CN105335602B - 一种功率igbt模块的寿命预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种功率IGBT模块的寿命预测方法，该方法基于实时温度监测，首先，由实时监测的温度获得其离散有限序列，将此序列进行线性拟合，得到连续函数，再经傅里叶变换为正弦量，按电路解析方法，通过寿命损耗调节函数C，求解在寿命消耗函数R(T)和Rc上寿命损耗，进而预测出功率IGBT模块的剩余寿命。
Description
技术领域
本发明涉及新能源发电系统可靠性技术领域，特别是涉及到一种核心变流装置功率IGBT模块的寿命预测。
背景技术
近年来，以功率IGBT模块为核心的变流装置在新能源发电、电动汽车领域广泛应用。然而在实际应用中，负载的不稳定性和剧烈波动性，加快了作为功率变流装置核心器件的IGBT的老化，系统可靠性降低。因此对功率IGBT模块的寿命预测显得十分重要。在影响导致功率IGBT模块寿命的因素中，结温及结温变化是导致功率IGBT模块损坏最直接、最重要的因素。但现有的基于结温监控预测IGBT寿命的方法，均需基于设定工况作出，只能预测出设定工况下IGBT的寿命，而对于电动汽车、新能源发电等负载不稳定、且变化不规律的使用场合，采用现有预测方法的预测寿命与实际寿命存在较大误差。无法对其进行准确的实时剩余寿命预测。
中国专利CN101087125B公开了一种具有寿命预测功能的电动汽车电机驱动系统，该文件中指出可以通过对IGBT结温及结温变化实时预测其剩余寿命，公式及方法如下：
LIGBT＝N(Tj，ΔTj)·tcycle (5)
式中：N(Tj，ΔTj)是在IGBT结温Tj和结温变化ΔTj下循环功率曲线，tcycle是功率循环时间，单位：s，这两者是由IGBT制造商给出。
该方法中计算剩余寿命需依靠IGBT制造商给出的功率循环曲线和功率循环时间，但这两个参数的同样是基于某种设定工况作出的，当实际工况与设定工况不符时，其预测出的剩余寿命也并不准确，因此，提供一种能够适应各种工况，基于结温及结温变化准确实时预测IGBT剩余寿命的方法，成为现有技术中亟待解决的问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，提供一种能够适应各种工况，基于结温实时检测准确实时预测IGBT剩余寿命的方法。
本发明提供了一种功率IGBT模块的寿命预测方法，其特征在于该方法基于实时温度监测，
首先，由实时监测的温度获得其离散有限序列，将此序列进行线性拟合得到连续函数，再经傅里叶变换为正弦量，按电路解析方法，通过寿命损耗调节函数C，求解在寿命消耗函数R(T)和Rc上的寿命损耗，进而预测出功率IGBT模块的剩余寿命。
所述的功率IGBT模块的寿命预测方法，其特征在于IGBT模块结温以一定频率和幅值波动时，功率IGBT模块的瞬时寿命损耗P依式(1.1)计算
所述式(1.1)中T(t)为将实时监测得到结温T的离散有限序列进行线性拟合得到表征T随时间t变化的连续函数；ω为角频率，ω＝2πfT，fT为IGBT模块结温变化频率，
所述功率IGBT模块累积消耗的寿命θs根据式(2.1)计算
当IGBT以恒定结温运行时，P依式(1.2)计算，
累积消耗寿命根据式(2.2)计算
ts为IGBT模块实际运行时间，tz是实际工况下的最终可运行时间
模块剩余寿命Lr如式(3)，
Lr＝L-θs(3)，L为功率IGBT总寿命，
所述式(1.1)的参数中，R(T)、Rc和C的获取过程如下：
需要选取相同型号的功率IGBT模块3组，每组m个，m≥1，
将3组模块分别在按以下步骤操作。
1)模块组1运行在恒定结温T1下，得到n1个采样时间点，对应的温度序列和剩余寿命值，每组得到m个总寿命值，将总寿命值求平均值得L1。
2)让其他两组模块围绕结温T1，分别在正弦波动下运行，所述正弦波幅值固定，频率分别为f1、f2，分别得到对应的温度序列，m个总寿命值，各自将总寿命值求平均值得L2，L3。
L1带入(3)，L2，L3带入式(3)联立可得到R(T)、Rc和C的离散值，改变T1，得到不同温度状态下的R(T)、Rc和C参数矩阵，将这3个参数矩阵进行拟合即可得到R(T)、Rc及C。
其中R(T)、Rc的单位为T2/t，C的单位为t/T2，T为温度单位，t为时间单位，
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的功率IGBT模块的寿命预测方法，基于实时结温监测数据，有效推测功率IGBT模块的剩余寿命，与现有的结温检测方法只能在结温或结温变化幅值过高时向控制系统发出警告，并不能判断模块是否真正损坏，更不能由此推测模块的剩余寿命相比，能够基于基于实时结温监测的功率IGBT模块的剩余寿命。本发明充分考虑到了结温这一影响功率IGBT模块寿命的最重要因素，将模型构建在功率IGBT模块结温的实时监测之上，综合考虑到了恒定高结温以及结温频率与幅值波动这两种影响因素。且与CN101087125B中的寿命预测方法相比，本发明提供的寿命预测方法其关键参数R(T)、Rc、C建立在对现有所检测功率IGBT模块通过简单方法实测并推导得来，参数硬件实现简单，经济成本低，因此在复杂工况下对功率IGBT剩余寿命的进行实施检测时，其预测结果准确度更高。
本发明中各个参数的获取计算简单，过程明确，参数一旦获取，即可直接由实时监测结温数据预测功率IGBT模块的寿命，具有相当的实用性。
附图说明
图1为实施例1所示功率IGBT模块寿命预测方法步骤1)操作等效电路模型图
图2为实施例1所示功率IGBT模块寿命预测方法步骤2)操作等效电路模型图。
具体实施方式
实施例1功率IGBT模块预测寿命方法推导
所述功率IGBT模块的瞬时寿命损耗P依式(1.1)计算
所述式(1.1)中T(t)为将实时监测得到结温T的离散有限序列进行线性拟合得到表征T随时间t变化的连续函数；ω为角频率，ω＝2πfT，fT为IGBT模块结温变化频率，
所述功率IGBT模块累积消耗的寿命θs根据式(2.1)计算
当IGBT以恒定结温运行时，P依式(1.2)计算，
累积消耗寿命根据式(2.2)计算
ts为IGBT模块实际运行时间，tz是实际工况下的最终可运行时间，
模块剩余寿命Lr如式(3)，
Lr＝L-θs(3)，L为功率IGBT总寿命，
所述式(1.1)的参数中，R(T)、Rc和C的获取过程如下：
需要选取相同型号的功率IGBT模块3组，每组m个，m≥1，
将3组模块分别在按以下步骤操作。
1)模块组1运行在恒定结温T1下，得到n1个采样时间点，对应的温度序列和剩余寿命值，每组得到m个总寿命值，将总寿命值求平均值得L1。
2)让其他两组模块围绕结温T1，分别在正弦波动下运行，所述正弦波幅值固定，频率分别为f1、f2，分别得到对应的温度序列，m个总寿命值，各自将总寿命值求平均值得L2，L3。
L1带入(3)，L2，L3带入式(3)联立可得到R(T)、Rc和C的离散值，改变T1，得到不同温度状态下的R(T)、Rc和C参数，将这3个参数矩阵进行拟合即可得到R(T)、Rc及C。
其中R(T)、Rc的单位为T2/t，C的单位为t/T2，T为温度单位，t为时间单位，
在本实施例中各参数单位及其描述如下
| 参数名称 | 符号 | 单位 | 参数描述 |
| 总寿命 | L | 年 | 功率IGBT模块的总寿命 |
| 结温 | T | 摄氏度 | 功率IGBT模块最高温度 |
| 耗寿命函数1 | R(T) | 摄氏度2/年 | 模拟结温对功率IGBT模块寿命的影响 |
| 耗寿命函数2 | Rc | 摄氏度2/年 | 模拟结温波动对功率IGBT模块寿命的影响 |
| 寿命损耗调节函数 | C | 年/摄氏度2 | 调节结温波动的幅值和频率 |
进行步骤1)操作时等效电路模型如图1所示，耗寿命函数1等效为阻性负载R(T)、R(T)作为寿命消耗模块与等效为待测IGBT模块的温度源T串联组成等效电路。
进行步骤2)操作时等效电路模型如图2所示，耗寿命函数1、2分别等效为阻性负载R(T)、Rc，寿命损耗调节函数等效为可调节电容C，可调节电容C与阻性负载Rc件串联后，再与R(T)并联组成寿命消耗模块，寿命消耗模块与等效为待测IGBT模块的温度源T串联组成等效电路。
在运行时
由温度源T向整个装置提供实际结温T，由R(T)和Rc作为负载不断消耗寿命，并C来调节总负载变化来从实现工况变化，并可检测由结温T波动所引起的功率IGBT模块老化速度的变化。
实施例2方法验证
以下通过设计工况变化，验证实施例1提供的功率IGBT模块预测寿命方法。
工况1采用某型号功率IGBT模块，其设计指标为运行在恒温75℃时，使用寿命20年，即T＝75℃，L75＝20年，
恒温运行时Rc和C为常量，因此在推导参数时相当于仅进行步骤1)得到L1＝L75＝20年，且θs＝L1，且带入式(1.2)得到R(T)即可
通过计算得到：参数R(T)＝5625。
该型号功率IGBT模块在恒温105℃时，可使用寿命为：
年。
工况2采用工况1同型号功率IGBT模块按如下表格设计工况持续工作，通过步骤1)的模型计算可得每阶段的剩余寿命，剩余寿命值如表格所示：
上述剩余寿命均为是以原设计使用工况下的寿命预测值。经过加速试验验证，上述预测值与实际检测值一致。
工况3采用某型号功率IGBT模块，其设计指标为运行在恒温120℃时，使用寿命1年，按照该设计指标，采用实施例1的方法推导，R(T)、Rc及C，m＝1
步骤1)按照已知设计指标带入即可，即T1＝120℃，L1＝θs＝1年，带入式(1.2)；
步骤2)另取同型号IGBT模块2个，分别以幅值不变，频率为f1和f2的正弦波动下运行，其结温变化曲线函数分别为
经实测其总寿命L2＝θs＝0.4年
经实测其总寿命L3＝θs＝0.2年；
分别带入式(1.1)中，通过计算得到：参数R(T)＝14400，Rc＝-3947，C2＝-9.35*10-3。
当该型IGBT模块工作时实际结温变化曲线为时，通过计算得其总寿命为：L＝1.9年。
当改变T1时，L1可以按照工况1中的方法计算得到，通过得到不同温度状态下的R(T)，Rc，C参数，将这3个参数矩阵进行拟合即可得到R(T)、Rc及C，并据此可以对各种复杂工况下的实时剩余寿命进行预测。
Claims (1)
1.一种功率IGBT模块的寿命预测方法，其特征在于该方法基于实时温度监测，首先，由实时监测的温度获得其离散有限序列，将此序列进行线性拟合，得到连续函数，再经傅里叶变换为正弦量，按电路解析方法，通过寿命损耗调节函数C，求解在寿命消耗函数R(T)和Rc上的寿命损耗，进而预测出功率IGBT模块的剩余寿命；
IGBT模块结温以一定频率和幅值波动时，功率IGBT模块的瞬时寿命损耗P依式(1.1)计算
所述式(1.1)中T(t)为将实时监测得到结温T的离散有限序列进行线性拟合得到表征T随时间t变化的连续函数；ω为角频率，ω＝2πfT，fT为IGBT模块结温变化频率，
所述功率IGBT模块累积消耗的寿命θs根据式(2.1)计算
当IGBT以恒定结温运行时，P依式(1.2)计算，
累积消耗寿命根据式(2.2)计算
ts为IGBT模块实际运行时间，tz是实际工况下的最终可运行时间，
模块剩余寿命Lr如式(3)，
Lr＝L-θs(3)，L为功率IGBT总寿命；
所述式(1.1)的参数中，R(T)、Rc和C的获取过程如下：
需要选取相同型号的功率IGBT模块3组，每组m个，m≥1，
将3组模块分别在按以下步骤操作
1)模块组1运行在恒定结温T1下，得到n1个采样时间点，对应的温度序列和剩余寿命值，每组得到m个总寿命值，将总寿命值求平均值得L1；
2)让其他两组模块围绕结温T1，分别在正弦波动下运行，所述正弦波幅值固定，频率分别为f1、f2，分别得到对应的温度序列，m个总寿命值，各自将总寿命值求平均值得L2，L3；
L1带入式 (3)，L2，L3带入式(3)联立可得到R(T)、Rc和C的离散值，改变T1，得到不同温度状态下的R(T)、Rc和C参数矩阵，将这3个参数矩阵进行拟合，即得到R(T)、Rc及C。
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