晶体管(IGBT)模块的可靠性、延长器件寿命至关重要。文章提出了一种基于关断电压的IGBT模块结温监测方法,具有不受负载电流干扰的特性。该方法首先验证了关断电压作为温敏电参数的合理性;其次,采用深度神经网络(DNN),排除关断电压对负载电流的依赖,达到不同工况下保持准确结温预测的目的;最后,通过单相脉宽调制(PWM)进行试验验证。结果显示,该结温监测方法误差在±5℃的范围内,这表明利用DNN优化结温监测是可行的。

基于Fluent流固耦合的电机控制器功率器件结温仿真分析

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)模块是电机控制器的核心部件,在工程应用中,常由于结温过高导致器件损毁,对控制器的可靠性影响重大。为探究IGBT模块内部的温度场分布,文章进行了损耗建模,并通过Fluent软件进行了结温估算。在控制器额定工况下,IGBT芯片最高结温约为113℃,IGBT与二极管芯片最高温度差接近10℃。同时分析了冷却液流速变化对电机控制器散热性能的影响,根据芯片最高温度及进出口压降,确定冷却液流速在1~2 m/s范围内为最佳区间,为电机控制器的散热性能设计提供参考依据。

基于米勒平台电压的SiC MOSFET结温监测及校正方法

基于导通米勒平台电压的碳化硅金属-氧化物-半导体场效应晶体管(SiC metal-oxide-semiconductor field effect transistor,SiC MOSFET)结温监测方法受到功率回路负载电流和驱动电路电阻等参数的影响,会造成很大的测量误差。文中以降压变化电路中的SiC MOSFET为研究对象,研究了负载电流和驱动电阻、电感对导通米勒平台电压的影响,并进行了多组校准试验,建立了新的结温监测方法。试验验证了文中提出的结温监测及校正方法的有效性,且最大误差小于6.9℃。文中提出的结温检测方法可在具有不同负载电流和驱动电阻的变换器中准确获取结温信息。

新能源汽车单管IGBT结温估算关键技术研究

这里设计了融合模型对单管绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温进行实时估计,基于双脉冲实验平台对单管IGBT进行测试,采集单管IGBT开通、关断、二极管反向恢复损耗,结合导通损耗,得到单管IGBT损耗模型;搭建热阻测试平台得到瞬态热阻曲线,结合基底温度建立4阶热网络模型;将损耗和热模型进行融合,实现单管IGBT结温的准确估计。基于结温估算模型,设计了IGBT降额保护控制策略。搭建了电机控制器带载(电机控制器-电感负载)测试平台,使用内部预埋温度传感器的ICGBT,对结温估计模型的实用性和准确性进行了验证。实验测试结果显示,在极端工况下,结温估算仍具有良好的跟踪性能,误差保持在±5℃以内。

一种基于热阻矩阵的2.5D封装芯片结温预测模型

随着2.5D封装芯片的封装尺寸不断减小和功率密度持续增加,芯片内部温度急剧上升。为了满足芯片散热和可靠性需求,准确预测服役过程中芯片的结温具有重要的意义。在充分考虑热耦合效应后,从2.5D封装芯片的热阻网络拓扑结构出发,提出了一种基于热阻矩阵的2.5D封装芯片结温预测模型。同时,采用FloTHERM热仿真软件对该预测模型进行了验证。结果表明,在对2.5D封装芯片施加不同功率后,该模型的计算结果和FloTHERM仿真结果相对误差小于5%。由此说明,该模型能够高效准确地预测2.5D封装芯片的结温。

IGBT结温与饱和压降耦合机理研究

绝缘栅双极型晶体管(IGBT)结温是影响变流器系统寿命、评估其可靠性的重要参数,而集-射极饱和压降是实现结温在线监测的关键热敏电参数。为深入研究IGBT结温与集-射极饱和压降间的耦合关系,本文从物理结构层面构建了IGBT饱和压降温度特性模型,分析了不同电流面密度下饱和压降与结温的关系机理,通过搭建IGBT静态特性测试平台,进一步探究了饱和压降与结温之间存在近似线性关系,进而基于动态特性测试平台,验证了理论分析的正确性。实验结果表明,在一定集电极电流条件下,IGBT饱和压降与结温呈现近似线性关系。在此基础上,对IGBT结温在线监测方法提出了建议。

基于人工智能的LED结温非接触式测量方法

根据LED芯片光谱的质心波长和半高全宽,构建了采用人工神经网络预测LED结温的方法。采用LED热阻结构分析系统测量不同衬底温度、不同电流下的结温,同时采用光谱仪测量相对光谱分布,选择GaN基芯片发出的蓝色光谱分布为研究对象,计算其质心波长和半高全宽,将质心波长、半高全宽和驱动电流作为输入参数,结温作为输出参数,构建人工神经网络。最后用该模型预测LED发光时的实际结温。研究表明,在采用大量数据学习后,本方法精度可以达到1.23℃,满足实际工程需求。此外,本方法不需要接触LED光源,准确性较高,具有明显的技术优势。

基于反向恢复电流的绝缘栅双极型晶体管模块动态结温估测方法

针对传统结温估测方法响应速度慢、测量误差大问题,采用绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)模块的反向恢复电流作为温敏电参数,提出一种新型结温估测方法.分析了IGBT模块结温和负载电流对反向恢复电流的影响机理,并建立了三者间的理论关系.考虑实际工况并采用试验数据拟合得到IGBT模块的结温预测模型,通过比较试验测量数据与预测模型计算结果的差异,证实了采用反向恢复电流提取IGBT模块动态结温的估测方法具有较高的估测精度和较快的响应速度.